Равновесное тепловое излучение — справочник студента

Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет запасов его внутренней (тепловой) энергии.

Поэтому характеристики теплового излучения (интенсивность, спектральный состав) зависят от температуры излучающего вещества. Все прочие виды электромагнитного излучения существуют за счет других, не тепловых, форм энергии.

Тепловое излучение — единственный вид излучения, которое может находиться в термодинамическом равновесии с веществом и само быть при этом в состоянии термодинамического равновесия.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Ниже будет рассматриваться главным образом термодинамически равновесное тепловое излучение.

Предположим, что нагретое тело помещено в полость, стенки которой поддерживаются при некоторой постоянной температуре  Если в полости нет никакой среды (газа), то обмен энергией между оболочкой и телом происходит только за счет процессов поглощения, испускания и отражения теплового излучения веществом стенки полости.

С течением времени температура тела станет равной температуре оболочки и наступит динамическое равновесие — в единицу времени тело будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать. Очевидно, что при этом и излучение, заполняющее полость, будет находиться в равновесии, как с телом, так и со стенками полости.

Допустим, что равновесие между телом и излучением нарушено и тело излучает энергии больше, чем поглощает. Тогда температура тела и его внутренняя энергия начнут убывать, что приведет к уменьшению излучаемой телом энергии.

Температура тела будет понижаться до тех пор, пока количество излучаемой телом энергии не станет равным количеству поглощаемой энергии. Если равновесие нарушится в другую сторону, то есть тело будет излучать меньше энергии, чем поглощает, то температура тела будет возрастать до тех пор, пока снова не установится равновесие.

Таким образом, нарушение равновесия между телом и тепловым излучением вызывает процессы, направленные в сторону восстановления равновесия.

Равновесное тепловое излучение - Справочник студента 

Рис. 1.1. Нагретое тело в полости с идеально отражающими стенками

Представим теперь то же самое тело, помещенное внутри другой оболочки, отличающейся размерами, формой или материалом, из которого она сделана. Будем поддерживать ту же самую температуру оболочки. В системе пойдут аналогичные процессы установления равновесия, в результате которых тело внутри оболочки нагреется до той же самой температуры Т.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Правомерное поведение - справочник студента

Оценим за полчаса!

Для тела внутри оболочки ничего не изменилось: оно находится при той же самой температуре, что и прежде, и, следовательно, будет излучать ту же самую энергию. Так как тело находится в равновесии с излучением внутри оболочки, мы приходим к выводу, что характеристики этого излучения не зависят от свойств оболочки, но лишь от ее температуры.

Это «стандартное», термодинамически равновесное излучение называется излучением абсолютно черного тела.  О том, откуда такое название и что такое абсолютно черное тело будет сказано ниже.  Равновесное излучение можно охарактеризовать плотностью энергии , зависящей только от температуры.

Плотность энергии — это количество энергии излучения, приходящееся на единицу объема.

Тепловое излучение состоит из электромагнитных волн разных частот. Полная плотность энергии складывается из плотностей энергий этих волн. Для более детальной характеристики излучения вводят дифференциальную величину — спектральную плотность энергии излучения . 

Спектральная плотность энергии излучения — это энергия излучения в единице объема, приходящаяся на единичный интервал частот.

Иными словами, если обозначить через  энергию излучения в единице объема, приходящуюся на волны с частотами от  до , то

Равновесное тепловое излучение - Справочник студента

В системе СИ спектральная плотность энергии измеряется в следующих единицах: Равновесное тепловое излучение - Справочник студента

Равновесное тепловое излучение - Справочник студента

Итак, в полости, существует стандартное излучение с плотностью энергии . Рассмотрим теперь тело, находящееся с ним в равновесии.

Энергетическая светимость R (интегральная плотность потока энергии излучения) — равна энергии, испускаемой в единицу времени единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям.
В системе СИ энергетическая светимость измеряется в : Равновесное тепловое излучение - Справочник студента

Энергетическая светимость зависит от температуры тела. Тепловое излучение состоит из волн различных частот.

Для характеристики теплового излучения важно знать, какая энергия, в каком диапазоне частот излучается телом.

Поэтому вводят дифференциальную характеристику , называемую испускательной способностью тела, являющуюся  спектральной плотностью потока энергии излучения. 

Испускательная способность тела (спектральная плотность потока энергии излучения) — это количество энергии, испускаемой в единицу времени единицей поверхности тела в единичном интервале частот по всем направлениям.

Чтобы получить энергетическую светимость тела, надо проинтегрировать испускательную способность по всем частотам:

В системе СИ испускательная способность тела (спектральная плотность потока энергии излучения) измеряется в Дж/м2: Равновесное тепловое излучение - Справочник студента

Нагретое тело не только испускает энергию, но и поглощает ее. Для описания способности тела поглощать энергию падающего на его поверхность излучения вводится величина, которая так и называется: поглощательная способность.

Поглощательная способность  (спектральный коэффициент поглощения)— равна отношению энергии поглощенной поверхностью тела к энергии, падающей на поверхность тела. Обе энергии (падающая и поглощенная) берутся в расчете на единицу площади, единицу времени и единичный интервал частот.
  • Поглощательная способность равна той доли, которую — в заданном спектральном интервале  — поглощенная энергия излучения  составляет от падающей  энергии излучения. Другими словами:
  • Очевидно, что поглощательная способность тела является безразмерной величиной, не превышающей единицу.
Абсолютно черное тело — это тело, способное поглощать при любой температуре все падающее на него излучение всех частот.
  1. Для абсолютно черного тела
  2. Тел с такими свойствами в природе не бывает, это очередная физическая идеализация.

Рис. 1.2. Спектр излучения абсолютно чёрного тела (чёрная линия) при температуре 5250 °С хорошо моделирует излучение Солнца. Красным цветом показаны результаты измерений на уровне моря, жёлтым — в верхней атмосфере.

Будем поочередно помещать в полость различные тела. Все они находятся в одинаковых условиях, в окружении одного и того же излучения. Обозначим энергию, падающую в единицу времени на единицу поверхности тела в единичном интервале частот. Согласно определению поглощательной способности тело поглощает энергию   В состоянии равновесия эта энергия должна быть равна испущенной телом энергии:

(1.1)

Различные тела в полости имеют разную поглощательную способность, следовательно, у них будет и разная испускательная способность, так что отношение rw /аw не зависит от конкретного тела, помещенного в полость:

(1.2)

С другой стороны, испускательная способность тела не зависит от полости, в которую оно помещено, но лишь от свойств тела. Таким образом, функция есть универсальная функция частоты и температуры, не зависящая ни от свойств полости, ни от характеристик тела в ней. Соотношение (1.2) выражает закон Кирхгофа.

