Контрольні питання

1. Що називають спектральною густиною випромінювальної здатності тіла?

2. Що називають інтегральною густиною випромінювальної здатності тіла?

3. Що називають спектральною густиною поглинальної здатності тіла?

4. Яка формула спектральної густини випромінювальної здатності тіла?

5. Яка формула інтегральної густини випромінювальної здатності тіла?

6. Яка формула спектральної густини поглинальної здатності тіла?

7. Яке тіло називають абсолютно чорним?

8. Яка робоча формула для обчислення сталої Стефана-Больцмана?

9. Яка формула Планка для випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла?

10. Сформулюйте закон Кірхгофа.

Лабораторна робота № 117

Визначення коефіцієнта поглинання твердих тіл

Прилади і матеріали: оптичний пірометр, ватметр, автотрансформатор, лампа розжарювання.

Мета роботи: вивчити закони теплового випромінювання і використати їх для визначення коефіцієнта поглинання твердих тіл.

І. Теоретичні відомості

Найрозповсюдженішим у природі видом електромагнітного випромінювання є теплове випромінювання, або випускання. Воно здійснюється за рахунок енергії теплового руху атомів і молекул, тобто за рахунок внутрішньої енергії речовини і тому призводить до охолодження випромінювального тіла. Теплове випромінювання мають усі тіла при будь-якій температурі, більшій від нуля Кельвіна. Воно має суцільний спектр, однак розподіл енергії в ньому залежить від температури: при низьких температурах – теплове випромінювання є переважно інфрачервоним, при високих – видимим і ультрафіолетовим.

Кожне тіло, випромінюючи, водночас поглинає частину енергії, що випромінюється іншими (оточуючими) тілами. Температура, що відповідає стану теплової (променевої) рівноваги, називається температурою теплової рівноваги.

Енергетична світимість, або повна випускальна здатність R тіла, - відношення енергії, що випромінюється з площі поверхні тіла до тривалості і площі випромінення (Дж/(м²с). Повна поглинальна здатність А тіла – відношення променистої енергії, поглинутої тілом до всієї падаючої на нього променистої енергії. Спектральною випускальною здатністю R тіла називається енергетична світимість, розрахована для вузького інтервалу довжин хвиль (від ( /2) до ( + /2)). Аналогічно вводиться поняття спектральної поглинальної здатності А . Поглинальна здатність всіх реальних тіл менша від одиниці.

Уявне тіло, що поглинає при будь - якій температурі всю падаючу на нього променисту енергію, називається абсолютно чорним тілом. (Приклад – сажа, А=0,95). Для випромінювання абсолютного чорного тіла характерні такі закони:

Закон Кірхгофа.

Для всіх тіл при даній температурі відношення випускальної здатності до поглинальної є постійна величина, рівна випускальній здатності абсолютно чорного тіла при тій же температурі.

Якщо ізольована система складається з багатьох тіл з випускальними здатностями R^/ ,R^// ,R^/// і поглинальними здатностями А^/, А^//, А^///, і одне з них є абсолютно чорним, то

R^/ /А^/ = R^// /А^// = R^////А^/// = Е/1= Е. На рис.1 представлено графік розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла при Т=1259 К.

Площа, обмежена кривою розподілу і віссю абсцис, становить повну випускальну здатність Е абсолютно чорного тіла при температурі 1259 К, тобто відношення енергії, що випускається з площі його поверхні до часу випромінювання і до величини цієї площі:

Е / * = Е = Е.

З графіка випливає, що при даній температурі максимум випромінювання абсолютно чорного тіла буде при _макс. 2,4 мкм (інфрачервоне випромінювання).

Рис.1.

Закон Віна:

Довжина хвилі, що відповідає максимуму випромінювання абсолютно чорного тіла, обернено пропорційна його абсолютній температурі:

_max T= b,

b = 2,8979 *10^-3м - стала Віна.

Закон Стефана – Больцмана.

Повна випускальна здатність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертій степені його термодинамічної температури

Е = Т⁴,

= 5,67 * 10^-8 Вт м^-2К^-4 – стала Стефана – Больцмана.

Для неабсолютно чорного тіла закон Стефана – Больцмана запишемо у вигляді:

Е = а Т⁴,

де а – коефіцієнт поглинання.