16367

Определение степени черноты излучающего тела

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 6 Определение степени черноты излучающего тела Цель работы: определение степени черноты излучающей поверхности тела. Задачи работы: Экспериментальное определение степени черноты различных тел. Экспериментальное исследование

Русский

2013-06-20

1012.5 KB

61 чел.

Лабораторная работа № 6

Определение степени черноты излучающего тела

Цель работы: определение степени черноты излучающей поверхности тела.

Задачи работы:

  1.  Экспериментальное  определение степени черноты различных тел.
  2.  Экспериментальное  исследование зависимости степени черноты поверхностей от температуры излучающего тела.

Основные сведения

Теплообмен излучением (лучистый или радиационный теплообмен), осуществляется в результате процессов превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса энергии излучения, и её поглощения другим телом. Интенсивность этого обмена определяется взаимным расположением в пространстве тел, обменивающихся теплом, а так же свойствами поверхностей тел и среды, разделяющей эти тела. При этом любое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля, испускает энергию, обусловленную нагревом тела. Это излучение называется собственным излучением тела и  определяется по закону Стефана-Больцмана . Здесь - степень черноты поверхности тела, = 5,67 Вт/(м2·К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Теплообмен излучением осуществляется посредством электромагнитных волн. В камерах нагревательных печей на его долю приходится 90-95% суммарного теплообмена. Электромагнитные волны распространяются прямолинейно со скоростью света и подчиняются оптическим законам преломления, поглощения, отражения. Источником  этих волн являются материальные частицы, входящие в состав вещества. Для распространения электромагнитных волн не требуется материальной среды. В вакууме они распространяются со скоростью света и характеризуются длиной волны λ или частотой колебаний ν. При температуре до 1500 С основная часть энергии соответствует инфракрасному и частично световому излучению (λ=0,7 - 50 мкм).

Следует отметить, что энергия излучения испускается не непрерывно, а в виде определенных порций — квантов. Носителями этих порций энергии являются элементарные частицы излучения — фотоны, обладающие энергией, количеством движений и электромагнитной массой. При попадании на другие тела энергия излучения частично поглощается ими, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Процесс превращения энергии излучения во внутреннюю энергию поглощающего тела называется поглощением. Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной спектр излучения. Газы испускают энергию только в определенных интервалах длин волн (селективный спектр излучения). Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхностью, а газы — объемом.

Излучаемая в единицу времени энергия в узком интервале изменения длин волн Δλ называется потоком монохроматического излучения Qλ. Поток излучения, соответствующий всему спектру, называется интегральным, или полным, лучистым потоком Q (Вт). Интегральный лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью интегрального излучения.

Каждое тело не только излучает, но и поглощает лучистую энергию. Из всего количества падающей на тело лучистой энергии (Qпад) часть ее (Qпог) поглощается (эта часть характеризуется коэффициентом поглощения А), часть (Qот) отражается (эта часть характеризуется коэффициентом отражения R) и часть (Qпр) проходит сквозь тело (эта часть характеризуется коэффициентом пропускания D) . При этом А+R+D=1.

Если тело поглощает все падающие на него лучи, то есть A=1, R=0, D=0, оно называется абсолютно черным. Если вся падающая на тело энергия отражается, то R=1, А=О, D=0. Если при этом отражение подчиняется законам геометрической оптики, тело называется зеркальным; при диффузном отражении, когда отраженная лучистая энергия рассеивается по всем направлениям, — абсолютно белым.  Если D=1, то A=0 и R=0. Такое тело пропускает все падающие на него лучи и называется абсолютно прозрачным.

В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует.

При расчетах лучистого теплообмена между телами большое значение имеет результирующее излучение, представляющее собой разность между лучистым потоком, получаемым телом, и лучистым потоком, который оно испускает в окружающее пространство. Часто теплотехнические расчеты ведут на основе допущения излучения серых тел, имеющих непрерывный спектр излучения. Такое допущение упрощает решение многих теплотехнических задач, которые без него были бы неразрешимы. Собственное излучение большей части поверхностей, участвующих в теплообмене, действительно близко к серому, за исключением газов, излучение которых сугубо селективное.