Видео 1.1 Походная фляга или закон Кирхгофа.

Отношение испускательной и поглощательной способности тела не зависит от природы тела. Для всех тел функция  есть универсальная функция частоты и температуры (функция Кирхгофа).
  • Строго говоря, сформулированное выше утверждение справедливо в условиях термодинамического равновесия, наличие которого здесь и ниже всегда предполагается.
  • Для абсолютно черного тела
  • откуда следует физическая интерпретация универсальной функции Кирхгофа : она представляет собой испускательную способность абсолютно черного тела, то есть
  • (Характеристики абсолютно черного тела будем помечать звездочкой, а само тело называть нередко просто «черным», а не абсолютно черным).

Рис. 1.3. Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887)

Установим теперь связь между испускательной способностью черного тела и спектральной плотностью  стандартного излучения в полости (выше мы назвали его излучением черного тела).

Сравнивая размерности этих величин, видим, что отношение  имеет размерность скорости. Единственная величина, имеющая размерность скорости, которая ассо­циируется с электромагнитными волнами в вакууме, — это скорость света .

Поэтому искомое соотношение должно иметь вид

Найдем безразмерный коэффициент пропорциональности  в этой формуле. В качестве модели абсолютно черного тела возьмем замкнутую полость с небольшим отверстием s (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Полocть с небольшим отверстием — реализация черного тела

Видео 1.2. Как белое сделать черным. Natürlich!

Луч света, падающий внутрь этой полости через отверстие s, претерпевает многократное отражение. При каждом отражении стенки полости поглощают часть энергии.

Поэтому интенсивность луча света, выходящего из отверстия, во много раз меньше интенсивности входящего луча. Чем больше отношение площади полости к площади отверстия, тем ближе такое тело к абсолютно черному.

Поэтому отверстие в полости излучает как абстрактное черное тело.

С другой стороны, внутри полости существует равновесное тепловое излучение со спектральной плотностью U. Подсчитаем энергию dW0 , выходящую из отверстия площадью s в телесном угле  в направлении, заданном углом . Во-первых, в данном направлении за время  может выйти только энергия, содержащаяся в наклонном цилиндре с площадью основания s и длиной образующей с (рис. 1.5-1).

Рис. 1.5. Тепловое излучение из отверстия в полости 

  1. Объем такого цилиндра равен
  2. Содержащаяся в нем энергия теплового излучения равна

Но не вся она распространяется под углом . Тепловое излучение распространяется по всем направлениям с равной вероятностью (рис. 1.5-2). Поэтому в телесный угол  попадет только часть энергии (мы обозначим эту долю как ), пропорциональная величине телесного угла

Так как полный телесный угол равен , имеем

(1.3)

Теперь осталось проинтегрировать  по углам  и , чтобы получить полную энергию , выходящую из отверстия полости. Обращаем внимание: излучение падает на отверстие только из левого полупространства, так что полярный угол меняется в пределах от нуля до  (угол  меняется как обычно от 0 до ). Интегрирование по  дает множитель , интегрируя по , окончательно получаем:

(1.4)
  • Разделив  на время  и площадь отверстия s, получим энергетическую светимость черного тела R*, а также искомый коэффициент пропорциональности
  • Итак, энергетическая светимость черного тела связана с плотностью энергии в полости соотношением 
(1.5)

Аналогичное соотношение справедливо для спектральных характеристик излучения черного тела:

(1.6)

Таким образом, универсальная функция   в законе Кирхгофа, представляющая собой испускательную способность черного тела, с точностью до множителя с/4 совпадает также со спектральной плотностью равновесного теплового излучения.

До сих пор мы относили спектральные характеристики теплового излучения к единичному интервалу частоты. Можно определить аналогичные характеристики, отнесенные к единичному интервалу длин волн. Так, черное тело испускает в интервале частот   энергию . Эту же энергию можно записать как . Интервалу частот  соответствует интервал длин волн . Учитывая соотношения

находим

(1.7)

где знак минус указывает на то, что с возрастанием частоты  длина волны  убывает. Поэтому в дальнейшем, в соотношениях связывающих длины интервалов, знак минус будем опускать. Таким образом,

(1.8)

или

(1.9)

Аналогичным образом можно записать выражения для спектральной плотности энергии.

Источник: https://online.mephi.ru/courses/physics/atomic_physics/data/course/1/1.1.html

5.1. Тепловое излучение тел



В декабре 2000 года мировая научная общественность отмечала столетний юбилей возникновения новой науки – квантовой физики и открытия новой фундаментальной физической константы – постоянной Планка. Заслуга в этом принадлежит выдающемуся немецкому физику Максу Планку.

Ему удалось решить проблему спектрального распределения света, излучаемого нагретыми телами, перед которой классическая физика оказалась бессильной. Планк первым высказал гипотезу о квантовании энергии осциллятора (колебательной системы), несовместимую с принципами классической физики.

Именно эта гипотеза, развитая впоследствии трудами многих выдающихся физиков, дала толчок процессу пересмотра и ломки старых понятий, который завершился созданием квантовой физики.

Испускаемый источником свет уносит с собой энергию. Существует много различных механизмов подвода энергии к источнику света. В тех случаях, когда необходимая энергия сообщается нагреванием, т. е.

подводом тепла, излучение называется тепловым или температурным.

Этот вид излучения для физиков конца XIX века представлял особый интерес, так как в отличие от всех других видов люминесценции, тепловое излучение может находиться в состоянии термодинамического равновесия с нагретыми телами.

Изучая закономерности теплового излучения тел, физики надеялись установить взаимосвязь между термодинамикой и оптикой.

Если в замкнутую полость с зеркально отражающими стенками поместить несколько тел, нагретых до различной температуры, то, как показывает опыт, такая система с течением времени приходит в состояние теплового равновесия, при котором все тела приобретают одинаковую температуру.

Тела обмениваются энергией только путем испускания и поглощения лучистой энергии.

В состоянии равновесия процессы испускания и поглощения энергии каждым телом в среднем компенсируют друг друга, и в пространстве между телами плотность энергии излучения достигает определенного значения, зависящего только от установившейся температуры тел.

