Министерство образования Российской Федерации

Томский политехнический университет

Отделение естественных наук ШБИП

Отчет по лабораторной работе В-О08

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА

Студент гр. ___1Б92_________

Ф.И.О. _____Кшинин И.Б_________

к выполнению лабораторной работы ДОПУЩЕН

22.05.2021____ ________________________

^{дата подпись преподавателя}

Цель работы: исследовать зависимость энергетической светимости печи от температуры, рассмотреть законы излучения абсолютно черного и серого тел.

КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии излучающего тела и зависящее только от температуры и оптических свойств этого тела.

Поток излучения – это энергия, излучаемая телом за единицу времени во всех направлениях, т.е. мощность излучения тела.

Энергетическая светимость – это поток излучения с единицы

площади поверхности тела по всем направлениям в пределах телесного угла 2π во всем диапазоне длин волн (частот).

Испускательная способность (плотность энергетической светимости) равна отношению потока излучения, испускаемого в интервале длин волн от λ до λ+dλ с единицы поверхности тела, к ширине интервала.

Поглощательная способность тела – показывает, какая доля падающего потока

dΦ_пад поглощается телом в интервале длин волн от λ до λ+d λ.

Абсолютно черное тело – это тело, для которого коэффициент поглощения равен единице, при любой температуре полностью поглощает всю энергию падающих на него электромагнитных волн независимо от их длины волны(частоты) и направления падения.

Реальные тела по поглощательной способности делятся на:

серые, поглощательная способность которых коэффициент поглощения меньше единицы.

селективные, поглощательная способность которых зависит и от длины волны(частоты), падающего на тело излучения, и от температуры.

Закон Кирхгофа:f(λ,T)=(r_λ,T)^АЧТ

Закон Стефана –Больцмана:(R_T)^АЧТ=σT⁴

Закон смещения Вина:λ_maxT=b,гдеb=2,9*10^-8м*К

Универсальная функция Кирхгофа: .

СХЕМА УСТАНОВКИ

Установка для изучения законов излучения абсолютно черного тела

1 –объект исследования (печь); 2- устройство измерительное; 3- термостолбик; 4 – отверстие для выхода излучения печи; 5- ручка регулировки скорости нагрева; 6 – выключатель «Сеть»; 7 – выключатель вентилятора; 8 – индикатор температуры печи; 9 – индикатор термоэдс.

Рабочие формулы

, где a - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально.

, где 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡–постоянные величины.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Таблица 1

№ п/п	t, 0C	, мВ		T, K
1	500	4.774	1,56	800	6,685
2	550	6.998	1,94	850	6,745
3	600	9.171	2,22	900	6,802
4	650	11.398	2,43	950	6,856
5	700	13.568	2,61	1000	6,908
6	750	15.787	2,76	1050	6,957
7	800	17.965	2,89	1100	7,003

Измерения провел студент (ка) группы_____________

_______________________________________

^{(Фамилия И.О.)}

Дата__________________

Обработка результатов измерений

График зависимости ln ε от ln T по таблице 1

Тангенс угла был получен исходя из формулы полученной в EXCEL и соответствует

Вывод:

В ходе лабораторной работы была исследована зависимость энергетической светимости печи от температуры и построен график, который имеет зависимость близкую к прямой, рассмотрены законы излучения абсолютно черного и серого тел.

Сняли зависимость энергии излучения от температуры с шагом 50 ^оС от 500 до 800 ^оС. Значения энергии излучения и температуры были записаны в таблицу 1. Установлен показатель степени температурной зависимости для печи равный 4.082 при теоретических расчётах данный коэффициент равен 4, погрешность незначительна.

Предположим, что погрешность вызвана тем, что при резком повышении температуре и невозможности зафиксировать точное значение температуры при шаге +-50 градусов. Также ее можно описать тем что повышение на приборе происходит с высокой скоростью и ухватить точное значение маловероятно.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется тепловым излучением?

2. Что называется абсолютно черным телом? Как оно реализуется на практике?

