МУ - К-20 (1003918), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Согласно закону Кирхгофа (1), спектр излучения реальных тел будетотличаться от спектра АЧТ (2), а энергия излучения будет меньше.Мλα0,410,22024а)λ, мкм024λ, мкмб)Рис. 3Поясним сказанное на примере вольфрама, из которого изготавливают нити ламп накаливания. Зависимость коэффициента поглощения вольфрама от длины волны при температуре 2450 К показана на рис. 3,а. Из него видно, что α убывает с ростом λ.
На рис. 3,б длятемпературы 2450 К показаны зависимости от λ спектральной плотности энергетическойсветимости АЧТ (кривая 1) и вольфрама (кривая 2).Во-первых, из графика видно, что на видимую область спектра (0,4 – 0,76 мкм) приходится незначительная часть энергии излучения, большая часть которой испускается в ИКдиапазоне. Отсюда - низкий световой КПД лампы.
Если температуру повысить, то спектризлучения сместится в видимую область, а КПД возрастет. Однако существенное повышениетемпературы невозможно, так как при этом быстро уменьшается срок службы лампы.Во-вторых, на всех длинах волн вольфрам излучает меньше, чем АЧТ. Однако испускательная способность вольфрама в видимой области спектра ближе к испускательной способности АЧТ, чем в ИК диапазоне. Благодаря этому, энергия излучения выгодно перераспределяется по спектру в пользу видимого света за счет ИК излучения. Если бы у вольфрамакоэффициент поглощения не зависит от λ, то КПД лампы был бы еще меньше.Для некоторых тел, называемых серыми, коэффициент поглощения меньше единицы,но слабо зависит от длины волны в некоторой существенной области спектра. Поэтомуспектр излучения серых тел близок к спектру АЧТ, а энергия излучения - меньше.
Для серыхтел приближенно и в ограниченной области температур закон Стефана-Больцмана имеет видM= εσT4.Безразмерный множитель ε<1, называемый коэффициентом излучения (коэффициентом черноты), зависит от вещества и состояния поверхности тела; он равен, например,60,04…0,06 – для полированного алюминия, 0,25 – для сильно окисленного алюминия,0,6…0,9 – для кирпича [4].Бесконтактные термометры.Широкое применение получили приборы, называемые пирометрами, для бесконтактного измерения температуры тел. Их действие основано на измерении интенсивности теплового излучения тел.
Поскольку интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением температуры тел, то пирометры применяются для измерения главным образом высоких температур. При температуре T>1300 К пирометры – главные термометры, а при T>3000К – становятся практически единственными приборами для измерения температуры.Рассмотрим действие простого прибора, называемого пирометром с исчезающей нитью. Он используется для измерения температуры раскаленных тел.
Объектив фокусируетизображение светящегося тела на плоскость, в которой расположена нить специальной лампы накаливания. Через окуляр и красный фильтр нить рассматривают на фоне изображениятела и, изменяя ток накала нити, добиваются, чтобы яркости нити и тела были одинаковыми(нить становится неразличимой на фоне тела). Шкалу прибора, регистрирующего ток накала,градуируют в оС или К, и в момент выравнивания яркостей нити и тела прибор показываеттак называемую яркостную температуру тела. Истинная температура тела определяется наоснове законов теплового излучения по специальной формуле.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬМетодика опыта и лабораторная установкаВ данной работе изучают зависимость потока излучения макета АЧТ от температуры.Оптическое излучение (видимый свет, УФ- и ИК-излучения) можно зарегистрировать фотоприемником или тепловым приемником, принцип действия которых в корне различный.
Действие фотоприемников основано на внешнем или внутреннем фотоэффекте. Чувствительность фотоприемников сильно зависит от длины волны, поэтому они не подходят для даннойработы.Рассмотрим принцип действия теплового приемника. Приемником может служитьлюбое тело, хорошо поглощающее падающее на него излучение, например, покрытая сажейметаллическая пластинка. При отсутствии излучения пластинка (далее, приемник) имееттемпературу окружающей среды t0 (в данном случае - комнатную температуру). При включении источника постоянного излучения приемник начинает нагреваться, и через некотороевремя его температура достигает постоянной величины t, при которой имеет место динамическое равновесие: за одинаковое время приемник поглощает столько же энергии, сколько иотдает в результате теплопередачи к более холодным окружающим телам.
