Содержание

1. Цель работы……………………………………………………………4

2. Теоретическая часть…………………………………………………..4

3. Приборы и оборудование…………………………………………….8

4. Требования по технике безопасности………………………………..9

5. Порядок выполнения работы…………………………………………9

6. Требования к отчету………………………………………………….10

7. Контрольные вопросы………………………………………………..10

Список литературы……………………………………………………..11

Лабораторная работа № 86 Исследование зависимости теплового излучения абсолютно черного тела от температуры

1. Цель работы

Исследование зависимости интегральной излучательной способности абсолютно черного тела от температуры и проверка выполнения закона Стефана-Больцмана.

2. Теоретическая часть

Излучение тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, называется тепловым или температурным, так как оно является следствием хаотического теплового движения частиц, т.е. зависит от температуры тела. Для спектральной характеристики теплового излучения вводится понятие излучательной способности тела (или спектральной плотности излучательности)

, (2.1)

где – энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени с единицы площади поверхности тела в интервале частот от ν до ν + dν.

Все тела в той или иной степени поглощают энергию падающих на них электромагнитных волн. Спектральной характеристикой поглощения является поглощательная способность тела (коэффициент поглощения),

(2.2)

показывающая, какая доля энергии , доставляемой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с интервалом частот от ν до ν + dν, поглощается телом. Во многих случаях необходимо знать полную мощность теплового излучения единицы поверхности тела во всем интервале частот от 0 до ∞. Эта величина R_Э, называемая излучательностью (энергетической светимостью) тела или его интегральной излучательной способностью, связана с соотношением

R_Э = . (2.3)

Н

Рис. 2.1

айдем связь между излучательной и поглощательной способностями любого непрозрачного тела. Для этого рассмотрим теплоизолированную систему, состоящую из двух бесконечно длинных пластин а и б (рис. 2.1), которые могут обмениваться энергией в форме теплоты только друг с другом, так как их внешние поверхности покрыты идеальной тепловой изоляцией. Пусть внутренняя поверхность пластины а абсолютно черная, а излучательная и поглощательная способности внутренней поверхности пластины б равны и .

Если в рассматриваемой системе установилось термодинамическое равновесие, то температуры обеих пластин одинаковы и равны Т, а излучение пластин равновесное. Из формул (2.1) и (2.2) следует, что

и . (2.4)

Из условия симметрии очевидно, что энергия электромагнитного излучения в интервале от ν до ν + dν, падающего за единицу времени на единицу площади пластины б, равна энергии, излучаемой за тоже время и в том же интервале частот единицей площади абсолютно черной поверхности пластины а. Собственное излучение пластины б не учитываем, так как оно может вновь возвратиться к пластине б только после отражения от пластины а. Однако абсолютно черная поверхность а полностью поглощает падающее на нее излучение, ничего не отражая. Таким образом

и . (2.5)

Поскольку температура пластин одинакова и не изменяется со временем, то для каждой пластины энергия , излучаемая за единицу времени с единицы площади поверхности должна быть равна энергии, поглощаемой за то же время этим участком поверхности, получим

(2.6)

или

. (2.7)

Таким образом получили, что отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и равно излучательной способности абсолютно черного тела, являющейся функцией только длины волны и температуры. Это закон Кирхгофа для теплового излучения. Абсолютно черное тело при любой температуре полностью поглощает всю энергию падающих на него электромагнитных волн независимо от их длин волн (= 1).

Явление теплового излучения можно объяснить на основе квантовой природы излучения. По гипотезе Планка энергия осцилляторов, а следовательно атомов и молекул излучающего тела, обменивающихся энергией с этим осциллятором, может принимать лишь определенные дискретные значения, равные целому числу элементарных порций энергии

, (2.8)

которые он назвал квантами:

, (2.9)

где n – любое целое положительное число. В соответствии с этим излучение и поглощение энергии атомами или молекулами должно происходить не непрерывно, а дискретно – отдельными порциями (квантами). Пользуясь формулой (2.9) и методами классической статистики среднее во времени значение энергии осциллятора, полученное Планком, имеет вид:

, (2.10)

а излучательная способность абсолютно черного тела :

. (2.11)

Формула прекрасно согласуется с результатами измерений распределения энергии в спектрах излучения абсолютно черного тела при самых различных температурах.

График зависимости от частоты для двух различных температур имеет вид (Т₂ > Т₁) (рис. 2.2).

Из формулы Планка (2.11) легко получить интегральную излучательную способность и вывести закон Стефана-Больцмана. Из формул (2.3) и (2.11)

.

Произведем замену переменной. Обозначим через , и . Тогда

, (2.12)

где

σ – постоянная Стефана-Больцмана.

Из закона Стефана-Больцмана следует, что энергия излучения растет пропорционально четвертой степени абсолютной температуре. При обычных условиях и температурах основные потери связаны с конвекцией и теплопроводностью. При достаточно высоких температурах основную роль играют потери энергии на излучение.