Лабораторная работа №1 Изучение законов теплового излучения

Цель и задачи работы: Изучение законов теплового излучения, устройства оптического пирометра, определение температуры нагретого тела и постоянной Стефана – Больцмана.

1 Общие сведения

Тепловым (или температурным) излучением называется электромагнитное излучение, испускаемое телами за счет их внутренней энергии, т.е. за счет движения атомов и молекул вещества. Оно свойственно всем телам при любой температуре выше нуля Кельвина.

Для количественной оценки теплового излучения вводятся следующие характеристики:

1) Энергетическая светимость или полная излучательная способность R_Т – это энергия W, излучаемая с единицы площади поверхности S излучаемого тела по всем направлениям за единицу времени t при данной температуре Т:

. (1)

2) Спектральная излучательная способность или спектральная плотность энергетической светимости R_Т - это количество энергии dW, в узком интервале длин волн от  до +d , испускаемой за единицу времени по всем направлениям с единицы площади поверхности S тела, имеющего температуру Т :

. (2)

3) Спектральная поглощательная способность A_,Т – величина, показывающая, какая часть энергии излучения с длиной волны , достигающая за единицу времени площади поверхности тела, имеющего температуру Т, поглощается им (коэффициент поглощения):

. (3)

В теории теплового излучения вводится понятие – абсолютно черное тело – тело, которое полностью поглощает весь падающий на него поток излучения. Коэффициент поглощения абсолютно черного тела равен единице. В природе абсолютно черных тел нет, наиболее близким приближением к абсолютно черному телу является модель в виде непрозрачного сосуда сферической формы, стенки которого имеют одинаковую температуру.

Экспериментально установлено несколько законов теплового излучения:

1) Закон Кирхгофа. Отношение излучательной способности R_Т тел к их поглощательной способности A_Т не зависит от природы тел, а зависит от температуры тел и от длины волны излучения и равно излучательной способности абсолютно черного тела r(, Т):

. (4)

Рисунок 1 Спектр излучения абсолютно черного тела

Энергетической светимостью R_T абсолютно черного тела называется количество энергии, излучаемой с единицы площади за единицу времени для всех длин волн:

. (5)

2) Закон Стефана-Больцмана. Энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени термодинамической температуры

(6)

где  = 5,6710^-8 Втм^-2К^-4 – постоянная Стефана-Больцмана.

3) Закон Вина (закон смещения). Длина волны на которую приходится максимум излучательной способности, обратно пропорциональна термодинамической температуре абсолютно черного тела:

(7)

где b₁ = 2,910^-3 мК.