42346

ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТОДОМ НЕКОНТАКТНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: изучение теплового излучения и ознакомление с методами оптической пирометрии на примере определения температурной зависимости коэффициента поглощения нечёрного тела. Все тела температура которых отлична от абсолютного нуля непрерывно излучают лучистую энергию. Этот процесс сопровождается уменьшением внутренней энергии тела вследствие чего тело остывает. Одновременно с излучением энергии происходит поглощение лучистой энергии падающей на поверхность тела.

Русский

2013-10-29

221.5 KB

7 чел.

Лабораторная работа 8.1.

ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТОДОМ

НЕКОНТАКТНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ

Библиографический список

  1.  Савельев И. В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1989, т. 3.
  2.  Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989.
  3.  Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика. – М.: Наука, 1985.
  4.  Шпольский Э. В. Атомная физика. – М.: Физматгиз, 1974, т. 1.

Цель работы: изучение теплового излучения и ознакомление с методами оптической пирометрии на примере определения температурной зависимости коэффициента поглощения нечёрного тела.

Приборы и принадлежности: пирометр, вольфрамовая лампа, ЛАТР, ваттметр.

Описание метода и экспериментальной установки

Электромагнитное излучение, причиной которого является возбуждение атомов и молекул вещества вследствие его нагревания, называется тепловым или температурным излучением. Температурное излучение является универсальным свойством тел. Все тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, непрерывно излучают лучистую энергию. Этот процесс сопровождается уменьшением внутренней энергии тела, вследствие чего тело остывает. Одновременно с излучением энергии происходит поглощение лучистой энергии, падающей на поверхность тела. Последний процесс приводит к увеличению внутренней энергии тела. Все окружающие нас тела находятся в лучистом теплообмене. Если один из процессов преобладает (излучение или поглощение), то температура тела изменяется. Если же оба процесса эквивалентны, то температура тела остается постоянной.

Состояние системы называется равновесным, если распределение энергии между телами и излучением остается неизменным во времени. Равновесность является основным условием теплового излучения.

Энергетической светимостью  тела называется энергия, излучаемая с единицы площади поверхности излучающего тела в единицу времени во всем диапазоне частот. Излучательной способностью тела , или спектральной плотностью энергетической светимости, называется отношение энергетической светимости в интервале частот от  до  к ширине этого интервала .

       (1)

Поглощательной способностью тела или коэффициентом поглощения  называется отношение энергии, поглощаемой единицей площади поверхности тела в единицу времени в интервале частот от  до , к энергии, падающей на эту площадку в единицу времени в том же частотном интервале:

      (2)

,  и  зависят от температуры, а  и  - и от частоты излучения.

Тела, для которых , называются абсолютно чёрными.

Все реальные тела в зависимости от их излучательной и поглощательной способности можно разбить на две группы: селективные и серые. Селективными называются такие тела, у которых излучательная и поглощательная способность заметно изменяется с изменением длины волны излучения. Вообще говоря, излучение всех тел, существующих в природе, в той или иной степени является селективным. Степень селективности определяется отличием спектрального распределения излучательной способности тела от этого же распределения для абсолютно чёрного тела.

Спектр теплового излучения тел непрерывен и имеет ярко выраженный максимум, положение которого зависит от температуры. Спектральная зависимость, показанная на рис. 1, была получена экспериментально, затем (сначала эмпирически) была описана Планком:

.     (3)

В этой формуле впервые в истории физики была заложена идея квантов света, несущих энергию .

Излучательная способность серого тела  подобна кривой для абсолютно чёрного тела (кривая 2 рис. 1). Основная особенность серых тел – независимость их коэффициента поглощения от частоты, т.е. коэффициент поглощения серого тела зависит только от температуры . Излучательную и поглощательную способность серых тел связывает с излучательной способностью абсолютно чёрного тела закон Кирхгофа:

.        (4)

Законы Планка и Кирхгофа являются важнейшими для теплового излучения, законы Стефана-Больцмана и Вина – их следствия. В частности, по закону Стефана-Больцмана для серого тела интегральная излучательная способность

,    (5)

где  - коэффициент поглощения; ; Т – температура, К.

В данной работе в качестве источника теплового излучения используется ленточная вольфрамовая лампа СИ8-300I. Вольфрам не является идеальным серым телом, так как его поглощательная способность зависит от частоты. Поэтому при выполнении работы обязательно пользоваться светофильтром, в данном случае красным, максимум пропускания которого приходится на 6500.

Нагревание вольфрамовой ленты в лампе производится электрическим током от сети через понижающий трансформатор. Подводимая мощность, которая необходима для нагревания ленты до температуры  от комнатной температуры :

.    (6)

Здесь первое слагаемое – это интегральная излучательная способность, т.е. энергия, излучаемая в единицу времени с единицы площади, или мощность, излучаемая с единицы площади при температуре , второе слагаемое – то же при комнатной температуре ; S – площадь излучающей поверхности вольфрамовой ленты.

Мощность N определяется ваттметром, включенным в цепь питания лампы (рис. 2).

Коэффициент поглощения из закона Кирхгофа (4):

.       (7)

Температура вольфрамовой ленты измеряется пирометром «Проминь», принцип работы которого основан на сравнении яркости излучения исследуемого тела с яркостью нити пирометра, которая отградуирована по температуре. Равенство яркостей определяется на глаз. Оптическая система пирометра совмещает в одной плоскости нить пирометра и изображение вольфрамовой ленты (вертикально). Если в месте их пересечения горизонтальная полоса не видна на фоне вертикальной, то температура исследуемого тела равна температуре нити пирометра, которая указана на шкале прибора. Но это не истинная температура, а яркостная. Яркостная температура – это температура такого абсолютно чёрного тела, яркость которого такая же, как у серого тела. Яркостная температура всегда ниже истинной (энергетической) температуры тела. Связь их устанавливается формулой Планка.

