Интенсивность теплового облучения прибор для измерение. Нормирование теплового излучения

1. За счет каких процессов образуется тепло в организме человека? Каким путем организм теряет большую часть тепла?

Образование тепла в организме человека происходит за счет окислительных реакций и сокращения мышц, а также поглощения тепла получаемого извне от оборудования, нагретых веществ, ламп накаливания и др.

Большую часть тепла организм теряет за счёт теплового излучения (до 60%).

2. Какими способами происходит отдача тепла организмом человека?

Отдача тепла организмом в окружающую среду осуществляется путем конвекции в результате нагревания воздуха, омывающего поверхность тела, (примерно 30 %), испарения влаги (пота) с поверхности кожи (в среднем 20 – 29 %), теплового излучения на окружающие предметы, имеющие более низкую чем кожа температуру поверхности (до 60 %).

3. От каких параметров зависит величина интенсивности теплового излучения на рабочем месте? Указать единицу измерения интенсивности.

Интенсивность теплового излучения Q (Вт/м2) на рабочем месте можно рассчитать по формуле: , где F – площадь излучающей поверхности источника, м2; T ° – температура излучающей поверхности, К; l – расстояние от излучающей поверхности до работающего, м. Единица измерения – Вт/м².

4. От какого параметра излучения зависит глубина его проникновения в живую ткань? Воздействие излучения на какие органы наиболее опасно?

Зависит от длины волны. Лучи длинноволнового диапазона ИК – излучения (от 3 мкм до 1 мм) задерживаются в поверхностных слоях кожи уже на глубине 0,1 – 0,2 мм. Лучи коротковолнового диапазона ИК – излучения (от 0,78 до 1,4 мкм) обладают способностью проникать в ткани организма на несколько сантиметров.

Клетки головного мозга, лёгкие, почки, мышцы.

5. Какой диапазон ИК-излучения при облучении вызывает более тяжелые последствия?

Лучи коротковолнового диапазона ИК – излучения (от 0,78 до 1,4 мкм) легко проникают через кожу и черепную коробку в мозговую ткань и могут воздействовать на клетки головного мозга, вызывая его тяжелые поражения.

6. Какое специфическое заболевание может вызвать нарушение терморегуляции? Каковы симптомы этого заболевания?

ИК-излучение может привести к специфическому заболеванию – тепловому удару , проявляющегося в головной боли, головокружении, учащении пульса, ускорении дыхания, падении сердечной деятельности, потере сознания и др.

7. Какое профессиональное заболевание может вызвать длительное тепловое облучение? Какой диапазон ИК-излучения при этом наиболее опасен?

При длительном облучении глаз у работников развивается профессиональное заболевание – катаракта (помутнение хрусталика). Лучи коротковолнового диапазона ИК – излучения (от 0,78 до 1,4 мкм) наиболее опасны.

8. Через величину какой характеристики оценивается действие теплового излучения на человека? Указать единицу ее измерения.

Действие теплового излучения на человека оценивается через величину, названную интенсивностью теплового облучения , Вт/м 2 .

9. От каких факторов зависит эффект воздействия теплового излучения?

Тепловой эффект воздействия облучения зависит от множества факторов:

1)температуры источника излучения, 2) интенсивности теплового излучения на рабочем месте, 3) спектра излучения, 4) площади излучающей поверхности, 5) расстояния между излучающей поверхностью и телом человека, 6) размера облучаемого участка тела, 7) длительности облучения, 8) одежды и т.п.

10. В каких случаях будет более тяжелым эффект воздействия теплового излучения?

Чем больше величина облучаемой поверхности, чем продолжительнее период облучения и чем ближе облучаемый участок организма к важным жизненным органам, тем тяжелее эффект воздействия.

11. Что такое терморегуляция? Какова функция данного механизма?

Регулирование теплообмена осуществляется путем изменения количества вырабатываемого в организме тепла и путем увеличения или уменьшения его передачи в окружающую среду за счет соответствующих реакций одного из основных механизмов приспособления – терморегуляции.

Терморегуляция – совокупность физиологических процессов, обеспечивающих постоянство температуры тела человека в допустимых физиологических границах 36,4 – 37,5 °С. Данный диапазон температур внутренних органов человека наиболее благоприятен для протекания в организме биохимических реакций и деятельности мозга.

12. При тепловом облучении допустимые значения какого параметра и в зависимости от какого фактора устанавливаются ГОСТ 12.1.005 – 88?

Допустимая интенсивность теплового облучения работающих в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями (ГОСТ 12.1.005 – 88) устанавливается в зависимости от площади облучаемой поверхности тела .

13. Какими способами обеспечивается защита работников от перегревания? Какой из способов является наиболее распространенным?

Способы обеспечения защиты работников от перегревания:

1) дистанционное управление ходом технологического процесса, 2) использование защитных экранов, 3) водяных и воздушных завес, 4) воздушное душирование, 5) применение спецодежды и средств индивидуальной защиты, 6) оборудование комнат или кабин для кратковременного отдыха с подачей в них кондиционированного воздуха.

14. Какие из исследуемых экранов являлись теплоотражающими? Из каких других материалов изготавливают такие экраны?

Теплоотражающие экраны имеют низкую степень черноты поверхностей, вследствие чего они значительную часть падающей на них лучистой энергии отражают в обратном направлении. В качестве теплоотражающих материалов в конструкции экранов используют альфоль (ал. фольга), листовой алюминий, оцинкованную сталь, алюминиевую краску.

15. Какие из исследуемых экранов являлись теплопоглощающими? Из каких других материалов изготавливают такие экраны?

Теплопоглощающие экраны изготавливают из материалов с высоким термическим сопротивлением (малым коэффициентом теплопроводности). В качестве теплопоглощающих материалов применяют огнеупорный и теплоизоляционный кирпич, асбест, брезент, шлаковату.