Это излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с телами, имеющими определенную температуру, называется равновесным или черным излучением. Плотность энергии равновесного излучения и его спектральный состав зависят только от температуры.

Если через малое отверстие заглянуть внутрь полости, в которой установилось термодинамическое равновесие между излучением и нагретыми телами, то глаз не различит очертаний тел и зафиксирует лишь однородное свечение всей полости в целом.

Пусть одно из тел в полости обладает свойством поглощать всю падающую на его поверхность лучистую энергию любого спектрального состава. Такое тело называют абсолютно черным.

При заданной температуре собственное тепловое излучение абсолютно черного тела, находящегося в состоянии теплового равновесия с излучением, должно иметь тот же спектральный состав, что и окружающее это тело равновесное излучение.

В противном случае равновесие между абсолютно черным телом и окружающем его излучением не могло бы установиться. Поэтому задача сводится к изучению спектрального состава излучения абсолютно черного тела. Решить эту задачу классическая физика оказалась не в состоянии.

Для установления равновесия в полости необходимо, чтобы каждое тело испускало ровно столько лучистой энергии, сколько оно поглощает. Это одна из важнейших закономерностей теплового излучения. Отсюда следует, что при заданной температуре абсолютно черное тело испускает с поверхности единичной площади в единицу времени больше лучистой энергии, чем любое другое тело.

Равновесное тепловое излучение - Справочник студента
Рисунок 5.1.1.Модель абсолютно черного тела

Абсолютно черных тел в природе не бывает. Хорошей моделью такого тела является небольшое отверстие в замкнутой полости (рис. 5.1.1). Свет, падающий через отверстие внутрь полости, после многочисленных отражений будет практически полностью поглощен стенками, и снаружи отверстие будет казаться совершенно черным.

Но если полость нагрета до определенной температуры T, и внутри установилось тепловое равновесие, то собственное излучение полости, выходящее через отверстие, будет излучением абсолютно черного тела. Именно таким образом во всех экспериментах по исследованию теплового излучения моделируется абсолютно черное тело.

С увеличением температуры внутри полости будет возрастать энергия выходящего из отверстия излучения и изменяться его спектральный состав.

Распределение энергии по длинам волн в излучении абсолютно черного тела при заданной температуре T характеризуется излучательной способностью r (λ, T), равной мощности излучения с единицы поверхности тела в единичном интервале длин волн.

Читайте также:  Пондеромоторные силы в электрическом поле - справочник студента

Произведение r (λ, T) Δλ равно мощности излучения, испускаемого единичной площадкой поверхности по всем направлениям в интервале Δλ длин волн. Аналогично можно ввести распределение энергии по частотам r (ν, T).

Функцию r (λ, T) (или r (ν, T)) часто называют спектральной светимостью, а полный поток R (T) излучения всех длин волн, равный

Равновесное тепловое излучение - Справочник студента

называют интегральной светимостью тела.

К концу XIX века излучение абсолютно черного тела было хорошо изучено экспериментально.

В 1879 году Йозеф Стефан на основе анализа экспериментальных данных пришел к заключению, что интегральная светимость R (T) абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры T:

Несколько позднее, в 1884 году, Л. Больцман вывел эту зависимость теоретически, исходя из термодинамических соображений. Этот закон получил название закона Стефана–Больцмана. Числовое значение постоянной σ, по современным измерениям, составляет

σ = 5,671·10–8 Вт / (м2 · К4).
Равновесное тепловое излучение - Справочник студента
Рисунок 5.1.2.Спектральное распределение r (λ, T) излучения черного тела при различных температурах

К концу 90-х годов XIX века были выполнены тщательные экспериментальные измерения спектрального распределения излучения абсолютно черного тела, которые показали, что при каждом значении температуры T зависимость r (λ, T) имеет ярко выраженный максимум (рис. 5.1.2). С увеличением температуры максимум смещается в область коротких длин волн, причем произведение температуры T на длину волны λm, соответствующую максимуму, остается постоянным:

Это соотношение ранее было получено Вином из термодинамики. Оно выражает так называемый закон смещения Вина: длина волны λm, на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре T. Значение постоянной Вина

При практически достижимых в лабораторных условиях температурах максимум излучательной способности r (λ, T) лежит в инфракрасной области. Только при T ≥ 5·103 К максимум попадает в видимую область спектра.

Максимум энергии излучения Солнца приходится примерно на 470 нм (зеленая область спектра), что соответствует температуре наружных слоев Солнца около 6200 К (если рассматривать Солнце как абсолютно черное тело).

Успехи термодинамики, позволившие вывести законы Стефана–Больцмана и Вина теоретически, вселяли надежду, что, исходя из термодинамических соображений, удастся получить всю кривую спектрального распределения излучения черного тела r(λ, T). В 1900 году эту проблему пытался решить знаменитый английский физик Д.

 Релей, который в основу своих рассуждений положил теорему классической статистической механики о равномерном распределении энергии по степеням свободы в состоянии термодинамического равновесия. Эта теорема была применена Релеем к равновесному излучению в полости. Несколько позже эту идею подробно развил Джинс.

Таким путем удалось получить зависимость излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны λ и температуры T:

Это соотношение называют формулой Релея–Джинса. Оно согласуется с экспериментальными данными только в области достаточно длинных волн (рис. 5.1.3.).

Кроме того, из нее следует абсурдный вывод о том, что интегральная светимость R (T) черного тела должна обращаться в бесконечность, а, следовательно, равновесие между нагретым телом и излучением в замкнутой полости может установиться только при абсолютном нуле температуры.

Равновесное тепловое излучение - Справочник студента
Рисунок 5.1.3.Сравнение закона распределения энергии по длинам волн r (λ, T) в излучении абсолютно черного тела с формулой Релея–Джинса при T = 1600 К

Таким образом, безупречный с точки зрения классической физики вывод приводит к формуле, которая находится в резком противоречии с опытом. Стало ясно, что решить задачу о спектральном распределении излучения абсолютно черного тела в рамках существующих теорий невозможно. Эта задача была успешно решена М. Планком на основе новой идеи, чуждой классической физике.

Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами.

Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света: где h – так называемая постоянная Планка. h = 6,626·10–34 Дж·с.

Постоянная Планка – это универсальная константа, которая в квантовой физике играет ту же роль, что и скорость света в СТО.

