Лабораторна робота № 4

1. Тема роботи

Визначення ступеня чорноти тіла відносним методом

2. Навчальна мета роботи

• Поглибити розуміння законів передачі тепла випромінюванням.

• Ознайомитися з теорією і практикою визначення ступеня чорноти

матеріалів відносним методом.

• Розвити навички проведення самостійних досліджень.

• Навчитися практично визначати ступінь чорноти зразка будівельного

матеріалу.

• Поглибити навички аналізу експериментальних результатів.

3. Теоретична частина

Передача тепла випромінюванням є одним з шляхів розповсюдження теплової енергії. Така передача тепла проходить в три етапи:

• випромінювання одним тілом електромагнітних хвиль:

• розповсюдження електромагнітних хвиль в просторі:

• поглинання електромагнітних хвиль другим тілом.

Таким чином, суттєвою ознакою променевого теплообміну є участь в ньому електромагнітних хвиль. Електромагнітні хвилі характеризуються довжиною хвилі  [м]. В залежності від довжини хвилі їх поділяють на групи:

• радіохвилі ( > 200 мкм):

• інфрачервоні хвилі (  = 0.8...200 мкм):

• видиме світло ( = 0.4...0.8 мкм):

• ультрафіолетові хвилі ( = 0.02...0.4 мкм).

Енергія Е [Дж] електромагнітної хвилі зворотно пропорційна довжині цієї хвилі:

(4.1)

де h=6.63_*10^-34 Дж_*с - постійна Планка, C=3_*10⁸ м/с - швидкість світла.

Передача тепла випромінюванням здійснюється інфрачервоними хвилями, які називають ще тепловими. В інтервалі звичайних температур кожне тіло є джерелом випромінювання інфрачервоних хвиль. Це пов'язано з тим, що молекули (атоми) кожної речовини знаходяться в постійному хаотичному тепловому русі -поступальному, коливальному і обертальному. Оскільки молекули (атоми) мають заряджені частини (електрони і ядра), то їх хаотичний рух є фактично хаотичним рухом зарядів. Як відомо, рух зарядів приводить до виникнення електромагнітних хвиль. Це і є причиною випромінювання тіл.

О скільки тепловий рух молекул (атомів) є хаотичним і має три складових - поступальну, коливальну і обертальну, то кожне тіло одночасно випромінює хвилі різних енергій (довжин хвилі). Розподіл енергії випромінювання за довжиною хвилі описують законом Планка:

(4.2)

де I_- інтенсивність випромінювання хвиль з довжиною : Т - абсолютна температура тіла: С₁ і С₂ - сталі. Графічна ілюстрація закону Планка наведена на рисунку 4.1. Рисунок 4.1. Графічна ілюстрація закону Планка.

З закону Планка можна зробити два провідних висновки:

• при збільшенні температури тіла воно випромінює хвилі з меншою довжиною і більшою енергією:

• при збільшенні температури тіла, яке випромінює, загальна енер­гія випромінювання збільшується.

Температурну залежність довжини хвилі _мах [мкм], на яку припадає максимум випромінювання тіла називають законом Віна:

(4.3)

Графічна ілюстрація закону Віна наведена на рисунку 4.2.

Рисунок 4.2. Графічна ілюстрація закону Віна.

З закону Віна можна зробити два провідних висновки:

• при збільшенні температури тіла воно випромінює хвилі з меншою довжиною:

• за умов пожежі тіла випромінюють інфрачервоні хвилі з максимумом випромінювання в діапазоні _мах ⁼ 2…6 мкм.

Щ ільність потоку теплового випромінювання тіла збільшується пропорційно четвертій степені його температури згідно закону Стефана - Больцмана:

(4.4)

де q - щільність потоку теплового випромінювання Вт/м², C_о = 5.67 Вт/(м²К⁴) - стала випромінювання абсолютно чорного тіла: Т - абсолютна температура тіла: - ступінь чорноти тіла.

Графічна ілюстрація закону Стефана - Больцмана наведена на ри­сунку 4.3. З закону Стефана -Больцмана можна зробити такі висновки:

• за умов пожежі променевий теплообмін може бути суттєвим шля­хом розповсюдження теплоти тому, що факел полум'я випромінює тепловий потік значної щільності (200...300 кВт/м²);

• інтенсивність теплового потоку випромінювання залежить від при­роди тіла, а саме ступеня його чорноти.

Рисунок 4.3 Графічна ілюстрація закону Стефана - Больцмана.

Щільність потоку теплового випромінювання тіла залежить від на­прямку випромінювання (рис.4.4). Ця залежність підпорядковується закону Ламберта.

q=qncos (4.5)

де qn - щільність потоку теплового випромінювання в напрямку нормалі до поверхні випромінювання, q - щільність потоку теплового випромінювання під кутом  до нормалі.

Рисунок 4.4. До формулювання закону Ламберта.

Виходячи з законів Стефана - Больцмана і Ламберта можна зробити висновок, що інтенсивність променевого теплообміну між двома тілами залежить від температури тіл, їх ступеня чорноти і взаємного розташу­вання. В загальному випадку при променевому теплообміні між двома ті­лами щільність теплового потоку може бути обчислена за рівнянням:

(4.6)

де q - щільність теплового потоку від гарячого до холодного тіла Вт/м²,

С_o= 5.67 Вт/(м²К⁴) - стала випромінювання абсолютно чорного тіла;

Т₁ і Т₂ - абсолютні температури відповідно гарячого і холодного тіла;

_{n -} приведена ступінь чорноти системи тіл;

- коефіцієнт опромінення (залежить від геометрії і взаємної орієнтації тіл).

Приведену ступінь чорноти системи тіл обчислюють за рівнянням:

(4.7)

де ₁ і ₂ - ступені чорноти, відповідно, гарячого і холодного тіла:

S₁ і S₂ - площі відповідно гарячого і холодного тіла.

Таким чином, ступінь чорноти тіла є важливою характеристикою, яка визначає інтенсивність його променевого теплообміну з іншими тілами, зокрема за умов пожежі. Ступені чорноти деяких речовин і будівельних матеріалів наведені в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1. Ступені чорноти деяких речовин і будівельних матеріалів.

Речовина (матеріал)		Речовина (матеріал)	
Метали поліровані	0.02...0.1	Важкий бетон	0 65
Метали окислені	0.4...0.8	Штукатурка	0.93
Азбест	0.95	Деревина	0.9
Папір	0.8...0.9	Фарби	0.92...0.96
Червона цегла	0.93	Сажа	0.95
Силікатна цегла	0.8...0.9	Тканини	0.5...0.8