Изучение законов теплового излучения

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Методическое указание к лабораторной работе № 6 – О.

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Составители:	А.И.Горковенко
	П.Ю. Третьяков
	И.Г. Фатеев

Т Ю М Е Н Ь 2002 г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6-КО.

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Цель работы:	1. Знакомство с пирометрическим методом измерения высоких температур. 2. Определить постоянную Стефана-Больцмана.
Принадлежности	оптический пирометр ОППИР-017, источник постоянного тока /аккумуляторы/, источник света - лампа, реостат, вольтметр, амперметр.

КРАТКАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для измерения температур раскаленных тел используется так называемые пирометрические методы, основанные на применении законов теплового излучения.

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение, обусловленное тепловым движением атомов и молекул вещества, т.е. за счет его внутренней энергии. Только тепловое излучение может находиться в термодинамическом равновесии с самим излучающим телом.

Электромагнитные излучения, обусловленные химическими, электромагнитными и другими процессами, не являются тепловыми и не могут находиться в термодинамическом равновесии с излучающим телом.

Любой поток световой /электромагнитной/ энергии, падающий на поверхность тела, в общем случае частично отражается от нее, частично проходит через тело, а остальная часть поглощается. Поглощенная энергия преобразуется чаще всего в энергию теплового движения молекул и атомов, поэтому тела, поглощающие лучи, нагреваются. В свою очередь, все тела испускают лучистую энергию в виде электромагнитных волн различной длины. Интенсивность излучения возрастает с повышением температуры. Кроме того, в спектре излучения наблюдается неравномерное распределение энергии по длинам электромагнитных волн.

Доля энергии, приходящаяся на различные участки спектра, за- висит от температуры излучающего тела. Например, при температуре 900-1000К наибольшая энергия излучения приходится на инфракрасные и красные участки спектра. При дальнейшем нагревании увеличивается доля энергии, приходящейся на видимые лучи.

Для характеристики теплового излучения используются следующие физические величины:

1. Поток энергии Ф, т.е. количество энергии, излучаемое в единицу времени / мощность излучения / и измеряемое в ваттах

, .

2. Поток энергии, испускаемой единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям, называют энергетической светимостью тела или интегральной плотностью излучения

, .

3. Спектральная плотность излучения - это поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела в интервале длин волн / лучеиспускательная способность тела /

, .

Зная лучеиспускательную способность тела в каждом спек- тральном участке, можно вычислить интегральную плотность излучения, просуммировав по всем длинам волн:

4. Поглощательная способность тела - это отношение поглощенного потока к падающему , т.е.

Для тела, полностью поглощающего падающее на него излучение всех длин волн при любой температуре, . Такое тело называется абсолютно черным. Тело, для которого поглощательная способность меньше единицы, но одинакова для всех длин волн и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела, называют серым. Следовательно, для серого тела .

Тепловое излучение, как равновесное излучение, должно подчиняться некоторым закономерностям, вытекающим из принципов термодинамики. Рассмотрим эти закономерности, т.е. законы теплового излучения.

ЗАКОН КИРХГОФА.

Отношение лучеиспускательной способности тела и его поглощательной способности не зависит от материала тела и равняется лучеиспускательной способности абсолютно черного тела, являясь универсальной функцией длины волны и температуры.

(1)

Для универсальной функции Кирхгофа, используя статистические методы и представления о квантовом характере теплового излучения, М. Планк вывел формулу, которая известна как формула Планка:

, (2)

где с - скорость света в вакууме, h= Дж×с - постоянная Планка, Дж / К - постоянная Больцмана.

ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ ВИНА.

Длина волны l_max, на которую приходится максимум спектральной испускательной способности абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре.

(3)

где м×К - постоянная Вина.

Из экспериментальных кривых зависимости функции спектральной плотности излучения от длины волны при различных температурах /рис.1/ следует, что распределение энергии в спектре абсолютно черного тела является неравномерным. Все кривые имеют максимум, который с увеличением температуры смещается в сторону более коротких волн.