На основе гипотезы о прерывистом характере процессов излучения и поглощения телами электромагнитного излучения Планк получил формулу для спектральной светимости абсолютно черного тела.

Формулу Планка удобно записывать в форме, выражающей распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела по частотам ν, а не по длинам волн λ.

Равновесное тепловое излучение - Справочник студента

Здесь c – скорость света, h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Формула Планка хорошо описывает спектральное распределение излучения черного тела при любых частотах. Она прекрасно согласуется с экспериментальными данными. Из формулы Планка можно вывести законы Стефана–Больцмана и Вина. При hν 

Источник: https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter5/section/paragraph1/theory.html

Равновесное тепловое излучение

Если создать некоторую оболочку, непрозрачную для электромагнитных волн, и будем поддерживать ее при постоянной температуре, то внутри ее установится равновесие. Вся энергия, излучаемая внутренней поверхностью оболочки, будет ею же и поглощаться.

Излучение в адиабатически замкнутой системе (не обменивающейся теплотой с внешней средой) называется равновесным.

Если создать маленькое отверстие в стенке полости состояние равновесия измениться слабо и выходящее из полости излучение будет соответствовать равновесному излучению.

Если в такое отверстие направить луч, то после многократных отражений и поглощения на стенках полости он не сможет выйти обратно наружу. Это значит, что для такого отверстия коэффициент поглощения a(l, T) = 1.

  • Рассмотренная замкнутая полость с небольшим отверстием служит одной из моделей абсолютно черного тела.
  • Абсолютно черным телом называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение независимо от направления падающего излучения, его спектрального состава и поляризации (ничего не отражая и не пропуская).
  • Для абсолютно черного тела, спектральная плотность энергетической светимости является некоторой универсальной функцией длины волны и температуры f(l,T) и не зависит от его природы.

Все тела в природе частично отражают падающее на их поверхность излучение и поэтому не относятся к абсолютно черным телам.

Если коэффициент монохроматического поглощения тела одинаков для всех длин волн и меньше единицы (a(l, T) = aТ = constα2(λ,T2), мы получим заниженное значение температуры объекта, при обратном соотношении — завышенное значение температуры.

  1. 4. Определение постоянной Стефана-Больцмана с помощью оптического пирометра
  2. Для реальных (не черных, в том числе и серых) тел на основании закона Стефана-Больцмана можно определить мощность излучения во всем интервале длин волн W:
  3. W = α(Т) S σТ4 (21)
  4. где S – площадь поверхности нагретого тела;

αТ –коэффициент черноты реального тела. Он равен отношению энергетической светимости данного реального тела к энергетической светимости абсолютно черного тела при той же температуре.

Данный коэффициент представляет интегральный (по всем длинам волн) коэффициент поглощения реального тела. Для серого тела этот коэффициент представляет собой коэффициент монохроматического поглощения αТ, не зависящий от длины волны (введен ранее в 2.2).

В качестве тела-источника теплового излучения можно взять вольфрамовую спираль вакуумной лампы накаливания. Подводимая энергия электрического тока в такой лампе расходуется в основном на тепловое излучение.

Доля рассеиваемой мощности лампы за счет теплопроводности составляет небольшую величину и ею можно пренебречь в общем балансе энергии.

Таким образом, с одной стороны, мы можем определить мощность излучения из закона Джоуля-Ленца, с другой, определить температуру нити лампы с помощью оптического пирометра. При этом температура, определенная с помощью пирометра, будет истинной, поскольку нити лампы пирометра и исследуемой лампы изготовлены из одного материала — вольфрама. Поэтому можно записать:

  • W= Iл Uл = αТ S б Т4 (22)
  • где Iл, Uл — ток и напряжение питания лампы. Зная длину и диаметр нити накала, а также коэффициент черноты αТ вольфрама в видимой области спектра, легко вычислить постоянную Стефана-Больцмана:
  • (23)

Площадь нити исследуемой лампы накаливания S=0.317·10-3м2. Коэффициент αТ = 0.25.



Источник: https://infopedia.su/5×1128.html

Тепловое излучение

Из опыта известно, что раскаленные до высоких температур тела светятся, т. е. испускают электромагнитные волны видимого диапазона. Это излучение было названо тепловым. Тепловое (температурное) излучение — электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии излучающего тела и зависящее только от температуры и оптических свойств тела.

Тепловое излучение свойственно всем телам при температуре выше О К. Оно характеризуется сплошным спектром. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны, при низких — преимущественно длинные (инфракрасные).

Тепловое излучение — равновесно. Если нагретое (излучающее) тело поместить, например, в полость (воздух в ней откачан), ограниченную идеальной отражающей оболочкой (рис. 83), то через некоторое время (в результате непрерывного обмена энергией между телом и излучением, заполняющим полость) наступит равновесие — тело в 1 с будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать.

Рис. 83

Пусть равновесие между телом и излучением нарушено. Например, тело в 1 с больше излучает энергии, чем поглощает.

Температура тела начнет понижаться, а это приведет к тому, что энергия, излучаемая телом, будет ослабляться, пока не установится равновесие между телом и оболочкой.

Равновесному тепловому излучению приписывается температура, равная температуре находящихся с ним в термодинамическом равновесии тел.

Спектральной характеристикой теплового излучения тел является спектральная плотность энергетической светимости (излучательности) тела — физическая величина, определяемая энергией, излучаемой с единицы площади поверхности тела в единицу времени в интервале частот единичной ширины:

где d (C,'™+dv — энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела в интервале частот от v до v + dv. Единица спектральной плотности энергетической светимости (Rу т) в СИ — джоуль па метр в квадрате (Дж/м:).

Формулу (51.1) можно записать в виде Так как с = Xv, то

  • где знак «—» указывает на то, что с возрастанием одной из величин (v или X) другая величина убывает. Поэтому в дальнейшем знак «-» будем опус-
  • у2
  • кагь. Таким образом, r = — Rx Т, откуда

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спектральной поглощательной способностью

показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от v до v + dv, поглощается телом. Спектральная поглощательная способность — величина безразмерная.

Рис. 84

Тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него излучение любой частоты, называют черным. Тело, поглощательная способность которого меньше единицы, но одинакова для всех частот и зависит только от температуры, называют серым. Спектральные поглощательные способности соответственно черного и серого тел:

Моделью черного тела может служить замкнутая полость с небольшим отверстием, внутренняя поверхность которой зачернена (рис. 84).