16. Что используют на производстве в качестве теплоотводящих экранов?

В качестве теплоотводящих экранов используются водяные завесы, свободно падающие в виде пленки или орошающие другую экранирующую поверхность, либо заключенные в специальный кожух из стекла или металла змеевики с принудительно циркулирующей в них холодной водой.

Интенсивность теплового облучения

Интенсивность теплового облучения работающих от нагретых поверхностей технологического оборудования, осветительных приборов, инсоляции на постоянных и непостоянных рабочих местах не должна превышать 35 Вт/м2 при облучении 50% поверхности тела и более, 70 Вт/м2 - при величине облучаемой поверхности от 25 до 50% и 100 Вт/м2 - при облучении не более 25% поверхности тела.

Интенсивность теплового облучения работающих от открытых источников (нагретый металл, стекло, “открытое” пламя и др.) не должна превышать 140 Вт/м2, при этом облучению не должно подвергаться более 25% поверхности тела и обязательным является использование средств индивидуальной защиты, в том числе средств защиты лица и глаз.

При наличии теплового облучения температура воздуха на постоянных рабочих местах не должна превышать указанные в табл. 1 верхние границы оптимальных значений для теплого периода года, на непостоянных рабочих местах - верхние границы допустимых значений для постоянных рабочих мест.

Освещенность

Основной задачей производственного освещения является поддержание на рабочем месте освещенности, соответствующей характеру зрительной работы. Увеличение освещенности рабочей поверхности улучшает видимость объектов за счет повышения их яркости, увеличивает скорость различения деталей, что сказывается на росте производительности труда.Так, при выполнении отдельных операций на главном конвейере сборки автомобилей при повышении освещенности с 30 до 75 лк производительность труда повысилась на 8 %. При дальнейшем повышении до 100 лк -- на 28 % (по данным проф. АЛ. Тарханова). Дальнейшее повышение освещенности не дает роста производительности.

При организации производственного освещения необходимо обеспечить равномерное распределение яркости на рабочей поверхности и окружающих предметах. Перевод взгляда с ярко освещенной на слабо освещенную поверхность вынуждает глаз переадаптироваться, что ведет к утомлению зрения и соответственно к снижению производительности труда. Для повышения равномерности естественного освещения больших цехов осуществляется комбинированное освещение. Светлая окраска потолка, стен и оборудования способствует равномерному распределению яркостей в поле зрения работающего.

Производственное освещение должно обеспечивать отсутствие в поле зрения работающего резких теней. Наличие резких теней искажает размеры и формы объектов различения и тем самым повышает утомляемость, снижает производительность труда. Особенно вредны движущиеся тени, которые могут привести к травмам. Тени необходимо смягчать, применяя, например, светильники со светорассеивающими, молочными стеклами, при естественном освещении, используя солнцезащитные устройства (жалюзи, козырьки и др.).

Для улучшения видимости объектов в поле зрения работающего должна отсутствовать прямая и отраженная блескость. Блескость-- это повышенная яркость светящихся поверхностей, вызывающая нарушение зрительных функций (ослепленность), т.е. ухудшение видимости объектов. Блескость ограничивают уменьшением яркости источника света, правильным выбором защитного угла светильника, увеличением высоты подвеса светильников, правильном направлением светового потока на рабочую поверхность, а также изменением угла наклона рабочей поверхности. Там, где это возможно, блестящие поверхности следует заменять матовыми.

Колебания освещенности на рабочем месте, вызванные, например, резким изменением напряжения в сети, обусловливают переадаптацию глаза, приводя к значительному утомлению. Постоянство освещенности во времени достигается стабилизацией плавающего напряжения, жестким креплением светильников, применением специальных схем включения газоразрядных ламп.

При организации производственного освещения следует выбирать необходимый спектральный состав светового потока. Это требование особенно существенно для обеспечения правильной цветопередачи, а в отдельных случаях для усиления цветовых контрастов. Оптимальный спектральный состав обеспечивает естественное освещение. Для создания правильной цветопередачи применяют монохроматический свет, усиливающий одни цвета и ослабляющий другие.

Осветительные установки должны быть удобны и просты в эксплуатации, долговечны, отвечать требованиям эстетики, электробезопасности, а также не должны быть причиной возникновения взрыва или пожара. Обеспечение указанных требований достигается применением защитного зануления или заземления, ограничением напряжения питания переносных и местных светильников, защитой элементов осветительных сетей от механических повреждений и т.п.

В кабинах, на пультах и постах управления технологическими процессами, в залах вычислительной техники и других производственных помещениях при выполнении работ операторского типа, связанных с нервно-эмоциональным напряжением, должны соблюдаться оптимальные величины температуры воздуха 22-24°С, его относительной влажности 60-40% и скорости движения (не более 0,1 м/с). Перечень других производственных помещений, в которых должны соблюдаться оптимальные нормы микроклимата, определяется отраслевыми документами, согласованными с органами санитарного надзора в установленном порядке.

При обеспечении оптимальных показателей микроклимата температура внутренних поверхностей конструкций, ограждающих рабочую зону (стен, пола, потолка и др.), или устройств (экранов и т.п.), а также температура наружных поверхностей технологического оборудования или ограждающих его устройств не должны выходить более чем на 2 °С за пределы оптимальных величин температуры воздуха, установленных в табл. 1 для отдельных категорий работ. При температуре поверхностей ограждающих конструкций ниже или выше оптимальных величин температуры воздуха рабочие места должны быть удалены от них на расстояние не менее 1 м. Температура воздуха в рабочей зоне, измеренная на разной высоте и в различных участках помещений, не должна выходить в течение смены за пределы оптимальных величин, указанных в табл. 1 для отдельных категорий работ.