Приращение температуры ∆t = t – t0 при малых ∆t пропорционально поглощенному потоку излучения. Дляизмерения ∆t применяют термометр сопротивления или термопару.T2хромельбT1медьбакопельT2Рис. 4мВ7Термопара (термоэлемент) состоит из двух соединенных между собой разнородныхметаллических проводников. Типичная термопара, состоящая из двух специально подобранных сплавов – хромеля и копеля, показана на рис. 4. Двумя медными проводниками термопара соединена с чувствительным вольтметром. Контакт а хромеля и копеля имеет измеряемую температуру T1, а контакты б-б с медными проводами поддерживаются при постояннойизвестной температуре T2.Действие термопары основано на эффекте Зеебека: при различной температуре спаевa и б в цепи возникает термоЭДС, величина которой зависит только от температур горячегоT1 и холодного T2 контактов и от материалов проводников.
В небольшом интервале температур (примерно 100 К) термоЭДСU=β⋅(T1 - T2).Коэффициент β зависит от материалов проводников и интервала температур. Для пары хромель-копель при комнатной температуре β = 62 мкВ/К.В случае малой разности температур несколько термопар включают последовательнодля увеличения термоЭДС.
В этом случае термоэлемент называют термостолбиком.Лабораторная установка содержит источник теплового излучения, тепловой приемники измерительные приборы. Основные элементы установки схематически показаны на рис. 5.6оС75432198мВРис. 5Макетом АЧТ служит печь 1 с электрическим нагревателем 2 (показан точками) и теплоизоляцией 3. Излучение выходит из небольшого отверстия 6. Температуру внутри печиизмеряют с помощью термопары 4 и цифрового измерительного прибора 5.
Горячий контакттермопары, расположенный внутри печи, имеет измеряемую температуру T, а холодный контакт поддерживается при комнатной температуре, которую можно принять равной T0 = 295 К(22 oС). Цифровой измерительный прибор 5 показывает разностную температуру ∆T =T–T0 вградусах Цельсия. Таким образом, абсолютная температура излучателя в кельвинах равнаT = 295 + ∆T.Тепловым приемником служит термостолбик 7 из двенадцати последовательно включенных хромель–копелевых термопар (на рисунке для простоты показана только одна) ицифрового милливольтметра 8.
Излучение падает на одну группу контактов («горячую»)термостолбика, покрытых сажей для лучшего поглощения излучения. Холодные контактыпогружены в воскообразное вещество для поддержания их температуры неизменной и близкой к комнатной температуре. Приемник помещен в пластмассовый теплоизолирующий корпус 9 с небольшим отверстием, закрытым тонким листочком слюды. Слюда прозрачна дляизлучения и защищает приемник от горячего воздуха, выходящего из печи.Рассмотрим методику проверки закона Стефана-Больцмана.
При комнатной температуре T0 печи оба контакта термостолбика (приемника) также имеют комнатную температуру,8а термоЭДС термостолбика равна нулю. Если излучатель нагреть до температуры T, то потокизлучения возрастет на величину∆Ф = Ф – Ф0 = S⋅σ⋅T 4 - S⋅σ⋅T04 = Sσ⋅ (T4 –T04),где S – площадь отверстия печи. При этом приемник нагреется на величину ∆t, а подключенный к термостолбику прибор покажет термоЭДС U. Измеряемой величиной в данном опытеявляется приращение потока при увеличении температуры от комнатной T0 до температурыT.
Специальный опыт (калибровка) показал, что термоЭДС пропорциональна приращениюпотока излучения(6)U = γ∆Ф =γSσ (T4 –T04),где γ - коэффициент пропорциональности.В опыте необходимо измерить U при различной температуре излучателя T и построить графическую зависимость U от величины T4 –T04. Если зависимость получится линейной,то опыт согласуется с законом Стефана-Больцмана.Вместо напряжения на графике можно отложить пропорциональную напряжению величину ∆Ф, выраженную в относительных единицах:(7)∆Ф, отн. ед. = U /Uмакс ,где Uмакс – напряжение термостолбика при максимальной температуре излучателя.
При этоммаксимальное приращение потока принято за единицу: ∆Фмакс = 1.Порядок выполнения работыУказания мер безопасности.Перед началом работы необходимо убедиться, что измерительный блок и блок печизаземлены. Клеммы заземления расположены на задней панели.Категорически запрещается нагрев печи до температуры свыше 850 оС и работа установки без надзора.Не допускается перекрывание вентиляционных отверстий, находящихся на крышкеизмерительного устройства и блока печи.Задание 1.
Ознакомиться с установкойЛабораторная установка (ФПК–11) для изучения закона Стефана – Больцмана состоитиз двух блоков, соединенных кабелями. Один блок содержит излучатель и приемник (далее,блок излучателя), другой – измерительное устройство. Внешний вид блока излучателя показан схематически на рис. 6. В нем находятся: модель абсолютно черного тела (печь) с нагре1234Рис. 6вательным устройством и теплозащитной оболочкой, которую можно обдувать встроеннымвентилятором; термопара для измерения температуры внутри печи; регулируемый источникпитания, предназначенный для разогревания печи до температуры 800 оС и регулированияскорости нагрева.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