Луч света, попавший внутрь такой полости, испытывает многократные отражения от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения оказывается практически равной нулю.

При размере отверстия, меньшем 0,1 диаметра полости, падающее излучение всех частот «полностью поглощается». Вследствие этого открытые окна домов со стороны улицы кажутся черными, хотя внутри комнат достаточно светло из-за отражения света от стен.

Источник: https://bstudy.net/735173/spravochnik/teplovoe_izluchenie

Тепловое излучение

     Содержание:

1. Тепловое излучение…………………………………………………………………………..2

2.АБСОЛЮТНО ЧЕРНОЕ 
ТЕЛО…………………………………………………………………3

3.Закон излучения 
Кирхгофа…………………………………………………………………4

4.Закон Стефана — Больцмана……………………………………………………………..6

5.Законы Вина………………………………………………………………………………………..7

6.Закон Рэлея-Джинса……………………………………………………………………………9

7.Формула Планка…………………………………………………………………………………11

8. Понятие об оптической 
пирометрии………………………………………………..12

9.Тепловые источники 
света…………………………………………………………………14

10.»Ультpафиолетовая 
катaстpофа». Гипотеза Планка………………………..17

11. ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………………………………….19 
 

     
1. Тепловое излучение

     Нагретые 
тела излучают электромагнитные волны. Это излучение осуществляется за счет преобразования энергии теплового движения частиц тела в энергию излучения.

     Электромагнитное 
излучение тела, находящегося в состоянии 
термодинамического равновесия, называют тепловым (температурным) излучением. Иногда под тепловым излучением понимают не только равновесное, но также и неравновесное излучение тел, обусловленное их нагреванием.

  •      Такое равновесное излучение осуществляется, например, если излучающее тело находится внутри замкнутой полости с непрозрачными стенками, температура которых равна температуре тела.
  •      В теплоизолированной системе тел, находящихся при одной и той же температуре, теплообмен между телами путем испускания и поглощения теплового излучения не может привести к нарушению термодинамического равновесия системы, так как это противоречило бы, второму началу термодинамики.
  •      Поэтому для теплового излучения тел должно выполняться правило Прево: если два тела при одной и той же температуре поглощают разные количества энергии, то и их тепловое излучение при этой температуре должно быть различным.
  •      Лучеиспускательной (излучательной) способностью или спектральной плотностью энергетической светимости тела называют величину Еn,т, численно равную поверхностной плотности мощности теплового излучения тела и интервале частот единичной ширины:
  •      
    где dW — энергии теплового излучения с единицы площади поверхности тела за единицу времени в интервале частот от v до v + dr.

     Лучеиспускательная 
способность Еn,т, является спектральной характеристикой теплового излучения тела. Она зависит от частоты v, абсолютной температуры Т тела, а также от его материала, формы и состояния поверхности. В системе СИ Еn,т, измеряется в дж/м2.

     
Поглощательной 
способностью или монохроматическим 
коэффициентом поглощения тела называют величину Аn,т, показывающую, какая доля энергии dWпад, доставляемой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от v до v+dv, поглощается телом:

     Аn,т — величина безразмерная. Она зависит, помимо частоты излучения и температуры тела, от его материала, формы и состояния поверхности. 

2.АБСОЛЮТНО ЧЕРНОЕ ТЕЛО

АБСОЛЮТНО ЧЕРНОЕ ТЕЛО — понятие теории теплового излучения, означающее тело, которое полностью поглощает любое падающее на его поверхность электро-магнитное излучение, независимо от температуры этого тела.

Таким образом, для абсолютно черного тела поглощательная способность (отношение поглощённой энергии к энергии падающегоизлучения) равна 1 при излучениях всех частот, направлений распространения и поляризаций.

Плотность энергии 
и спектральный состав излучения, испускаемого единицей поверхности абсолютно 
черного тела, зависят только от его температуры, но не от природы излучающего вещества.

Излучение абсолютно черного тела может находиться в равновесии с веществом (при равенстве потоков излучения, испускаемого и поглощаемого абсолютно черным телом, имеющим определенную.

температуру), по своим характеристикам такое излучение представляет равновесное излучение и подчиняется закону излучения Планка, определяющему испускательную способность и энергетическую яркость абсолютно черного тела (пропорциональные плотности энергии равновесного излучения).

Понятие абсолютно черного тела введено в 1859 Г. Р. Кирхгофом (G. R. Kirchhoff), установившим связь между испускательной и поглощательной способностями тела, находящегося в равновесии с излучением при определенной температуре (см. закон излучения Кирхгофа).

Абсолютно черного тела в природе не существует, однако хорошим приближением к нему является устройство, состоящее из замкнутой полости, внутри поверхность которой нагрета до температуры Т, с отверстием, малым по сравнению с размерами полости.

Внутри полости устанавливается практически полное равновесие излучения с веществом, и плотность энергии выходящего из отверстия излучения очень мало отличается от равновесной.

Подобные устройства, с высокой точностью моделирующие абсолютно черное тело, применяют в качестве световых эталонов, используют при измерениях высоких температур . 

  1. 3.Закон излучения Кирхгофа
  2. Закон излучения 
    Кирхгофа — физический закон, установленный немецким физиком Кирхгофом в 1859 году.
  3. В современной формулировке закон звучит следующим образом:
  4. Отношение излучательной 
    способности любого тела к его 
    поглощательной способности одинаково 
    для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы, химического состава и проч.

Известно, что при 
падении электромагнитного излучения 
на некоторое тело часть его отражается, часть поглощается и часть 
может пропускаться. Доля поглощаемого излучения на данной частоте называется поглощательной способностью тела . С другой стороны, каждое нагретое тело излучает энергию по некоторому закону , именуемым излучательной способностью тела.

Величины 
и могут сильно меняться при переходе от одного тела к другому, однако согласно закону излучения Кирхгофа отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела и является универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры:

По определению, абсолютно чёрное тело поглощает всё падающее на него излучение, то есть для него . Поэтому функция совпадает с излучательной способностью абсолютно чёрного тела, описываемой законом Стефана — Больцмана, вследствие чего излучательная способность любого тела может быть найдена исходя лишь из его поглощательной способности.

Реальные тела имеют 
поглощательную способность меньшую 
единицы, а значит, и меньшую чем 
у абсолютно чёрного тела излучательную 
способность. Тела, поглощательная способность которых не зависит от частоты, называются серыми. Их спектр имеет такой же вид, как и у абсолютно чёрного тела.