Описание экспериментальной установки

Установка (рис. 1 и 2) представляет собой три тепловые мишени  диаметром 114 мм с электронагревателями, последовательно включенными в электрическую цепь (рис. 3). Нагреватели имеют одну и ту же мощность, одинаковым образом расположены на лицевой панели установки. Они отличаются друга лишь состоянием излучающей поверхности.  Первая мишень имеет черную закрашенную поверхность, вторая - закрашенную белую, третья – полированную металлическую.

В центре каждой мишени с внутренней стороны нагревателя зачеканены хромель -  копелевые термопары. Электрический сигнал с термопар подается на цифровые измерители температуры (2,5). В таблице 1 описаны сигналы отображаемые на дисплеях измерителей. Сигнал с измерителей поступает в компьютер через преобразователь.  

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки.

1 – мишень, окрашенная в черный цвет, 2 – измеритель температуры мишеней, 3 – мишень, окрашенная в белый цвет, 4 – беспроводной инфро-красный пирометр (отсутствует), 5 – измеритель температур мишеней, 6 - мишень с полированной поверхностью, 7 –автотрансформатор (ЛАТР)

Таблица 1 – Описание сигналов отображаемых измерителями ТРМ 200

Измеритель

Индикатор

Примечание

ТРМ 200 – левый (поз. 2 на рисунке 1)

Красный

Температура поверхности черной мишени

ТРМ 200 – левый (поз. 2 на рисунке 1)

Зеленый

Температура поверхности белой мишени

ТРМ 200 – правый (поз. 5 на рисунке 1)

Красный

Температура поверхности полированной мишени

ТРМ 200 – правый (поз. 5 на рисунке 1)

Зеленый

Температура комнатная

Рисунок 2. – фотография установки

Рисунок 3 – электрическая схема стенда

XP1 – вилка для подключения стенда к сети 220 В / 50 Гц, заземление обязательно!

XP2, XP3 – вилка USB для подключения к компьютеру (протокол USB 1.1)

XS1 – розетка для подключения дополнительных приборов к сети 220 В / 50 Гц, располагается сзади стенда в белом коробе. Максимальная мощность 1,5 кВт. Используется для подключения компьютера (ноутбука) при работе со стендом.

S1 – автоматический однофазный выключатель, мощность 6А (10А, 16А или 25А) в зависимости от модели стенда. Установлен на лицевой панели стенда.

S2 – выключатель подачи питания к автоматическому трансформатору со встроенным индикатором (светодиод). На стенде расположен в лицевой панели с обозначением ВК1.

La1 – индикаторная лампа, загорается при подаче к стенду питания 220В с помощью автоматического выключателя S1.

T1 – автоматический автотрансформатор подает регулируемое напряжение (0-220В) к нагревателям мишеней стенда.

T2 – понижающий трансформатор (220 – 9 В) для измерения напряжения на мишенях, В

R1, R2, R3 – нагреватели мишеней, общее сопротивление 78 Ом (на одной мишени сопротивление 26 Ом).

ТРМ 200 и 202 (200 в зависимости от комплектации) – измерители сигналов с термопар. Передача данных осуществляется по протоколу RS 485 c последующим преобразованием (преобразователь АС-4) и передачи данных в компьютер по протоколу USB.

Temp1…3 – термопары, установленные на обратной стороне мишеней для измерения температуры поверхности.

Порядок выполнения

  1.  Ознакомиться с устройством лабораторной установки
  2.  Включить компьютер, подключить USB шнуры стенда к компьютеру.
  3.  Вывести на экран лицевую панель лабораторной работы «ИК излучение» (рис. 4), и запустить режим измерения температуры  мишеней.

