Мордовский государственный университет имени Н.П.Огарева

Институт механики и энергетики

Кафедра теплоэнергетических систем

Методические указания к лабораторным работам по курсу "Теоретические основы теплотехники"

Лабораторная работа №10

“Качественная проверка закона кирхгофа и закона смещения вина”

Составил: доцент Алышев С.В.

Саранск 2005.

Лабораторная работа № 10 качественная проверка закона кирхгофа и закона смещения вина

Цель работы: закрепление теоретических знаний по основным законам, определяющим теплообмен излучением и экспериментальная проверка законов теплового излучения Кирхгофа и закона смещения Вина.

Программа работы

1. Изучить установку для проведения эксперимента, дать ее описание и привести схему.

2. Изучить методику проведения эксперимента и привести его краткое теоретическое обоснование.

3. Проверить экспериментально законы изучения Кирхгофа.

4. Проверить экспериментально закон смещения Вина.

Теоретическая часть

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение тела, которое обусловлено возбуждением атомов или молекул тела вследствие их теплового движения. Интенсивность теплового возбуждения и его спектральный состав зависят от температуры, химической природы и агрегатного состояния нагретого тела.

Все раскаленные твердые и жидкие тела дают сплошной спектр излучения ( в спектре присутствуют волны их длин). Однако доля энергии, приходящая на различные участки спектра, зависит от температуры излучающего тела. При температуре 600-700^о С наибольшая энергия излучения приходится на инфракрасную и красную части спектра ( красное каление). При дальнейшем нагревании доля энергии, приходящая на видимые лучи, возрастает, и свечение тела становится белым (белое каление). Таким образом, в спектре излучения наблюдается неравномерное распределение энергии между различными длинами волн.

Если на тело падает поток лучистой энергии, то часть этого потока поглощается телом. В равновесном состоянии энергии, поглощаемая телом, теряется путем излучения, и потому температура тела не меняется.

Закон Кирхгофа.

Спектральными характеристиками теплового излучения и поглощения являются лучеиспускательная способность тела Е(λ,Т) или Е(λ,Т) и поглощательная способность тела А(λ,Т) или А(λ,Т). Поглощательная способность тела показывает, какая доля энергии излучения dW, падающая за единицу времени на единицу поверхности тела в интервале частот от v до Δv, поглощается телом:

где dW_погл – поглощенная телом энергия.

Е(λ,Т) и А(λ,Т) зависят не только от длины волны излучения и температуры тела, но и от химического состава, формы и состояния поверхности тела.

Для всех тел А(λ,Т) < 1. Однако можно представить себе такое тело, которое поглощает все падающие на него лучи. Для такого тела А(λ Т) = 1 для всех длин волн и температур. Такое тело называется абсолютно черным (а.ч.т.). В природе не существует абсолютно черных тел (как и всего абсолютного) но можно создать модель абсолютно черного тела с А( λ,Т) очень близким к единице.

Модель а.ч.т. – это объект по свойствам приближающийся к а.ч.т. Коэффициент поглощения (α) и излучения (ε) этого объекта должны быть вблизи к единице. Такими объектами могут быть только полости, многократно отражающие и, следовательно, многократно поглощающие упавший в полость световой поток.

Наилучшим материалом для изготовления полости следует считать, очевидно, тот, который диффузно излучает и отражает. Коэффициент поглощения его должен быть как можно выше. На практике таким материалом служит обычно сажа или платиновая чернь.

В качестве а.ч.т. может быть принята круговая цилиндрическая полость с плоским дном и открытая с другого конца. Эта форма полости чаще всего выбирается экспериментаторами, так как ее легко изготовить.

Излучательная способность цилиндрической полости зависит от отношения длины полости L к радиусу полости r и коэффициента излучения материала ε, из которого изготовлена полость, она приведена в таблице.

	6	7	8	9	10	11
0,1	0,894	0,929	0,950	0,964	0,974	0,984
0,2	0,943	0,961	0,972	0,980	0,985	0,990
0,3	0,962	0,974	0,981	0,986	0,989	0,993
0,4	0,973	0,981	0,986	0,990	0,991	0,994
0,5	0,980	0,986	0,990	0,992	0,994	0,996
0,6	0,985	0,990	0,992	0,994	0,995	0,997
0,7	0,990	0,993	0,995	0,996	0,997	0,998
0,8	0,994	0,996	0,997	0,997	0,998	—
0,9	0,997	0,998	0,998	0,999	0,999	—

Для разных тел величины лучеиспускательной и поглощательной способностей при одинаковых условиях резко различается, но отношение

не зависит от материала тела и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела ε(λ,Т), являющейся функцией только температуры и частоты (закон Кирхгофа в дифференциальной форме)

ε(λ,Т) называется функцией Кирхгофа.

Применяя закон Кирхгофа к абсолютно черному телу и обозначая для абсолютного черного тела Е(v, T) и A(v, T) = 1 получим:

,

т.е. ε(v,T) = E – лучеиспускательная способность абсолютно черного тела, представляет собой функцию Кирхгофа.

Качественная проверка закона Кирхгофа заключается в следующем, по закону Кирхгофа:

,

А так как для любых тел А(v,T) < 1, то

Последнее неравенство справедливо для всех длин волн и температур, поэтому

В равновесном состоянии вся электрическая мощность I·U, подводимая к волоску лампы, излучается поэтому

где S – площадь светящейся поверхности волоска лампы,

I, U – сила тока и напряжение на лампе при температуре T, определяемой с помощью оптического пирометра.

Подставляя в неравенство (1) значения Е(Т) из (2) и используя закон Стефана-Больцмана:

где δ – постоянная Стефана-Больцмана , получим:

Выполнение неравенства (3) для исследуемой лампы при разных температурах нити качественно подтверждает закон излучения Кирхгофа.