В общем же случае поглощательная способность тел зависит от частоты и температуры, и их спектр может существенно отличаться от спектра абсолютно чёрного тела.

Изучение излучательной способности разных поверхностей впервые было проведено шотландским ученым Лесли при помощи его же изобретения — куба Лесли.

Применения закона Кирхгофа

В астрофизике

В астрофизике закон 
Кирхгофа часто применяется в 
следующем виде:

где jν — коэффициент излучения (энергия, излучаемая единичным объёмом в единичном интервале частот в единичный телесный угол за единицу времени); αν — коэффициент поглощения с учётом вынужденного испускания (αν = χνρ = 1 / lν, где ρ — плотность вещества, а χν и lν — соответственно непрозрачность и эффективная длина пробега фотонов для частоты ν); Bν(T) — интенсивность излучения абсолютно чёрного тела.

Читайте также:  Темперамент. 4 типа темперамента - справочник студента

Закон Кирхгофа справедлив только для случаев теплового равновесия. Однако, его часто применяют и для неравновесных систем, когда излучение не находится в равновесии с веществом и его распределение по частотам существенно отличается от планковского.

При этом часто (но не всегда) предположение о термодинамическом равновесии между частицами излучающего вещества оказывается хорошим приближением.

Степень отклонения от закона Кирхгофа может служить мерой отличия излучения космических объектов от теплового.

4.Закон Стефана — Больцмана

  • Общая энергия теплового 
    излучения определяется законом 
    Стефана — Больцмана, который гласит:
  • Мощность излучения абсолютно чёрного тела (интегральная мощность по всему спектру), приходящаяся на единицу площади поверхности, прямо пропорциональна четвёртой степени температуры тела:
  • где j — мощность на единицу площади излучающей поверхности, а
     Вт/(м²·К4) — постоянная Стефана — Больцмана.

Таким образом, абсолютно 
чёрное тело при T = 100 K излучает 5,67 ватт с квадратного метра своей поверхности. При температуре 1000 К мощность излучения увеличивается до 56,7 киловатт с квадратного метра.

Для нечёрных тел 
можно приближённо записать:

где ε — степень черноты (для всех веществ ε < 1, для абсолютно черного тела ε = 1).

Константу Стефана 
— Больцмана σ можно теоретически вычислить только из квантовых соображений, воспользовавшись формулой Планка. В то же время общий вид формулы может быть получен из классических соображений (что не снимает проблемы ультрафиолетовой катастрофы). 

5.Законы 
Вина

Первый закон излучения Вина

В 1893 году Вильгельм Вин, воспользовавшись, помимо классической термодинамики, электромагнитной теорией света, вывел следующую формулу:

где:

  • uν — плотность энергии излучения
  • ν — частота излучения
  • T — температура излучающего тела
  • f — функция, зависящая только от частоты и температуры. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений.

Первая формула 
Вина справедлива для всех частот. Любая более конкретная формула (например, закон Планка) должна удовлетворять первой формуле Вина.

Из первой формулы 
Вина можно вывести закон смещения Вина (закон максимума) и закон Стефана-Больцмана, но нельзя найти значения постоянных, входящих в эти законы.

Исторически именно первый закон Вина назывался законом 
смещения, но в настоящее время 
термином «закон смещения Вина» называют закон максимума.

 Второй закон излучения Вина

В 1896 году Вин на основе дополнительных предположений вывел 
второй закон:

  • где uν — плотность энергии излучения
  • ν — частота излучения
  • T — температура излучающего тела
  • C1,C2 — константы.

Опыт показывает, что вторая формула Вина справедлива 
лишь в пределе высоких частот (малых длин волн). Она является частным 
конкретным случаем первого закона Вина.

Позже Макс Планк показал, что второй закон Вина следует из закона Планка для больших энергий квантов, а также нашёл постоянные C1 и C2. С учётом этого, второй закон Вина можно записать в виде:

  • где uν — плотность энергии излучения
  • ν — частота излучения
  • T — температура излучающего тела
  • h — постоянная Планка
  • k — постоянная Больцмана
  • c — скорость света в вакууме

Источник: https://student.zoomru.ru/fiz/teplovoe-izluchenie/40591.307117.s1.html

Лабораторная работа 18 ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ТЕЛ — PDF Скачать Бесплатно

1 Лабораторная работа 18 ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ТЕЛ Введение Основные характеристики излучающих тел Тела, нагретые до достаточно высокой температуры, приобретают способность светиться.

Тепловое излучение имеет место при любой температуре, однако при невысоких температурах излучаются лишь невидимые глазом инфракрасные лучи.

Электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии излучающего тела и зависящее только от температуры и оптических свойств этого тела, называется тепловым (или температурным) излучением.

Опыт показывает, что тепловое излучение — единственный вид излучения, которое может находиться в равновесии с окружающими телами. Все остальные виды излучения (люминесценция), оказываются неравновесными. Это свойство теплового излучения обусловлено тем, что его интенсивность возрастает с увеличением температуры.

А также если энергия, расходуемая телом на тепловое излучение, не восполняется за счет соответствующего количества теплоты, подведенного к телу, то его температура постепенно понижается, а тепловое излучение уменьшается.

Для характеристики излучения используется величина потока энергии, испускаемого за единицу времени с единицы поверхности тела по всем направлениям (в пределах телесного угла 2π ), который называют энергетической светимостью тела R Э. Обозначим поток энергии, испускаемого единицей поверхности тела в интервале частот от ν до ν + dν через dr ν. dr = d. (1) ν rν, T ν Величина r ν,t называется испускательной способностью тела. Испускательная способность зависит от частоты и температуры тела. Соответственно, энергетическая светимость является функцией температуры.

2 Зная испускательную способность, можно вычислить энергетическую светимость: Индекс при r ν,t R r ν ν = (2) э, T d 0 показывает, что эта величина является функцией частоты и температуры. Энергетическая светимость численно равна мощности излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот от 0 до.

Излучение можно характеризовать вместо частоты ν длиной волны λ. Эти с величины связаны простым соотношением ν =. λ Дифференцирование дает Таким образом, dν c =. 2 dλ λ r λ c = r 2 ν. (3) λ По аналогии с (1) доля энергетической светимости, приходящаяся на интервал dλ, может быть представлена в виде: drλ = rλ, Tdλ. С помощью (3) можно перейти от r λ к r ν и наоборот.