Оптико-электрическая схема установки представлена
на рис. 2.

На этом рисунке 1– ленточная вольфрамовая лампа, ее лента накала – 2 – объект исследования ; 3 – оптический пирометр, состоящий из объектива – 4, с помощью которого производится фокусировка ленты накала в плоскости нити пирометра – 5; окуляр пирометра 6 – фокусирует изображение нити пирометра. В цепи накала пирометрической лампы включен потенциометр, отградуированный по температуре. На приборе три шкалы температур: 1) 800 – 1400 С, 2) 1400 – 2000 С, 3) 2000 – 2800 С. Переключатель на верхней части кожуха пирометра.

Диапазон изменения температуры в данной работе от 900 до 1800 С, т.е. по первой и второй шкале температур.

Порядок выполнения работы

1. Включить питание пирометра и ленточной лампы тумблера на верхней крышке ЛАТРа, при этом ручка ЛАТРа должна быть в крайнем положении против часовой стрелки.

2. Установить переключатель температурных шкал на шкалу 1 и по ней температуру 900 С на нити пирометра, вращая ручку пирометра справа на его кожухе.

3. Добиться четкого изображения нити настройкой окуляра.

4. Поставить красный светофильтр лимбом на окуляре пирометра.

5. Вращая ручку ЛАТРа, добиться, чтобы яркость вольфрамовой лампы сравнялась бы с яркостью нити пирометра, т.е., чтобы в месте скрещивания нить пирометра не была видна на фоне изображения ленты.

6. Записать показание ваттметра, определяющее излучательную способность вольфрама при данной температуре.

7. Поставить на пирометре температуру 1000 С, на 100 С большую предыдущей.

8. Повторить указанное в п. 5, 6.

9. Повторить указанное в п. 7, 8 до температуры 1800 С через каждые 100 С, перейдя после 1400 С на вторую температурную шкалу.

10. Перевести все значения яркостных температур в энергетические (по графику) и выразить их в градусах Кельвина.

11. Рассчитать для каждой температуры  по формуле (7).

12. Рассчитать относительную ошибку измерения

  %       (6)

и , где  и  определяются как половина цены деления соответствующего прибора.

13. Определить ширину доверительного интервала (абсолютную ошибку) для  при каждой температуре.

14. Построить график , отразив на нем доверительный интервал для каждого .

Таблица 1

,       .

N, Вт

, К

1.

900

2.

1000

3.

1100

4.

1200

5.

1300

6.

1400

7.

1500

8.

1600

9.

1700

10.

1800

PAGE  9


EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 1. Спектральная зависимость излучательной способности:

 1 – абсолютно чёрного тела;

 2 – серого тела при той же температуре.

Рис. 2. Оптико-электрическая схема установки


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2682. Расчет газопровода от поселка Крутинка до поселка Атрачи 204.68 KB
  Рассчитать газопровод от п. Саргатское до п. Андреевка Определить диаметр газопровода из условия обеспечения нормального и экономичного газоснабжения всех потребителей. Гидравлический расчет выполняется по максимальным часовым расходам с учетом коэф...
2683. Разработка автоматизированной системы управления технологическими процессами фирмы Allen Bradley 401.23 KB
  Внедрение АСУ ТП позволяет значительно повысить эффективность производства за счет: получения достоверной информации с технологических объектов, оперативного контроля, управления процессами и учета готовой продукции, повышения...
2684. Расчет среднегодовых технико-экономических производственно-отопительной котельной 142.28 KB
  В связи с ростом промышленного производства и развитием социальной структуры населенных пунктов, ежегодно возрастает потребность тепловой энергии на технологические нужды, отопление и вентиляцию. Темой курсовой работы является проект котель...
2685. Проектирование металлорежущих инструментов 423.52 KB
  Проектирование круглого фасонного резца. Назначение фасонных резцов. Анализ исходных данных. Выбор инструментального материала. Выбор формы передней и задней поверхности резца и его геометрических параметров в базовой точке...
2686. Волны в упругих средах 957.5 KB
  Волны в упругих средах  Волновые процессы Предположим, что точка, совершающая колебание находится в среде, все частицы которой связаны между собой. Тогда энергия ее колебания может передаваться окружаю - щим точкам, вызывая их колебание. Явлени...
2687. Электроизмерительные приборы 217 KB
  Цель работы: Изучить физические принципы действия и основные характеристики электроизмерительных приборов. На основе электромеханического стрелочного прибора М-93 собрать и исследовать миллиамперметр постоянного тока и вольтметры для измерения...
2688. Коллекторские свойства горных пород 2.73 MB
  коллекторские Свойства горных пород Типы пород–коллекторов Коллектором называется горная порода (пласт, массив), обладающая способностью к аккумуляции и фильтрации воды, нефти и газа. Под горной породой понимается естественный твердый минера...
2689. Разработка годовой производственной программы строительной организации 89.89 KB
  Курсовой проект по дисциплине Экономика предприятия включает в себя разработку годовой производственной программы строительной организации, формирование и распределение прибыли, составление календарного плана строительства, расчёт налогов...
2690. 20-ти річчя Незалежності України 7.34 MB
  Відкрита виховна година на тему: 20-ти річчя Незалежності України 24 серпня 2011 року український народ відзначив 20 - річчя Незалежності. Протягом початку  XX  століття незалежність проголошувалась п’ять разів, і ті...