Температуру, относительную влажность и скорость движения воздуха измеряют на высоте, 1,0 м от пола или рабочей площадки при работах, выполняемых сидя, и на высоте 1,5 м - при работах, выполняемых стоя. Измерения проводят как на постоянных, так и на непостоянных рабочих местах при их минимальном и максимальном удалении от источников локального тепловыделения, охлаждения или влаговыделения (нагретых агрегатов, окон, дверных проемов, ворот, открытых ванн и т. д.).

Каким образом можно усовершенствовать условия труда

Ведущая роль в профилактике вредного влияния высоких температур, инфракрасного излучения принадлежит технологическим мероприятиям: замена старых и внедрение новых технологических процессов и оборудования, способствующих оздоровлению неблагоприятных условий труда.

К группе санитарно-технических мероприятий относится применение коллективных средств защиты: локализация тепловыделений, теплоизоляция горячих поверхностей, экранирование источников рабочих мест; воздушное душирование, радиационное охлаждение, распыление воды; общеобменная вентиляция или кондиционирование воздуха.

Уменьшению поступления теплоты в цех способствуют мероприятия, обеспечивающие герметичность оборудования.

Следует ограничивать прямую блесткость от источников освещения, при этом яркость светящихся поверхностей (окна, светильники и др.), находящихся в поле зрения, должна быть не более 200 кд/м.

Следует ограничивать отраженную блесткость на рабочих поверхностях (экран, стол, клавиатура и др.) за счет правильного выбора типов светильников и расположения рабочих мест по отношению к источникам естественного и искусственного освещения, при этом яркость бликов на экране ПЭВМ не должна превышать 40 кд/м2 и яркость потолка не должна превышать 200 кд/м2.

Показатель ослепленности для источников общего искусственного освещения в производственных помещениях должен быть не более 20. Показатель дискомфорта в административно-общественных помещениях - не более 40, в дошкольных и учебных помещениях - не более 15.

Следует ограничивать неравномерность распределения яркости в поле зрения пользователя ПЭВМ, при этом соотношение яркости между рабочими поверхностями не должно превышать 3:1 - 5:1, а между рабочими поверхностями и поверхностями стен и оборудования - 10:1.

В качестве источников света при искусственном освещении следует применять преимущественно люминесцентные лампы типа ЛБ и компактные люминесцентные лампы (КЛЛ).

Применение светильников без рассеивателей и экранирующих решеток не допускается.

Общее освещение при использовании люминесцентных светильников следует выполнять в виде сплошных или прерывистых линий светильников, расположенных сбоку от рабочих мест, параллельно линии зрения пользователя при рядном расположении видео дисплейных терминалов. При периметральном расположении компьютеров линии светильников должны располагаться локализовано над рабочим столом ближе к его переднему краю, обращенному к оператору.

Для обеспечения нормируемых значений освещенности в помещениях для использования ПЭВМ следует проводить чистку стекол оконных рам и светильников не реже двух раз в год и проводить своевременную замену перегоревших ламп.

В основу по нормированию ионизирующих излучений входят положения: не дозового предела; исключения необоснованного облучения людей.

К основным мерам защиты относятся:

· использование источников с минимальным выходом излучения (защита количеством);

· ограничение времени работы (защита временем);

· удаление рабочих мест от источников (защита расстоянием);

· экранирование источников или рабочих мест.

Различают защиту: от внешнего облучения, возникающего при работе с закрытыми источниками; от внутреннего облучения, возникающего при работе с открытыми источниками. Закрытые источники - устройства, которые исключают попадание радиоактивных веществ в среду. При расчёте защитного экрана определяют характеристики источника и предельно допустимые уровни излучения. Проектирование защиты выполнятся с учётом назначения помещения, категории облучаемых лиц, длительности облучения. При этом определяется кратность ослабления облучения. Ро - замеренная на рабочем месте мощность дозы; Рх - предельно допустимая мощность дозы.

Толщина экрана рассчитывается в зависимости от энергии излучения и кратности ослабления с учётом плотности материала. В зависимости от материала и конструкции защита бывает: водяной; сухой; смешанной.

Проанализируйте условия труда на вашем рабочем месте и предложите рекомендации по их улучшению

При изучении операторской деятельности особое внимание следует уделить выявлению различных факторов, влияющих на ее эффективность .

Согласно современным представлениям, физиологические основы трудовой деятельности базируются на деятельности центральной нервной системы (ЦНС), обеспечивающей координацию всех органов, которая осуществляется с помощью процессов возбуждения и торможения. С помощью импульсов возбуждения ЦНС и осуществляет свою функцию высшего распорядителя и организатора всей деятельности организма. Энергетическое обеспечение процессов возбуждения ограничено некоторыми рамками, которые определяют предел работоспособности. Этот предел, даже для одного человека является величиной переменной и может меняться в зависимости от конкретных условий труда специалиста.

Процесс торможения находится под контролем сознания. Во время трудовой деятельности волевым усилием можно продолжить выполнение работы, несмотря на усталость, однако продолжение работы требует энергетического обеспечения, поэтому человеческий организм начинает использовать энергетические вещества, предназначенные для других целей, отсюда нейрофизиологические конфликты, которые меняют характер многих физиологических процессов.

Работоспособность на протяжении рабочего времени проходит в три периода. Первый период (0.5 - 1.5 ч) - период вырабатывания, для него характерны низкие показатели работоспособности, который может продолжаться от нескольких минут до часа, характеризуется постоянным повышением всех показателей работы. Второй период (2.5 - 3 ч) - оптимальная работоспособность (80%), характеризующаяся относительно стабильными, наилучшими для данных условий результатами работы оператора. Третий период (0.5 ч) - снижение работоспособности в результате утомления. Большое влияние на работоспособность специалиста оказывает четкий ритм процесса работы. Когда активная работа прерывается, то период врабатываемости повторяется каждый раз. Умение равномерно расходовать психо-физиологические ресурсы организма является одним из признаков профессиональной выносливости, а следовательно, более эффективной работы.