Нагретые тела не только испускают, но и поглощают электромагнитные волны. В качестве спектральной характеристики поглощения принимают обычно поглощательную способность (монохроматический коэффициент поглощения).

Поглощательной способностью тела a ν,t называют отношение количества поглощенной поверхностью тела энергии dw погл в интервале частот от ν до ν + dν к общему количеству dw пад падающего излучения в этом же интервале частот:

3 dwпогл aν, T =. (4) dw Поглощательная способность a ν,t величина безразмерная. Она зависит не только от частоты излучения и температуры тела, но и от природы тела, его формы и состояния поверхности. По определению a ν,t не может быть больше единицы. Для тела, полностью поглощающего упавшее на него излучение всех пад частот,, 1. Такое тело называют черным.

a ν T Тело, способное поглощать всю энергию падающих на него электромагнитных волн независимо от их частоты, поляризации и направления распространения и при любой температуре, называется черным (абсолютно черным) телом. Абсолютно черных тел, как и других идеализированных объектов, в природе не существует. Некоторые реальные тела (например, сажа, платиновая Рис. 1.

Модель абсолютно черного тела чернь, черный бархат и др.) имеют поглощательную способность, близкую к единице, но только в ограниченном интервале частот. Однако искусственно можно создать устройства, излучение которых практически не отличается от излучения абсолютно черного тела.

Наиболее совершенной моделью абсолютно черной поверхности может служить небольшое отверстие в непрозрачной стенке замкнутой полости (см.

4 рис.1). Электромагнитное излучение, проникшее извне в полость, прежде чем выйти обратно через отверстие, испытывает многократные отражения. При каждом отражении часть энергии поглощается, в результате чего практически все излучение любой частоты поглощается такой полостью.

В теории теплового излучения часто используют еще одну тепловую абстракцию: серое тело. Тело называют «серым», если его поглощательная способность меньше единицы, но не зависит от частоты излучения, т.е. aν a = const T.

я c учетом (8) получим поглощательную способность исследуемого тела

8 a 0 ν, T 0 ( ν, Tя ) ( ν, T) r =. r Учитывая что r λ c = r 2 ν, запишем формулу Планка в виде λ 0 λ, T 5 r 2 2π c h 1 = λ hc exp 1 ktλ тогда a hc 0 exp 1 r ( λ, Tя ) kλtя = = r ( λ, T) hc exp 1 kλt λ, T 0 Значение a λ,t для разных тел можно найти в справочниках или определить экспериментально.

Из уравнения (9) можно найти для данной длины волны абсолютную температуру исследуемого тела. (9) Описание лабораторной установки и методики измерений Принципиальная электрическая схема лабораторной установки для определения постоянной Стефана-Больцмана показана на рис.2. Рис. 2.

Электрическая схема установки.

9 В качестве теплового излучателя используется серое тело никелевая пластинка, нагреваемая электрическим током. Излучатель N включается во вторичную обмотку понижающего трансформатора Тр.

На первичную обмотку трансформатора подается переменное напряжение от лабораторного автотрансформатора ЛАТРа, который включается непосредственно в сеть 220 В. Изменяя ЛАТРом ток в цепи исследуемого тела, получают различную степень его нагретости.

Мощность электрического тока, которая расходуется на поддержание излучателя в накаленном состоянии, измеряется с помощью ваттметра W. Зная эту мощность Р, можно было бы рассчитать энергетическую светимость накаленного тела: R T P =, S где S площадь поверхности.

Но не вся электрическая мощность Р, измеряемая с помощью ваттметра, идет на излучение. Часть ее отводится в виде тепла вследствие теплопроводности токопроводящих проводов и среды, окружающей накаленное тело.

Мощность P 1, которая непосредственно расходуется на излучение накаленного тела, можно вычислить, умножив Р на коэффициент K1( K 1< 1), учитывающий потери на теплопроводность: P = K P. 1 1 P1 Следовательно: RT =. S Согласно закону Стефана-Больцмана мощность, идущая на излучение абсолютно черным телом с поверхности площадью S, равна 0 4 T σ SR = S T. С учетом того, что исследуемое тело не является абсолютно черным, оно ежесекундно теряет мощность

10 получим ( ) * 4 4 P = Kσ S T T 0, где K степень черноты исследуемого тела. Приравнивая эту мощность мощности, излучаемой никелевой лентой, 4 4 ( ) K P= Kσ S T T. (10) 1 0 Для исследуемого серого тела степень черноты К численно равна коэффициенту тепловых потерь K 1.

Тогда постоянную в законе Стефана- Больцмана можно определить так: σ = P 4 4 ( T 0 ) S T. Описание оптического пирометра Для измерения температуры накаленного тела в данной лабораторной работе используется оптический пирометр ЭОП-66.

Работа пирометра основана на измерении квазимонохроматической яркости излучения нагретого объекта путем уравнивания её с яркостью эталона. В качестве эталона яркости в пирометре используется специальная пирометрическая лампа, для которой дана зависимость температуры нити от тока, протекающего по ней.

Изображение источника излучения, температуру которого необходимо измерить, с помощью объектива проецируется в плоскости нити пирометрической лампы. Наблюдатель, смотрящий в окулярный микроскоп, видит нить пирометрической лампы на фоне изображения источника излучения.

Изменяя силу тока в пирометрической лампе, уравнивают яркость нити лампы с яркостью измеряемого объекта. Температура объекта определяется по градуеровке величины тока, протекающего по нити пирометрической лампы в момент уравнивания яркостей нити и изображения объекта. В оптическую схему пирометра (рис. 3) входит двухлинзовый объектив 1, микроскоп 2,

11 являющийся окуляром пирометра, и пирометрическая лампа 3. Поглощающее стекло 4 установлено на пути светового потока и предназначено для расширения диапазона измеряемых температур. Красные светофильтры 5 служат для монохроматизации светового потока. Рис. 3. Схема оптического пирометра. Рис. 4. Общий вид пирометра ЭОП-66

12 Пирометр ЭОП-66 представляет собой телескоп (рис. 4), состоящий из линзового объектива 1 и окулярного микроскопа 2, оправы которых закреплены в кронштейне. К кронштейну крепится блок ламп 3, в котором помещены три патрона с лампами 4. Телескоп пирометра установлен на массивном основании 5.