Рисунок 4. – Лицевая панель программы

  1.  Установить ИК-термометр, таким образом, чтобы лазерное пятно совпадало с центром первой мишени.
  2.  На лицевой панели запустите программу кнопкой «Пуск».
  3.  Включите ЛАТР клавишей ВК1 на панели и выведите напряжение на 90 В.
  4.  Определить и зафиксировать в таблице 2 температуру окружающей среды Тж.
  5.   В течение 5 минут наблюдать на лицевой панели компьютерной системы измерения показания термопар (на многолучевом графике) Т1 – черной, Т2 – белой, Т3 – полированной мишеней, закрепленных с внутренней сторон мишеней.
  6.  Сравнить показания термопар и показаний ИК-термометра..
  7.  Увеличить температуру нагрева мишеней до 100, 110 С.
  8.  Обработать полученные данные по всем мишеням и определить степень черноты εj для каждой при разных температурах их поверхностей (при этом как и в формулах 2 температура берется в Кельвинах)

           

         (2)

где  Тч, Тб, Тп, – температура черной, белой или полированной поверхностей соответственно, измеренные термопарой, К,

Тикч, Тикб, Тикп,– температура черной, белой или полированной поверхностей, соответственно, измеренные ИК пирометром, К.

Tж – температура окружающей среды (см. зеленый индикатор правого измерителя температуры), К.

Таблица 2. Результаты измерения температуры излучающих поверхностей

№№

Опы-

тов

Уровень напряжения

Выделя-

емая

мощность

Измеренные значения температур

Степени черноты поверхностей

 

 

 

 

В

Вт

К

К

К

К

К

К

εч

εб

εп

1

90

2

100

3

110

      

Вывод

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73063. Системный и синергетический подходы к культуре: М.Каган, Э.Маркарян, Л.Уайт 35 KB
  Различая три основные формы бытия — бытие природы, бытие общества и бытие человека, он полагает, что культура в самом общем, философском плане представляет собою четвертую форму бытия, которая порождена деятельностью человека.
73065. Политическая философия русского либерализма 28.5 KB
  Личность и исторический процесс в историософской концепции Кавелина; проблема собственности и государства в филии права Чичерина Либерализм возник в екатерининскую эпоху окончательно оформился к середине 19 века. Философия личности. Необходима новая филия постороенная на антропологии.
73066. Философия науки, становление и основные этапы развития 31 KB
  Как философская дисциплина она представлена различными концепциями которые предлагают ту или иную модель развития науки различными подходами и взглядами. Развитие философии науки в конце XIX в. выступает одним из решающих импульсов развития самой науки.
73067. Этика долга Канта 33 KB
  Этическая стратегия Канта ориентирована не на то как должны вести себя индивиды в тех или иных ситуациях не на конкретные добродетели а на обязательства которые сохраняются при всех обстоятельствах и применительно ко всем разумным существам.
73068. Этика добродетелей Аристотеля 32.5 KB
  Структура души и виды добродетели. Страстная и разумная части имеют как свои добродетели так и свои пороки. У разумной души имеются свои дианоэтические или интеллектуальные добродетели и свои дианоэтические пороки..
73069. Происхождение и сущность нравственности 29.5 KB
  В морали отражены отношения человека к обществу отношения человека к человеку и требования общества к человеку. Основной функцией морали является регулирование взаимоотношений всех членов общества и социальных групп.
73070. Предмет, специфика и задачи этики 31.5 KB
  Этика относится к классу гуманитарных дисциплин объектом которых является человек.Термин этика впервые был употреблен Аристотелем для обозначения особого раздела философии представляющего собой учение о нравственной деятельности и добродетелях.
73071. Я и Другой, проблема коммуникации 31 KB
  Суть учения Бахтина вытекала из представления о незавершенности свободной открытости человека. Но единство бытия неизбежно превращается в единство сознания которое в конечном счете воплощается в единство одного сознания; важно то что рядом с этим единым одним сознанием уже не может сосуществовать...