Лабораторна робота оптичний пірометр
Мета роботи: ознайомитись з приладом для вимірювання температури нагрітих тіл за інтенсивністю їх теплового випромінювання в оптичному діапазоні – оптичним пірометром, виміряти температуру яскравості нагрітого тіла.
1. Теплове випромінювання
Теплове випромінювання характеризується суцільним спектром, положенняmaxякого залежить від температури.
Теплове випромінювання (єдиний вид випромінювання) може бути рівноважним: нагріте тіло, поміщене в порожнину, обмежену ідеально відбиває оболонкою, з часом буде поглинати в одиницю часу стільки ж енергії, скільки випромінювати в результаті безперервного обміну енергіями між тілом і випромінюванням. При порушенні рівноваги між тілом і випромінюванням, тіло випромінює енергії більше, ніж поглинає (або навпаки), в результаті послаблюватиметься (або зростатиме) кількість випромінюваної енергії, доки не встановиться рівновага.
Кількісні характеристики теплового випромінювання залежить від природи тіла, його термодинамічної температури і для випромінювань з різними частотами (довжинами хвиль).
Спектральна щільність енергетичної світності (випромінювальності) тіла - потужність випромінювання з одиниці площі поверхні тіла в інтервалі частот одиничної ширини
де dWізл - енергія електромагнітного випромінювання, що випускається за одиницю часу (потужність випромінювання) з одиниці площі поверхні тіла в інтервалі частот від v,v+dv. У вигляді функції довжини хвилі формула (1.1):
так як
Інтегральну енергетичну світність (інтегральну випромінюваність) називають просто енергетичною світністю тіла (підсумовування за всіма частотами):
Спектральна поглинальназдатність - поглинається частка енергії, що приноситься за одиницю часу на одиницю площі поверхні тіла електромагнітними хвилями, що падають на неї, з частотою отv,v+dv (характеризує здатність тіл поглинати падаюче на них випромінювання):
Абсолютно чорне тіло - тіло, що поглинає повністю при будь-якій температурі все випромінювання будь-якої частоти, що падає на нього, спектральна поглинальна здатність тотожно дорівнює одиниці:
Абсолютно чорних тіл у природі немає, близькі до них у певному інтервалі частот за своїми властивостями сажа, платинова чернь, чорний оксамит. Моделью чорного тіла може бути замкнута порожнина, що має розмір отвору менше 0,1 діаметра порожнини; випромінювання всіх частот, що потрапляє в отвір, повністю поглинається внаслідок багаторазового відображення від стінок. При низькій температурі отвір здається чорним. Якщо тіло нагріти, отвір світитиметься.
Сіре тіло - тіло, поглинаюча здатність якого менше одиниці, але однакова для будь-яких частот і залежить від температури, матеріалу, стану поверхні тіла
2. Закони теплового випромінювання
Закон Кірхгофа встановлює кількісний зв'язок між спектральною щільністю енергетичної світності та спектральною поглинальною здатністю тіл, (виходячи з другого закону термодинаміки і аналізу умови рівноважного випромінювання в ізольованій системі тіл):
Це відношення не залежить від природи тіла і є для всіх тіл універсальною функцією частоти (довжини хвилі) та температури.
Так як спектральна поглинальна здатність абсолютно чорного тіла дорівнює одиниці, отже, універсальна функція в законі Кірхгофа є спектральною щільністю енергетичної світності абсолютно чорного тіла при тій же температурі і частоті(Довгохвилі). З закону випливає, що для будь-якого тіла в будь-якій області спектра:
Вираз для енергетичної світності тіла:
Для сірого тіла:
де RE-енергетична світність чорного тіла (залежить лише від температури).
Закон Кірхгофа- надійний критерій визначення природи випромінювання; випромінювання, яке цьому закону не підпорядковується, не є тепловим. '
Закон Стефана - Больцманавстановлює залежність інтегральної енергетичної світності абсолютно чорного, тіла від абсолютної температури тіла (виходячи з аналізу експериментальних даних та застосування термодинамічного методу):
. део- стала Стефана - Больцмана (експериментальне значення 5,67 * 10 -8 Вт / (м 2. До 4)).
Експериментальні криві залежності спектральної щільності енергетичної світності чорного тіла від довжини хвилі при різних температурах є безперервними і мають яскраво виражений максимум, який у міру підвищення температури зміщується у бік більш коротких хвиль (мал. 11).
Закон усуненняВина встановлює залежність максимальноїдовжини хвилі, що відповідає максимуму спектральної щільності енергетичної світності абсолютно чорного тіла, від температури (виходячи з експериментальних даних):
де b - постійна вина (експериментальне значення 2,9-10 -3 м.к).
Спроби теоретичного опису виду спектральної щільності енергетичної світності абсолютно чорного тіла та перебігу експериментальних кривих на основі класичної фізики (енергія будь-якої системи може змінюватися безперервно) виявлялися безуспішними.
Формула Планка(1900). Квантова гіпотеза, висунута Планком, тіла випромінюють світло дискретно (переривчасто) якпевних порцій, величина такої порції називається квантом енергії
де h-постійна Планка, що дорівнює 6,62 * 10 -34 Дж * с. Виходячи з квантових уявлень про природу випромінювання, Планк отримав формулу для спектральної щільності енергетичної світності абсолютно чорного тіла.
де до - Постійна Больцмана, рівна 1,38 * 10 -23 Дж / К; с - швидкість світла (3*108 м/с).
Формула Планка добре узгоджується з експериментальними даними та містить у собі приватні закони теплового випромінювання.