С помощью барабана 6, при затянутом стопоре 7, телескоп пирометра плавно поворачивается на угол до 25 в горизонтальной плоскости, а ручкой 8 фиксируется в выбранном положении. При необходимости быстрого поворота в горизонтальной плоскости следует ослабить стопор 7 и ручку фиксатора 8, после чего вручную повернуть кронштейн.

Основание пирометра 5 имеет винтовые опоры 9, позволяющие наклонять оптическую ось прибора в пределах ± 3. Для получения четкого изображения объектов, расположенных на различных расстояниях от прибора, объектив пирометра с помощью ручки 10 перемещается вдоль оптической оси. Перемещение окуляра микроскопа 2 вдоль оптической оси обеспечивает необходимую диоптрийную наводку.

Поворотом ручки 11 лампы поочередно вводятся в поле зрения окуляра пирометра. Контактная система обеспечивает подключение напряжения только к лампе, находящейся в поле зрения окуляра пирометра. Поворотный механизм кассеты светофильтров 12 обеспечивает введение соответствующих стекол в поле зрения окуляра пирометра, чем обеспечивается монохроматизация светового потока.

Положение кассеты обозначается индексами (точками) по окружности кассеты. В первом окне кассеты светофильтров ( ) установлено бесцветное стекло, во втором ( ) и третьем ( ) окне красные светофильтры с эффективной длиной волны (0,65±0,01) мкм, в четвертом зеленое стекло.

Определение температуры пирометром сводится к субъективному сравнению яркости излучения исследуемого источника с яркостью эталона нити пирометрической лампы. Если в результате измерений будет достигнуто равенство яркостей, то нить накаливания пирометрической лампы исчезнет (перестанет быть видна) на фоне изображения источника измеряемого излучения.

13 Мощность нагрева нити накаливания пирометрической лампы является показателем оптической (яркостной) температуры измеряемого объекта Ò. Ее ÿ можно определить по градуировочной кривой, либо непосредственно отсчитать по температурной шкале прибора. Общий вид лабораторной установки показан на рис. 5. Рис. 5.

Общий вид лабораторной установки 1 никелевая пластинка; 2 понижающий трансформатор; 3 ваттметр; 4 ЛАТР; 5 источник питания пирометрической лампы; 6 пирометр; 7 переключатель температур Порядок выполнения работы 1. Визуально ознакомиться с установкой.

Обратить внимание на то, чтобы рукоятка ЛАТРа была выведена в крайнее левое положение (против часовой стрелки), а переключатель блока фиксированных температур был установлен в положение «0».

14 2. Ввести в поле зрения окуляра пирометра среднюю (из трех) пирометрическую лампу и, вращая механизм диоптрийной установки, добиться четкого изображения ее нити. Светофильтр в этом случае из поля зрения окуляра лучше вывести (индекс ).

С помощью рукояток горизонтального и вертикального перемещения пирометра направить телескоп прибора на измеряемый объект и перемещая объектив (ручка 10, рис. 4), добиться резкого изображения объекта. Это можно сделать, если расстояние от телескопа до исследуемого тела не менее 0,7 м. Внимание! Телескоп прибора, как правило, уже направлен на измеряемый объект и сфокусирован.

Если это не так, то лучше обратиться к инженеру лаборатории или преподавателю. 4. Ввести в поле зрения красный светофильтр (индекс ). 5. Включить ЛАТР и источник питания пирометрической лампы в сеть 220 В. 6.

Установить переключатель блока фиксированных температур в положение «1» и, наблюдая в окуляр, постепенно изменять с помощью ЛАТРа накал никелевой пластинки, до тех пор, пока средний участок (вершина дуги) нити лампы не исчезнет на фоне изображения раскаленной пластинки. В этот момент отсчитать по ваттметру значение излучаемой мощности.

Этот результат и значение температуры нити пирометрической лампы записать в таблицу. Внимание! Так как никелевая пластинка обладает тепловой инерцией, т.е. не сразу достигается равномерный накал, изменять силу тока накала нужно достаточно медленно, чтобы к моменту измерения успевало возникнуть равновесное состояние теплового режима пластинки. 7.

Изменить температуру нити пирометрической лампы (переключатель блока фиксированных температур установить в положение «2», «3» и т.д.) и произвести сравнение яркостей и измерение мощности излучения исследуемого тела аналогично описанному в п.6. Результаты измерений записать в таблицу. 8. По окончании измерений вывести рукоятку ЛАТРа в крайнее левое (против часовой стрелки) положение, установить переключатель

15 фиксированных температур в положении «0», выключить ЛАТР и источник питания пирометрической лампы. 9. Измерить с точностью до 1 мм ширину излучающей пластинки и ее длину L, т.е. расстояние между зажимами, в которых она укреплена. По этим данным рассчитать площадь излучающей поверхности: S 2aL. Толщина пластинки незначительна, поэтому площадью ее торцов можно пренебречь. 10.

Для каждой из фиксированных температур вычислить постоянную σ в законе Стефана-Больцмана: σ = i P i 4 4 ( T 0 ) S T. Найти среднее значение σ и погрешность измерения Δ σ : n i= 1 σ t pn, Δ = ( σ σ ) i ( 1) nn 2, где t pn, — коэффициент Стьюдента, р = 0,95 надежность измерения, n количество независимых значений. 11.

Окончательный результат измерений представить в виде: с указанием единиц измерения. σ = σ ±Δ σ

16 Таблица для записи результатов экспериментов:, п/п 1 2 t, C Т, К W, Вт Таблица 1 σ, Вт / м 2 град 4 Контрольные вопросы 1. Что называется энергетической светимостью тела, испускательной способностью и поглощательной способностью? Каков физический смысл этих понятий? 2.

Сформулируйте закон Кирхгофа. 3. Дайте определение абсолютно черного тела. Что понимают под термином «серое тело»? 4. Перечислите основные законы излучения абсолютно черного тела. 5. Сформулируйте основные принципы пирометрии. 6.

Как устроен оптический пирометр с исчезающей нитью и каков принцип его действия? 7. Почему яркостная температура тел всегда меньше термодинамической? 8. Почему окна домов в солнечную погоду кажутся темнее стен? Литература 1. С.Э. Фриш, А.В. Тиморева. Курс общей физики // СПб.

: Издательство «Лань», 2006, т.3, Д.В. Сивухин. Общий курс физики // М.: Физматлит, Издательство МФТИ, 2002, т.4,

Источник: https://docplayer.ru/56320993-Laboratornaya-rabota-18-teplovoe-izluchenie-tel.html

Ссылка на основную публикацию