Кратковременные перерывы в работе, производимые в строго определенное время, являются одним из способов борьбы с утомлением.

Теперь остановимся на вопросах микроклимата рабочего помещения. Оптимальные значения температуры воздуха в помещении (наиболее комфортные для человека) составляют 19-23 °С. Относительная влажность воздуха 55%. Скорость движения воздуха не превышает на уровне лица 0,1 м/с. При ощутимом нагреве поверхностей (более 45 °С), контактирующих с человеком, следует предусмотреть средства охлаждения или изоляцию поверхностей. В общем же, для обеспечения данных требований к состоянию воздушной среды, рекомендуется применение средств кондиционирования воздуха, рациональное размещение рабочих мест по площади помещения или как наиболее простой способ: периодическое в течение дня проветривание помещения (желательно во время рабочих перерывов, что бы избежать влияния сквозняков на здоровье операторов. Данные параметры удовлетворяют требованиям ГОСТов.

Рабочие столы размещены таким образом, что видео дисплейные терминалы ориентированы боковой стороной к световым проемам, чтобы естественный свет падал преимущественно слева.

Искусственное освещение в помещениях для эксплуатации ПЭВМ осуществляется системой общего равномерного освещения. В производственных и административно-общественных помещениях, в случаях преимущественной работы с документами, следует применять системы комбинированного освещения (к общему освещению дополнительно устанавливаются светильники местного освещения, предназначенные для освещения зоны расположения документов).

Освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа составляет 300 - 500 лк. Все нормы у предприятия выполнены поэтому в качестве усовершенствования можно было бы предложить только более тщательно следить за условиями труда рабочих и по мере возможности устранять появляющиеся недочеты.

Прибор предназначен для плотности теплового потока излучения (или интенсивности теплового облучения, энергетической освещенности, облученности) в инфракрасной области спектра, а также для оценки экспозиционной дозы теплового облучения персонала в производственных и жилых помещениях, обусловленного влиянием локальных и общих источников тепла.

Описание средства измерений Измеритель тепловой облучённости "ТКА-ИТО"

Принцип действия измерителя состоит в преобразовании падающего на черный шар теплового потока в электрический сигнал, пропорциональный плотности этого потока(облученности), с последующим масштабированием и индикацией результата измерения.
Повышение температуры внутри черного шара определяет пропорциональную облученности реакцию на внешнее тепловое излучение, усреднённую по углу 4п (360°) и времени экспозиции, эквивалентную реакции тела человека на такие факторы окружающей среды, как радиационный и конвективный теплообмен. Это повышение температуры измеряется по индуцированному инфракрасному излучению от внутренней поверхности чёрного шара с помощью расположенного внутри него фотоприёмного модуля.
Фотоприёмный модуль содержит неселективный (в диапазоне длин волн от 1,5 до 20 мкм) приёмник излучения, датчик температуры корпуса модуля и схему компенсации температуры окружающей среды. Данные модуля обрабатываются микроконтроллером, и на дисплей электронного блока измерителя выводятся значения измеренной облучённости, а также производится индикация температуры внутри чёрного шара и температуры окружающей среды.

Конструкция прибора Измеритель тепловой облучённости "ТКА-ИТО"

Конструктивно измеритель состоит из блока черного шара на штативе и электронного блока, в состав которого входят устройство детектирования сигналов, устройство цифровой обработки результатов измерений и жидкокристаллический дисплей для отображения измеренных и вычисляемых значений. Конструкция измерителей исключает возможность несанкционированной настройки и доступа к измерительной информации, корпус опломбирован, пломба находится в местах крепления задней крышки электронного блока.

Основные технические характеристики прибора Измеритель тепловой облучённости "ТКА-ИТО"

* Примечание: ИВ- значение измеряемой величины (облучённости)

Условия эксплуатации прибора Измеритель тепловой облучённости "ТКА-ИТО"

Нормативные документы прибора Измеритель тепловой облучённости "ТКА-ИТО"

1. ГОСТ 8.558-2009. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры
2. Федеральный закон Российской Федерации № 426-н «О специальной оценке условий труда» от 28.12.2013
3. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений. Санитарные правила и нормы СанПиН2.2.4.548-96

Область применения прибора Измеритель тепловой облучённости "ТКА-ИТО"

Выполнение работ по обеспечению безопасных условий охраны труда, санитарный и технический надзор в жилых и производственных помещениях, аттестация рабочих мест и другие сферы деятельности, регламентируемые требованиями Федерального закона РФ № 426-н « О специальной оценке условий труда», СанПиН 2.2.4.548-96, приказа Минсоцздравразвития РФ № 1034н, ISO - 7726:1998, ГОСТ 8.106-2001.

Программное обеспечение

• Программа «», необходимая для проведения поверки (* .zip)

Комплектация прибора Измеритель тепловой облучённости "ТКА-ИТО":

• Измеритель тепловой облучённости "ТКА-ИТО"
• Элемент питания типа «АА» (2 шт)
• Штатив-трипод напольный высотой h=1,3 м
• Руководство по эксплуатации
• Методика поверки МП 2411-0105-2014
• Паспорт
• Сумка для прибора
• Транспортная тара

Существенные преимущества прибора Измеритель тепловой облучённости "ТКА-ИТО" перед аналогами

Прибор позволяет упростить и ускорить необходимые измерения интенсивности теплового облучения и на основе этого рассчитать среднюю радиационную температуру и величину экспозиции теплового облучения. Прибор полностью отвечает требованиям нормативных документов по измерению тепловой облучённости, регистрирует тепловое излучение с углом обзора 360 0 , обладает расширенным диапазоном измерений до 3500 Вт/м 2 , имеет повышенное быстродействие, благодаря оригинальной конструкции ЧШ, на дисплей прибора выводится информация о величинах тепловой облучённости, радиационной и окружающей температурах.

