Лабораторна робота ко 2 визначення сталої стефана – больцмана

Мета роботи: ознайомитися з явищем теплового випромінювання та його характеристиками; експериментально визначити сталу Стефана-Больцмана.

Основні теоретичні відомості

Теплове випромінювання – це електромагнітне випромінювання, яке випускається атомами і молекулами, що збуджуються при їх взаємодії у процесі теплового руху. Отже теплове випромінювання здійснюється за рахунок внутрішньої енергії тіла і залежить від його температури.

Тіла, нагріті до досить високих температур, набувають здатності світитися. Наприклад, розжарені до білого жару рідкі або тверді тіла випромінюють біле світло, яке має суцільний спектр частот.

Із зниженням температури розжареного тіла зменшується інтенсивність випромінювання, а також змінюється спектральний склад випромінювання – переважають червоні промені. При подальшому охолодженні тіло взагалі припиняє випромінювати видиме світло – воно випромінює в основному лише невидимі оком інфрачервоні промені.

Явище теплового випромінювання широко використовується в науці і техніці для: освітлення (лампи розжарювання), нагрівання приміщень, сушіння (в тому числі харчових продуктів), безконтактного дистанційного вимірювання температури нагрітих тіл (оптичні пірометри) тощо.

Для характеристик теплового випромінювання вводяться поняття повної (інтегральної) Е(Т) та спектральної (диференціальної) випромінювальної здатності тіл ε( ,Т) , або ε( ,Т), а також повної (інтегральної) А(Т) та спектральної (диференціальної) поглинальної здатності тіл а( ,Т) , або а( ,Т). Визначення цих понять були наведені в попередній лабораторній роботі № КО 1.

Крім того, будь-яке випромінювання характеризують об’ємною густиною та спектральною густиною енергії випромінювання. Під об’ємною густиною енергії випромінювання розуміють сумарну енергію (в одиниці об’єму) електромагнітних хвиль усіх можливих частот (0 ≤ ≤ ∞) або довжин хвиль (0 ≤ ≤ ∞).

Під спектральною густиною енергії випромінювання розуміють енергію (в одиниці об’єму) електромагнітних хвиль вузького інтервалу частот від до +d або інтервалу довжин хвиль від до . Для рівноважного випромінювання спектральна густина енергії є функцією частоти і температури W( ,Т) , або функцією довжини хвилі і температури W ( Т).

Об’ємна густина енергії теплового випромінювання є універсальною функцією тільки температури і визначається інтегруванням функції W ( ,Т) ,

або W ( ,Т) в усьому інтервалі частот або довжин хвиль:

. (2.1)

Між спектральною густиною енергії теплового випромінювання і спектральною випромінювальною здатністю абсолютно чорного тіла існує такий зв’язок:

, (2.2)

де с – швидкість світла у вакуумі.

Залежність інтегральної випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла від температури встановлює закон Стефана-Больцмана:

, (2.3)

де σ = 5,67· 10^–8 – стала Стефана–Больцмана.

Ця залежність була одержана експериментально Й. Стефаном у 1879 р., а у 1884 р. теоретично виведена Л. Больцманом за допомогою методів термодинаміки.

У теорії теплового випромінювання поряд з поняттям абсолютно чорного тіла часто користуються ідеалізованою моделлю реальних тіл – сірим тілом. Тіло називають сірим, якщо його поглинальна здатність однакова для всіх частот і залежить тільки від температури, матеріалу і стану поверхні .

Інтегральна випромінювальна здатність сірого тіла може бути представлена у вигляді

. (2.4)