43

Фізика атома та атомного ядра. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з фізики для студентів денної форми навчання /Укладач: В.Г.Ушаков. — Чернігів: ЧДТУ, 2000. — 44с.

Укладач: В.Г. Ушаков, к.т.н.

Відповідальний за видання: А.І. Сатюков, к.ф.-м.н., доцент, зав. кафедри фізики

Рецензент: Л.Б. Панченко, к.ф.-м.н., доцент кафедри загальної фізики Чернігівського державного педагогічного університету

Лабораторна робота № 31 визначення сталої стефана-больцмана за допомогою пірометра

Прилади та приладдя:

1) пірометр ОППИР-09 (ОППИР-017);

2) лампа розжарення;

3) джерело живлення – випрямляч ВС-24М;

4) амперметр до 5 А та вольтметр до 15 В.

Я к відомо, до основних процесів переносу теплової енергії між тілами відносять теплопровідність, конвекцію та променевий (радіаційний) теплообмін. Суттєва відмінність променевого теплообміну від конвекції та теплопровідності полягає в тому, що він може протікати як при відсутності безпосереднього контакту між тілами, так і при відсутності матеріального середовища між поверхнями тіл, оскільки електромагнітне випромінювання поширюється і у вакуумі. Променевий теплообмін відбувається у природі повсякчасно. Найбільш важливою складовою частиною променевого теплообміну є теплове випромінювання.

Кожне тіло складається із заряджених частинок, тепловий рух яких призводить до випромінювання енергії у вигляді електромагнітних хвиль. Тепловим (температурним) випромінюванням називають електромагнітне випромінювання, що виникає у кожному тілі при будь-якій температурі за рахунок його внутрішньої енергії (на відміну, наприклад, від люмінесценції, яка збуджується зовнішніми джерелами енергії). Теплове випромінювання тіл має суцільний спектр з одиноким широким піком (рисунок 1). Положення максимуму у спектрі випромінювання тіла залежить від температури речовини. З підвищенням температури зростає і загальна енергія теплового випромінювання тіла, а максимум зсувається в область малих довжин хвиль.

Теплове випромінювання – єдиний вид випромінювання, яке може перебувати в стані термодинамічної рівноваги з тілами; при цьому тіла досягають однакової температури. Теорія теплового випромінювання являє собою сполучну ланку між термодинамікою та оптикою. Об’єднання на початку ХХ ст. статистичної термодинаміки та електромагнітної теорії в проблемі теплового випромінювання започаткувало одну з найбільш великих революцій у фізиці.

1Теоретичні відомості

1.1Основні характеристики випромінюючих тіл

В процесі променевого теплообміну на будь-якій частині поверхні тіла відбувається як випромінювання електромагнітних хвиль даним тілом, так і поглинання та відбивання теплового випромінювання від інших тіл. Розподіл енергії (інтенсивності) випромінювання в залежності від довжини хвилі або частоти називають спектральним розподілом, або спектром випромінювання. Спектр теплового випромінювання з відкритої поверхні залежить не тільки від температури тіла, але і від матеріалу та стану його поверхні.

Основною характеристикою здатності тіла випромінювати енергію в тому чи іншому інтервалі довжин хвиль є спектральна випромінювальна здатність Е(λ,Т), під якою розуміють відношення енергії теплового випромінювання dW_випр, яку випромінює при температурі Т в усіх напрямках одинична площадка поверхні тіла за одиницю часу в певному (вузькому) інтервалі довжин хвиль від λ до λ +dλ, до ширини інтервалу dλ:

(1)

Підкреслимо, що Е(λ,Т) характеризує виключно теплове випромінювання тіла. Для даного тіла вид функції Е(λ,Т) залежить тільки від його температури і не залежить від оточуючого середовища, зокрема від того, перебуває тіло в рівновазі з випромінюванням чи ні.

Повну (інтегральну) випромінювальну здатність Е(Т) тіла одержують інтегруванням функції Е(λ,Т) по повному інтервалу довжин хвиль (0 ≤ λ <     ):

(2)

Згідно (2), величина Е(Т) дорівнює повній енергії теплового випромінювання з одиниці площі поверхні тіла за одиницю часу при температурі Т в усьому інтервалі довжин хвиль. На рисунку 1 величині Е(Т) відповідає площа під кривою Е(λ,Т).

Випромінювання, що падає на поверхню тіла, частково відбивається або розсіюється поверхнею, частково поглинається. Поглинання, як правило, має селективний характер (залежить від частоти світла) і змінюється з температурою поверхні. Так, наприклад, тонкий шар сажі практично цілком поглинає видиме світло, але значно менше інфрачервоне випромінювання. Плавлений кварц прозорий в широкому інтервалі довжин хвиль, але починає помітно поглинати світло при температурі близько 1500 °С. Для характеристики поглинальних властивостей тіл використовують спектральну поглинальну здатність А(λ,Т), під якою розуміють відношення енергії випромінювання, що поглинається одиничною площею поверхні тіла за одиницю часу dW_погл до енергії dW_пад, що падає на ту саму площадку за той же час, при умові, що обидві величини розглядаються при даній температурі Т в певному (вузькому) інтервалі довжин хвиль (λ, λ +dλ):

(3)

Згідно (3), для будь-якого тіла А(λ,Т) < 1.

Важливішим поняттям теорії теплового випромінювання є поняття про ідеальне, так зване абсолютно чорне тіло. Під абсолютно чорним тілом (АЧТ) розуміють тіло, яке при всіх температурах цілком поглинає енергію випромінювання, що падає на його поверхню. Тобто, поглинальна здатність АЧТ, відповідно (3), дорівнює одиниці незалежно від λ і Т: , – для АЧТ замість позначень Е(λ,Т) та А(λ,Т) будемо використовувати відповідні грецькі літери: α(λ,Т) та ε(λ,Т).

Абсолютно чорних тіл, як і інших ідеалізованих об’єктів, у природі не існує. Підкреслимо, що ідеалізація АЧТ стосується лише його здатності повністю поглинати електромагнітне випромінювання. В усіх інших відношеннях, зокрема в процесах теплообміну або здатності перебувати в стані термодинамічної рівноваги з тепловим випромінюванням, АЧТ не відрізняється від реальних, нечорних тіл.