Измерение теплового облучения - процесс, который может помочь вычислить температуру, которая достигается во время радиационного воздействия, и степень экспозиции облучения. Специализированные высокоточные приборы для измерения теплового облучения можно купить только в специализированных магазинах, и наша организация - одна из таких компаний. «ТКА-ИТО» - профессиональное устройство, которое способно за короткий срок рассчитать и вывести на дисплей показатели облучения в тепловом спектре. Благодаря полному углу обзора, который равен 360 градусам, и сверхчувствительным датчикам, работающим в расширенном диапазоне, результаты вычисляются с минимальной погрешностью при наиболее быстром процессе работы. Такое устройство подойдет как для измерения облучения в жилом пространстве, так и для исследования в ходе проверки производственного или научного здания. В цену прибора для измерения теплового излучения входит поверка с метрологическими нормами, а интервал между поверками равен 24 месяцам. Отличное качество сборки и привлекательная цена - также немаловажные достоинства, которые делают этот измеритель настолько популярным в своем классе.

1. Характеристики теплового излучения.

2. Закон Кирхгофа.

3. Законы излучения черного тела.

4. Излучение Солнца.

5. Физические основы термографии.

6. Светолечение. Лечебное применение ультрафиолета.

7. Основные понятия и формулы.

8. Задачи.

Из всего многообразия электромагнитных излучений, видимых или невидимых человеческим глазом, можно выделить одно, которое присуще всем телам - это тепловое излучение.

Тепловое излучение - электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии.

Тепловое излучение обусловливается возбуждением частиц вещества при соударениях в процессе теплового движения или ускоренным движением зарядов (колебания ионов кристаллической решетки, тепловое движение свободных электронов и т.д.). Оно возникает при любых температурах и присуще всем телам. Характерной чертой теплового излучения является сплошной спектр.

Интенсивность излучения и спектральный состав зависят от температуры тела, поэтому не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение. Например, тела, нагретые до высокой температуры, значительную часть энергии испускают в видимом диапазоне, а при комнатной температуре почти вся энергия испускается в инфракрасной части спектра.

26.1. Характеристики теплового излучения

Энергия, которую теряет тело вследствие теплового излучения, характеризуется следующими величинами.

Поток излучения (Ф) - энергия, излучаемая за единицу времени со всей поверхности тела.

Фактически, это мощность теплового излучения. Размерность потока излучения - [Дж/с = Вт].

Энергетическая светимость (Re) - энергия теплового излучения, испускаемого за единицу времени с единичной поверхности нагретого тела:

Размерность этой характеристики - [Вт/м 2 ].

И поток излучения, и энергетическая светимость зависят от строения вещества и его температуры: Ф = Ф(Т), Re = Re(T).

Распределение энергетической светимости по спектру теплового излучения характеризует ее спектральная плотность. Обозначим энергию теплового излучения, испускаемого единичной поверхностью за 1 с в узком интервале длин волн от λ до λ + dλ, через dRe.

Спектральной плотностью энергетической светимости (r) или испускательной способностью называется отношение энергетической светимости в узком участке спектра (dRe) к ширине этого участка (d λ):

Примерный вид спектральной плотности и энергетичекая светимость (dRe) в интервале волн от λ до λ + dλ, показаны на рис. 26.1.

Рис. 26.1. Спектральная плотность энергетической светимости

Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны называют спектром излучения тела. Знание этой зависимости позволяет рассчитать энергетическую светимость тела в любом диапазоне длин волн:

Тела не только испускают, но и поглощают тепловое излучение. Способность тела к поглощению энергии излучения зависит от его вещества, температуры и длины волны излучения. Поглощательную способность тела характеризует монохроматический коэффициент поглощения α.

Пусть на поверхность тела падает поток монохроматического излучения Φ λ с длиной волны λ. Часть этого потока отражается, а часть поглощается телом. Обозначим величину поглощенного потока Φ λ погл.

Монохроматическим коэффициентом поглощения α λ называется отношение потока излучения, поглощенного данным телом, к величине падающего монохроматического потока:

Монохроматический коэффициент поглощения - величина безразмерная. Его значения лежат между нулем и единицей: 0 ≤ α ≤ 1.

Функция α = α(λ,Τ), выражающая зависимость монохроматического коэффициента поглощения от длины волны и температуры, называется поглощательной способностью тела. Ее вид может быть весьма сложным. Ниже рассмотрены простейшие типы поглощения.

Абсолютно черное тело - такое тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех длин волн: α = 1. Оно поглощает все падающее на него излучение.

По своим поглощательным свойствам к абсолютно черному телу близки сажи, черный бархат, платиновая чернь. Очень хорошей моделью абсолютно черного тела является замкнутая полость с небольшим отверстием (O). Стенки полости зачернены рис. 26.2.

Луч, попавший в это отверстие, после многократных отражений от стенок поглощается практически полностью. Подобные устройства

Рис. 26.2. Модель абсолютно черного тела

применяют в качестве световых эталонов, используют при измерениях высоких температур и т.п.

Спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела обозначается ε(λ,Τ). Эта функция играет важнейшую роль в теории теплового излучения. Ее вид сначала был установлен экспериментально, а затем получен теоретически (формула Планка).

Абсолютно белое тело - такое тело, коэффициент поглощения которого равен нулю для всех длин волн: α = 0.

Истинно белых тел в природе нет, однако существуют тела, близкие к ним по свойствам в достаточно широком диапазоне температур и длин волн. Например, зеркало в оптической части спектра отражает почти весь падающий свет.

