Лабораторная работа оптический пирометр. Измерение яркостной температуры

Цель работы: ознакомиться с прибором для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения в оптическом диа­пазоне - оптическим пирометром, измерить яркостную температуру нагре­того тела.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

1. Тепловое излучение

Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение max которого зависит от температуры.

Тепловое излучение (единственный вид излучения) может быть рав­новесным: нагретое тело, помещенное в полость, ограниченную идеально отражающей оболочкой, с течением времени будет поглощать в единицу времени столько же энергии, сколько излучать в результате непрерывного обмена энергиями между телом и излучением. При нарушении равновесия между телом и излучением, тело излучает энергии больше, чем поглощает(или наоборот), в результате будет ослабляться (или возрастать) количест­во излучаемой энергии, пока не установится равновесие.

Количественные характеристики теплового излучения зависят от при­роды тела, его термодинамической температуры и различаются для излу­чений с различными частотами (длинами волн).

Спектральная плотность энергетической светимости (излучательно-сти) тела - мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины

где dWизл - энергия электромагнитного излучения, испускаемого за еди­ницу времени (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела в интервале частот от v,v+dv. В виде функции длины волны, формула (1.1):

так как

Интегральную энергетическую светимость (интегральную излуча-тельность) называют просто энергетической светимостью тела (суммиро­вание по всем частотам):

Спектральная поглощательная способность - поглощающаяся доля энергии, приносимая за единицу времени на единицу площади поверхно­сти тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотой отv,v+dv (характеризует способность тел поглощать падающее на них излу­чение):

Абсолютно черное тело - тело, поглощающее полностью при любой температуре всё падающее на него излучение любой частоты, спектраль­ная поглощательная способность тождественно равна единице:

Абсолютно черных тел в природе нет, близки к ним в определенном интервале частот по своим свойствам сажа, платиновая чернь, черный бар­хат. Моделью черного тела может служить замкнутая полость, имеющая размер отверстия меньше 0,1 диаметра полости; попадающее в отверстие излучение всех частот полностью поглощается вследствие многократного отражения от стенок. При низкой температуре отверстие кажется черным. Если тело нагреть, отверстие будет светиться.

Серое тело - тело, поглощающая способность которого меньше еди­ницы, но одинакова для любых частот и зависит от температуры, материа­ла, состояния поверхности тела

2. Законы теплового излучения

Закон Кирхгофа устанавливает количественную связь между спек­тральной плотностью энергетической светимости и спектральной погло-щательной способностью тел, (исходя из второго закона термодинамики ианализа условия равновесного излучения в изолированной системе тел):

Это отношение не зависит от природы тела и является для всех тел уни­версальной функцией частоты (длины волны) и температуры.

Так как спектральная поглощательная способность абсолютно черного тела равна единице, следовательно, универсальная функция в законе Кирх­гофа представляет собой спектральную плотность энергетической свети­мости абсолютно черного тела при той же температуре и частоте (длиневолны). Из закона следует, что для любого тела в любой области спектра:

Выражение для энергетической светимости тела:

Для серого тела:

где R_E- энергетическая светимость черного тела (зависит только от тем­пературы).

Закон Кирхгофа - надежный критерий для определения природы из­лучения; излучение, которое этому закону не подчиняется, не является те­пловым. '

Закон Стефана - Больцмана устанавливает зависимость интеграль­ной энергетической светимости абсолютно черного, тела от абсолютнойтемпературы тела (исходя из анализа экспериментальных данных и приме­нения термодинамического метода):

. где о - постоянная Стефана - Больцмана (экспериментальное значение 5,67*10^-8Вт/(м^2.К⁴).

Экспериментальные кривые зависимости спектральной плотности энергетической светимости черного тела от длины волны при различныхтемпературах являются непрерывными и имеют ярко выраженный макси­мум, который по мере повышения температуры смещается в сторону более коротких волн (рис.1).

Закон смещения Вина устанавливает зависимость максимальнойдлины волны, соответствующей максимуму спектральной плотности энер­гетической светимости абсолютно черного тела, от температуры (исходя из экспериментальных данных):

где b - постоянная Вина (экспериментальное значение 2,9-10 ^-3 м.К).

Попытки теоретического описания вида спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела и хода эксперимен­тальных кривых на основе классической физики (энергия любой системы может изменяться непрерывно) оказывались безуспешными.

Формула Планка (1900 г.). Квантовая гипотеза, выдвинутая Планком, тела испускают свет дискретно (прерывисто) в виде определенных порций, величина такой порции называется квантом энергии

-

где h-постоянная Планка, равная 6,62*10^-34 Дж*с. Исходя из квантовых представлений о природе излучения, Планк получил формулу для спек­тральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела

где к — постоянная Больцмана, равная 1,38*10^-23 Дж/К; с - скорость света (3*10⁸ м/с).

Формула Планка хорошо согласуется с экспериментальными данными и содержит в себе частные законы теплового излучения.