1. Теория рассматриваемого вопроса

Лучистая энергия возникает за счёт энергии других видов в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов.

Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела.

Лучистым теплообменом называется теплообмен между телами, который осуществляется путём распространения электромагнитных волн.

Количество лучистой энергии в основном зависит от физических свойств и температуры излучающего тела.

Электромагнитные волны различаются длиной своей волны . Тепловые (инфракрасные) лучи представляют собой электромагнитные колебания с длиной волны = 0,8 – 40 мк (1 мк = 0,001 мм).

Лучеиспускание свойственно всем телам. Каждое из них одновременно и непрерывно излучает и поглощает энергию, если его температура не равна 0 К. Лучеиспускание твёрдых тел происходит с их поверхности, при этом, спектр излучения также непрерывен, т.е. испускаются лучи всех длин волн. Газы имеют селективный (избирательный) спектр и излучают всем своим объёмом.

Тело, способное полностью поглощать все падающие на него тепловые лучи и обладающее максимальной способностью к излучению (оба эти свойства связаны между собой), называется абсолютно чёрным телом.

Энергия излучения абсолютно чёрного тела за единицу времени определяется по закону Стефана – Больцмана согласно зависимости:

E = c F, Вт, (12.1)

где F – поверхность излучения тела, м ;

T – абсолютная температура поверхности излучения тела, К;

c – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела; c = 5,67 Вт/(м К ).

В природе абсолютно чёрных тел не существует. Все реальные тела называют «серыми». При одной и той же температуре серые тела излучают энергию меньшей величины, чем абсолютно чёрное тело. Для серых тел энергия излучения определяется по формуле:

E = c F = c F, Вт, (12.2)

где c – коэффициент излучения серого тела, Вт/(м К );

– степень черноты тела, его относительная излучательная способность:

= (12.3)

Величина энергии лучистого теплообмена между двумя серыми телами, когда одно из них с поверхностью F и степенью черноты находится внутри другого с поверхностью F и степенью черноты , определяется с учётом их взаимного облучения по формуле:

Q = c F , Вт (12.4)

Здесь c – приведённый коэффициент излучения:

c = , Вт/м К ; (12.5)

c , c – коэффициенты излучения первого и второго тела:

c ;

c ;

T , T – абсолютные температуры первого и второго тела.

Если поверхность F много меньше поверхности F , то отношение в формуле (12.5) можно принять равным нулю, а значит:

c = c = c

Следовательно, уравнение теплообмена (12.4) принимает вид:

Q = cF , Вт (12.6)

Отсюда, при известных экспериментальных значениях величин Q, T , T и F коэффициент излучения серого тела может быть вычислен по формуле:

c = , Вт/м К (12.7)

Коэффициент излучения c реальных веществ не является величиной постоянной. В общем случае этот коэффициент зависит не только от физических свойств вещества, но и от его химического состава, состояния поверхности излучения (в том числе и от её шероховатости), а также от температуры тела и длины волны излучения. Поэтому коэффициент излучения c и степень черноты для серых тел определяют экспериментально, а для расчётов выбирают из справочных таблиц.

В данной работе для экспериментального определения коэффициента излучения c исследуемого тела (первого) используется калориметрический метод. В качестве исследуемого тела рассматривается вольфрамовая спираль электрической лампочки накаливания, помещённой в сосуд с трансформаторным маслом. Ёмкость с маслом и колба лампы являются вторым телом в процессе излучения (поглощающей средой).

Поскольку в опытах температура поглощающей среды T много меньше температуры излучателя T , то ею можно пренебречь и в этом случае формула (12.7) принимает вид:

c = , Вт/м К (12.8)

При этих условиях можно не учитывать также и обратное излучение поглощающей среды на спираль. В связи с этим в эксперименте мощность излучения исследуемого тела (спирали) можно принять равной потребляемой мощности электрической лампочки.

Температура спирали в эксперименте определяется косвенным путём по температурному изменению электрического сопротивления спирали (метод термометра сопротивления). Величина удельного электрического сопротивления вольфрамовой нити спирали в зависимости от её температуры ( Т ) приведена на стенде лабораторной работы.

Погрешность такого измерения температуры нити накаливания спирали зависит, главным образом, от класса точности амперметра ( k , % ) и вольтметра ( k , % ). Эти классы точности указаны на шкалах приборов цифрой в кружочке. Величина погрешности измерения температуры зависит также от относительной величины измеряемого тока и напряжения . Здесь I и U – наибольшие измеряемые приборами сила тока ( I = 3 А) и напряжение (U = 30 В ).

Таким образом, учитывая, что в формуле (12.8) температура фигурирует в четвёртой степени, предельную погрешность измерения температуры нити накаливания спирали можно определить с помощью зависимости:

= 4 , % (12.9)

Эта предельная погрешность определяет степень достоверности полученных результатов.