Серое тело - это тело, для которого коэффициент поглощения не зависит от длины волны: α = const < 1.

Некоторые реальные тела обладают этим свойством в определенном интервале длин волн и температур. Например, «серой» (α = 0,9) можно считать кожу человека в инфракрасной области.

26.2. Закон Кирхгофа

Количественная связь между излучением и поглощением установлена Г. Кирхгофом (1859).

Закон Кирхгофа - отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела:

Отметим некоторые следствия этого закона.

1. Если тело при данной температуре не поглощает какое-либо излучение, то оно его и не испускает. Действительно, если для

26.3. Законы излучения черного тела

Законы излучения абсолютно черного тела были установлены в следующей последовательности.

В 1879 г. Й. Стефан экспериментально, а в 1884 г. Л. Больцман теоретически определили энергетическую светимость абсолютно черного тела.

Закон Стефана-Больцмана - энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:

Значения коэффициентов поглощения для некоторых материалов приведены в табл. 26.1.

Таблица 26.1. Коэффициенты поглощения

Немецкий физик В. Вин (1893) установил формулу для длины волны, на которую приходится максимум испускательной способности абсолютно черного тела. Соотношение, которое он получил, было названо его именем.

При повышении температуры максимум испускательной способности смещается влево (рис. 26.3).

Рис. 26.3. Иллюстрация закона смещения Вина

В табл. 26.2 указаны цвета в видимой части спектра, соответствующие излучениям тел при различных температурах.

Таблица 26.2. Цвета нагретых тел

Используя законы Стефана-Больцмана и Вина, можно определить температуры тел посредством измерения излучения этих тел. Например, так определяют температуру поверхности Солнца (~6000 К), температуру в эпицентре взрыва (~10 6 К) и т.д. Общее название этих методов - пирометрия.

В 1900 г. М. Планк получил формулу для расчета испускательной способности абсолютно черного тела теоретически. Для этого ему пришлось отказаться от классических представлений о непрерывности процесса излучения электромагнитных волн. По представлениям Планка, поток излучения состоит из отдельных порций - квантов, энергии которых пропорциональны частотам света:

Из формулы (26.11) можно теоретически получить законы Стефана-Больцмана и Вина.

26.4. Излучение Солнца

В пределах Солнечной системы Солнце - самый мощный источник теплового излучения, обусловливающий жизнь на Земле. Солнечное излучение обладает лечебными свойствами (гелиотерапия), используется как средство закаливания. Оно же может оказывать и негативное воздействие на организм (ожог, тепловой

Спектры солнечного излучения на границе земной атмосферы и у поверхности Земли различны (рис. 26.4).

Рис. 26.4. Спектр солнечного излучения: 1 - на границе атмосферы, 2 - у поверхности Земли

На границе атмосферы спектр Солнца близок к спектру абсолютно черного тела. Максимум испускательной способности приходится на λ 1max = 470 нм (синий цвет).

У поверхности Земли спектр солнечного излучения имеет более сложную форму, что связано с поглощением в атмосфере. В частности, в нем отсутствует высокочастотная часть ультрафиолетового излучения, губительная для живых организмов. Эти лучи практически полностью поглощаются озоновым слоем. Максимум испускательной способности приходится на λ 2max = 555 нм (зелено-желтый), что соответствует наилучшей чувствительности глаз.

Поток теплового излучения Солнца на границе земной атмосферы определяет солнечная постоянная I.

Поток, достигающий земной поверхности, значительно меньше вследствие поглощения в атмосфере. При самых благоприятных условиях (солнце в зените) он не превышает 1120 Вт/м 2 . В Москве в момент летнего солнцестояния (июнь) - 930 Вт/м 2 .

От высоты Солнца над горизонтом самым существенным образом зависит как мощность солнечного излучения у земной поверхности, так и его спектральный состав. На рис. 26.5 приведены сглаженные кривые распределения энергии солнечного света: I - за пределами атмосферы; II - при положении Солнца в зените; III - при высоте 30° над горизонтом; IV - при условиях, близких к восходу и закату (10° над горизонтом).

Рис. 26.5. Распределение энергии в спектре Солнца при различных высотах над горизонтом

Различные составляющие солнечного спектра по-разному проходят через земную атмосферу. На рисунке 26.6 показана прозрачность атмосферы при большой высоте стояния Солнца.

26.5. Физические основы термографии

Тепловое излучение человека составляет существенную долю его тепловых потерь. Излучательные потери человека равны разности испущенного потока и поглощенного потока излучения окружающей среды. Мощность излучательных потерь рассчитывается по формуле

где S - площадь поверхности; δ - приведенный коэффициент поглощения кожи (одежды), рассматриваемой как серое тело; Т 1 - температура поверхности тела (одежды); Т 0 - температура окружающей среды.

Рассмотрим следующий пример.

Рассчитаем мощность излучательных потерь раздетого человека при температуре окружающей среды 18°С (291 К). Примем: площадь поверхности тела S = 1,5 м 2 ; температура кожи Т 1 = 306 К (33°С). Приведенный коэффициент поглощения кожи найдем по табл. 26.1 (δ = 5,1*10 -8 Вт/м 2 К 4). Подставив эти значения в формулу (26.11), получим

Р = 1,5*5,1*10 -8 * (306 4 - 291 4) ≈122 Вт.

Рис. 26.6. Прозрачность земной атмосферы (в процентах) для различных участков спектра при большой высоте стояния Солнца.

Тепловое излучение человека может быть использовано как диагностический параметр.

Термография - диагностический метод, основанный на измерении и регистрации теплового излучения поверхности тела человека или его отдельных участков.

Распределение температуры на небольшом участке поверхности тела можно определить с помощью специальных жидкокристаллических пленок. Такие пленки чувствительны к небольшим изменениям температуры (меняют цвет). Поэтому на пленке возникает цветной тепловой «портрет» участка тела, на который она наложена.