3. Что называется энергетической светимостью?

4.Что называется испускательной способностью?

5. Как энергетическая светимость связана с испускательной способностью?

6.Нарисуйте кривую распределения энергии в спектре абсолютно черного тела в зависимости от длины волны для различных температур и укажите на графике, что собой представляет энергетическая светимость.

7.Напишите формулу Вина. Как ее получить из формулы Планка?

8.Напите закон Стефана-Больцмана. Почему он не выполняется для реальных тел?

9.Какие тела называются серыми?

10. Почему в лабораторной работе построение графика начинается с температур выше 800 К?

ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ

1.Что называется тепловым излучением?

Тепловое излучение - электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии. Тепловое излучение обусловливается возбуждением частиц вещества при соударениях в процессе теплового движения или ускоренным движением зарядов (колебания ионов кристаллической решетки, тепловое движение свободных электронов и т.д.). Оно возникает при любых температурах и присуще всем телам.

2. Что называется абсолютно черным телом? Как оно реализуется на практике?

Тело, которое полностью поглощает всё падающие на него излучения любой длины волны при любой температуре, называют абсолютно чёрным (точнее, абсолютно поглощающим) телом — сокращенно АЧТ. черное тело - самый эффективный излучатель тепловой радиации. В экспериментах, тепловое излучение черного тела реализуется как излучение маленького отверстия в большой полости. Излучение попадало в полость и много раз отражается от внутренней поверхности и соответственно поглощается на ее внутренних стенках и почти не излучалось из полости.

3. Что называется энергетической светимостью?

Энергетическая светимость тела (R) - поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела в. единицу времени во всех направлениях (в пределах телесного. угла 4π).

4.Что называется испускательной способностью?

Испускательная способность (лучеиспускательная способность, излучательная способность) - основная характеристика теплового излучения, испускаемого с поверхности нагретого тела, мерой к-рой является поток энергии излучения, испускаемого за единицу времени с единицы поверхности тела.

5. Как энергетическая светимость связана с испускательной способностью?

Энергетическая светимость связана с испускательной способностью формулой. Поглощательная способность тела al,T - число, показывающее, какая доля энергии излучения, падающего на поверхность тела, поглощается им в диапазоне длин волн от l до l+dl,т.е. Тело, для которого al,T=1во всем диапазоне длин волн, называется абсолютно черным телом (АЧТ).

6.Нарисуйте кривую распределения энергии в спектре абсолютно черного тела в зависимости от длины волны для различных температур и укажите на графике, что собой представляет энергетическая светимость.

7.Напишите формулу Вина. Как ее получить из формулы Планка?

Продифференцируем формулу Планка:

.

Обозначив  получим:

, откуда  - закон Вина

8.Напите закон Стефана-Больцмана. Почему он не выполняется для реальных тел?

Закон Стефана-Больцмана:Полная объёмная плотность равновесного излучения и полная испускательная способность абсолютно чёрного тела пропорциональны четвёртой степени его температуры.

Реальные физические тела поглощают лишь часть лучевой энергии, а оставшаяся часть ими отражается, однако закономерность, согласно которой удельная мощность излучения с их поверхности пропорциональна Т 4, как правило, сохраняется и в этом случае, однако постоянную Больцмана в этом случае приходится заменять на другой коэффициент, который будет отражать свойства реального физического тела. Такие константы обычно определяются экспериментальным путем.

9.Какие тела называются серыми?

Серое тело (или абсолютно серое тело) — тело, поглощательная способность которого меньше единицы, одинакова для всех длин волн и не зависит от температуры тела.

10. Почему в лабораторной работе построение графика начинается с температур выше 800 К?

При температуре печи выше 800 К вторым слагаемым в уравнении Стефана-Больцмана можно пренебречь, что позволяет упростить построение графика.

Выполнил студент (ка) группы______1Б92____

____________Кшинин И.Б___________

^{(Фамилия И.О.)}

Проверил Преподаватель___Евдокимов К.Е_

_______________________________________

Скриншоты