Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

ЧЕРНОТЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА



 

Цель работы: Определить степень черноты и интегральную излучательность твердого тела и установить их зависимость от температуры поверхности исследуемого тела.

 

1. Краткие сведения из теории

 

Процессы лучистого теплообмена получили широкое распространение в теплотехнике, ядерной энергетике, ракетной технике, металлургии, сушильной технике, химической технологии, светотехнике, гелиотехнике и т.д.

Тепловое излучение ‑ это процесс переноса внутренней энергии тела электромагнитными волнами. При поглощении электромагнитных волн какими-либо другими телами они вновь превращаются в энергию теплового движения молекул.

Возбудителями электромагнитных волн являются заряженные материальные частицы, т.е. электроны и ионы, входящие в состав вещества. Так как внутренняя энергия тела определяется его температурой, то излучение всех тел зависит от температуры. С увеличением температуры тела его энергия излучения увеличивается. Тело излучает энергию в виде непрерывного (сплошного) или прерывистого спектра по длинам волн.

Энергия излучаемая произвольной поверхностью в единицу времени по всевозможным направлениям и соответствующая узкому интервалу длин волн от λ до λ+dλ, называется потоком монохроматического или спектрального излучения Фλ. Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным потоком излучения Ф.

Интегральный поток, испускаемый с единицы поверхности, носит название излучательности:

, (14.1)

где W – вся энергия теплового излучения тела; S – поверхность излучающего тела; t – время излучения.

Способность тела поглощать тепловую энергию оценивается коэффициентом поглощения а, который показывает, какая доля падающей на него энергии поглощается:

,

где Wпогл – энергия, поглощенная телом; Wпад – энергия, падающая на тело.

Аналогичным образом вводится понятие коэффициента отражения ρ и коэффициента пропускания d. Коэффициент отражения показывает, какая доля падающей энергии отражается телом, а коэффициент пропускания характеризует долю падающей энергии, которая проходит сквозь тело. Из закона сохранения энергии вытекает, что

.

Кроме интегральных характеристик теплового излучения вводятся соответствующие им спектральные характеристики.

Спектральная плотность излучательности

,

которая характеризует мощность теплового излучения с единицы поверхности тела, приходящейся на единичный интервал длин волн спектра вблизи заданной длины волны λ.

Спектральный коэффициент поглощения

.

Величина аλ оценивает степень поглощения телом излучений различных длин волн. Величины rλ и аλ зависят не только от длины волны, но и от температуры тела, его материала, формы и состояния поверхности.

Следовательно, и .

Спектральная плотность излучательности и спектральный коэффициент поглощения связаны законом Кирхгофа в дифференциальном виде:

(14.2)

т.е. отношение спектральной плотности излучательности любого тела к его спектральному коэффициенту поглощения есть величина постоянная и равная спектральной плотности излучательности абсолютно черного тела при одинаковых температурах и длинах волн.

Степень черноты ε есть отношение плотности потока собственного излучения тела к плотности потока излучения абсолютно черного тела при той же температуре.

Различают спектральную и интегральную степень черноты. Спектральная степень черноты

,

а интегральная степень черноты равна отношению излучательности тела R к излучательности абсолютно черного тела R* при той же температуре:

. (14.3)

По закону Стефана-Больцмана излучательность абсолютно черного тела равна

(14.4)

где σ=5,67·10-8 Вт/(м2К4) – постоянная Стефана‑Больцмана.

Подставив выражение (14.4) в (14.3), получим закон Стефана-Больцмана для серых тел

. (14.5)

Для удобства практических расчетов правую часть выражения (14.4) умножим и разделим на 108, тогда

, но

‑ излучательная способность абсолютно черного тела. Таким образом, закон Стефана‑Больцмана можно записать в таком виде

(14.6)

Подставим (14.6) в выражение (14.5), получим

С=εС0 – излучательная способность серого тела.

Тогда (14.7)

В случае теплообмена излучением между двумя телами, имеющими температуру Т1 и Т212), результирующей тепловой поток равен

,

где S1, S2 – площади поверхностей тел.

При S1=S2= S с учетом выражения (14.7) получим

.

Так как удельный тепловой поток , то

(14.8)

 

2. Оборудование и приборы

 

1. Лабораторная установка для определения степени черноты твердого тела.

2. Автотрансформатор.

3. Вольтметр.

4. Выключатель.

5. Термопары (2 шт.)

6. Термостолбики (2 шт.)

7. Милливольтметры (3 шт.)

8. Переключатель.

 

3. Описание установки

Рис. 14.1

Установка для определения степени черноты твердого тела (рис14.1) состоит из составного плоского металлического излучателя 1 с нагревателем 2, термопарами 3 и термостолбиками 4, смонтированными на общем основании. Термостолбики 4 подключены к милливольтметрам 5, измеряющие тепловой поток от эталонного тела, который пропорционален термо-ЭДС Еэ и аналогично для серого тела Ес.

Термопары 3 служат для определения температуры эталонного тела Тэ и серого тела Тс. Эти термопары через переключатель 6 подсоединяются поочередно к милливольтметру 7. Нагреватель 2 включается выключателем 8 в сеть питания переменного тока через автотрансформатор 9, который позволяет изменять температуру нагрева пластин излучателя. Напряжение, подведенное к нагревателю, контролируется вольтметром 10.

Основной частью установки является излучатель 1. Одна из его пластин покрыта сажей, поэтому ее степень черноты приниматься равной εэ=0,95 и она является эталоном. Вторая пластина полированная (светлая) и ее степень черноты εс подлежит определению.

Внимание! Будьте осторожны и не касайтесь поверхности излучателя руками во избежания ожога или повреждения покрытия поверхности.

4. Порядок выполнения работы

 

1. Включить нагреватель.

2. Через равные интервалы для одинаковых значений ЭДС Еэ и Ес, заданных преподавателем, замерить показания милливольтметра 7 соответственно для Тэ и Тс в мВ.

3. Результаты занести в таблицу 14.1.

Таблица 14.1

№ измер. Еэс=Е мВ Тэ, мВ Тс, мВ Т0, К
1. 2. 3. 4. 5. 6.        

 

Измерить по комнатному термометру температуру окружающей среды в t0С и перевести в Кельвины по формуле Т0=(t+273) К и записать в табл. 14.1.