Более совершенный способ состоит в использовании тепловизоров, преобразующих инфракрасное излучение в видимый свет. Излучение тела с помощью специального объектива проецируется на матрицу тепловизора. После преобразования на экране формируется детальный тепловой портрет. Участки с различными температурами отличаются цветом или интенсивностью. Современные методы позволяют фиксировать различие в температурах до 0,2 градуса.

Тепловые портреты используются в функциональной диагностике. Различные патологии внутренних органов могут образовывать на поверхности кожные зоны с измененной температурой. Обнаружение таких зон указывает на наличие патологии. Термографический метод облегчает дифференциальный диагноз между доброкачественными и злокачественными опухолями. Этот метод является объективным средством контроля за эффективностью терапевтических методов лечения. Так, при термографическом обследовании больных псориазом было установлено, что при наличии выраженной инфильтрации и гиперемии в бляшках отмечается повышение температуры. Снижение температуры до уровня окружающих участков в большинстве случаев свидетельствует о регрессии процесса на коже.

Повышенная температура часто является показателем инфекции. Чтобы определить температуру человека, достаточно взглянуть через инфракрасное устройство на его лицо и шею. Для здоровых людей отношение температуры лба к температуре в области сонной артерии лежит в диапазоне от 0,98 до 1,03. Это отношение и можно использовать при экспресс-диагностике во время эпидемий для проведения карантинных мероприятий.

26.6. Светолечение. Лечебное применение ультрафиолета

Инфракрасное излучение, видимый свет и ультрафиолетовое излучение находят широкое применение в медицине. Напомним диапазоны их длин волн:

Светолечением называют применение в лечебных целях инфракрасного и видимого излучений.

Проникая в ткани, инфракрасные лучи (как и видимые) в месте своего поглощения вызывают выделение теплоты. Глубина проникновения инфракрасных и видимых лучей в кожу показана на рис. 26.7.

Рис. 26.7. Глубина проникновения излучения в кожу

В лечебной практике в качестве источников инфракрасного излучения используются специальные облучатели (рис. 26.8).

Лампа Минина представляет собой лампу накаливания с рефлектором, локализующим излучение в необходимом направлении. Источником излучения служит лампа накаливания мощностью 20-60 Вт из бесцветного или синего стекла.

Светотепловая ванна представляет собой полуцилиндрический каркас, состоящий из двух половин, соединенных подвижно между собой. На внутренней поверхности каркаса, обращенной к пациенту, укреплены лампы накаливания мощностью 40 Вт. В таких ваннах на биологический объект действуют инфракрасное и видимое излучения, а также нагретый воздух, температура которого может достигать 70°С.

Лампа Соллюкс представляет собой мощную лампу накаливания, помещенную в специальный рефлектор на штативе. Источником излучения служит лампа накаливания мощностью 500 Вт (температура вольфрамовой нити 2 800°С, максимум излучения приходится на длину волны 2 мкм).

Рис. 26.8. Облучатели: лампа Минина (а), светотепловая ванна (б), лампа Соллюкс (в)

Лечебное применение ультрафиолета

Ультрафиолетовое излучение, применяемое в медицинских целях, подразделяют на три диапазона:

При поглощении ультрафиолетового излучения в тканях (в коже) происходят различные фотохимические и фотобиологические реакции.

В качестве источников излучения используют лампы высокого давления (дуговые, ртутные, трубчатые), люминесцентные лампы, газоразрядные лампы низкого давления, одной из разновидностей которых являются бактерицидные лампы.

А-излучение оказывает эритемное и загарное действие. Оно используется при лечении многих дерматологических заболеваний. Некоторые химические соединения фурокумаринового ряда (например, псорален) способны сенсибилизировать кожу этих больных к длинноволновому ультрафиолетовому излучению и стимулировать образование в меланоцитах пигмента меланина. Совместное применение данных препаратов с А-излучением является основой метода лечения, называемого фотохимиотерапией или ПУВА-терапией (PUVA: Р - псорален; UVA - ультрафиолетовое излучение зоны А). Облучению подвергают часть или все тело.

В-излучение оказывает ватиминообразующее, антирахитное действие.

С-излучение оказывает бактерицидное действие. При облучении происходит разрушение структуры микроорганизмов и грибов. С-излучение создается специальными бактерицидными лампами (рис. 26.9).

Некоторые лечебные методики используют С-излучение для облучения крови.

Ультрафиолетовое голодание. Ультрафиолетовое излучение необходимо для нормального развития и функционирования организма. Его недостаток приводит к возникновению ряда серьезных заболеваний. С ультрафиолетовым голоданием сталкиваются жители крайнего

Рис. 26.9. Бактерицидный облучатель (а), облучатель для носоглотки (б)

Севера, рабочие горнорудной промышленности, метрополитена, жители крупных городов. В городах недостаток ультрафиолета связан с загрязнением атмосферного воздуха пылью, дымом, газами, задерживающими УФ-часть солнечного спектра. Окна помещений не пропускают УФ-лучи с длиной волны λ < 310 нм. Значительно снижают УФ-поток загрязненные стекла и занавеси (тюлевые занавески снижают УФ-излучение на 20 %). Поэтому на многих производствах и в быту наблюдается так называемая «биологическая полутьма». В первую очередь страдают дети (возрастает вероятность заболевания рахитом).

Вредность ультрафиолетового облучения

Воздействие избыточных доз ультрафиолетового облучения на организм в целом и на отдельные его органы приводит к возникновению ряда патологий. В первую очередь это относится к последствиям бесконтрольного загорания: ожоги, пигментные пятна, повреждение глаз - развитие фотоофтальмии. Действие ультрафиолета на глаз подобно эритеме, так как оно связано с разложением протеинов в клетках роговой и слизистой оболочек глаза. Живые клетки кожи человека защищены от деструктивного действия УФ лучей «мертвы-

ми» клетками рогового слоя кожи. Глаза лишены этой защиты, поэтому при значительной дозе облучения глаз после скрытого периода развивается воспаление роговой (кератит) и слизистой (конъюнктивит) оболочек глаза. Этот эффект обусловлен лучами с длиной волны меньше 310 нм. Необходимо защищать глаз от таких лучей. Особо следует рассмотривать бластомогенное действие УФ-радиации, приводящее к развитию рака кожи.

26.7. Основные понятия и формулы

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

26.8. Задачи

2. Определить, во сколько раз отличаются энергетические светимости участков поверхности тела человека, имеющих температуры 34 и 33°С соответственно?

3. При диагностике методом термографии опухоли молочной железы пациентке дают выпить раствор глюкозы. Через некоторое время регистрируют тепловое излучение поверхности тела. Клетки опухолевой ткани интенсивно поглощают глюкозу, в результате чего их теплопродукция возрастает. На сколько градусов при этом меняется температура участка кожи над опухолью, если излучение с поверхности возрастает на 1% (в 1,01 раза)? Начальная температура участка тела равна 37°С.

6. Насколько увеличилась температура тела человека, если поток излучения с поверхности тела возрос на 4%? Начальная температура тела равна 35°С.

7. В комнате стоят два одинаковых чайника, содержащие равные массы воды при 90°С. Один из них никелированный, а другой темный. Какой из чайников быстрее остынет? Почему?

Решение

По закону Кирхгофа отношение испускательной и поглощательной способностей одинаково у всех тел. Никелированный чайник отражает почти весь свет. Следовательно, его поглощательная способность мала. Соответственно мала и испускательная способность.

Ответ: быстрее остынет темный чайник.

8. Для уничтожения жучков-вредителей зерно подвергают действию инфракрасного облучения. Почему жучки погибают, а зерно нет?

Ответ: жучки имеют черный цвет, поэтому интенсивно поглощают инфракрасное излучение и гибнут.

9. Нагревая кусок стали, мы при температуре 800°С будем наблюдать яркое вишнево-красное каление, но прозрачный стерженек плавленого кварца при той же температуре совсем не светится. Почему?

Решение

См. задачу 7. Прозрачное тело поглощает малую часть света. Поэтому и его испускательная способность мала.

Ответ: прозрачное тело практически не излучает, даже будучи сильно нагретым.

10. Почему в холодную погоду многие животные спят, свернувшись в клубок?

Ответ: при этом уменьшается открытая поверхность тела и соответственно уменьшаются потери на излучение.

Работа на промышленных предприятиях зачастую подразумевает выполнение трудовых функций в условиях воздействия различных факторов, представляющих потенциальную опасность для здоровья сотрудников и их трудоспособности. Одним из таких факторов является наличие теплового облучения на рабочем месте. В случае, если такое облучение имеет место, работодатель обязан принимать меры по нормированию его интенсивности, а также применять ряд защитных мер, чтобы снизить негативное воздействие на своих сотрудников.

Допустимые параметры теплового облучения

Разрешенная интенсивность теплового облучения в связи с характером производственного процесса установлена СанПиН 2.2.4.3359-16 «Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах» . В частности, этот документ устанавливает, что указанная интенсивность нормируется не только по абсолютным значениям, но и зависит от того, насколько велика площадь поверхности тела сотрудника, которая подвергается воздействию данного фактора.

При этом работодателю необходимо иметь в виду, что указанные нормативы действительно только для случаев, когда источник тепла, в непосредственной близости от которого работает сотрудник, нагрет до температуры, не превышающей 600 градусов. Если фактический уровень нагрева превышает этот порог, максимальный разрешенный уровень облучения должен составлять не более 140 Вт/кв.м, причем площадь поверхности тела, подвергающаяся облучению, должна составлять не более 25%. В таких условиях работник обязательно должен носить специальную защитную одежду и средства, закрывающие лицо и глаза.

Использование специальной одежды и других средств снижения вредного влияния

Вместе с тем, применение защитных средств и одежды в условиях повышенных температур в производственном помещении также имеет свои особенности. Так, в частности, их использование предполагает снижение нормативов температур, считающихся разрешенными в теплый сезон года, на два градуса. Указанное снижение должно быть применено в случае, если используемая одежда влечет за собой ухудшение характеристик теплообмена тела человека с окружающей средой. Это, в частности, описывается следующими параметрами одежды:

• проницаемость воздуха ниже 50 куб.дм/кв.м;
• проницаемость пара ниже 40 мг/кв.м*ч;
• гигроскопичность ниже 7%.

Помимо предоставления спецодежды и защитных средств, работодатель должен обеспечить сотруднику соблюдение режимов максимальной длительности пребывания на рабочем месте с повышенной температурой и дать ему возможность отдыха в помещении с нормальными микроклиматическими условиями.

Разрешенная температура окружающего воздуха

В случае наличия интенсивного теплового излучения на рабочем месте необходимо предусмотреть нормирование температуры окружающего воздуха. При этом установленные пределы разрешенных температур находятся в тесной связи с тем, к какой категории работ по уровню энергетических затрат принадлежат выполняемые сотрудником трудовые функции. В частности, допустимыми считаются следующие температурные показатели.

Указанные параметры являются допустимыми для того, чтобы в рамках проведения обязательной процедуры специальной оценки условий труда в соответствии с требованиями Федерального закона от 28 декабря 2013 г. N 426-ФЗ «О специальной оценке условий труда» такие условия были признаны допустимыми или оптимальными. В случае, если работодатель в силу объективных причин не в состоянии добиться требуемых показателей по температуре в помещении, такие условия будут признаны вредными или опасными.