Svrha rada

Upoznavanje s metodologijom za pokuse kako bi se odredio stupanj crne površine tijela.

Razvoj eksperimentalnih vještina.

Zadatak

Odredite stupanj crne ε i koeficijent zračenja s površine 2 različitih materijala (obojeni bakar i polirani čelik).

Postavite ovisnost promjena u stupnju crne na površinskoj temperaturi.

Usporedite vrijednost stupnja crnog obojenog bakra i poliranog čelika među sobom.

Teorijska uprava

Toplinsko zračenje je proces prijenosa toplinske energije pomoću elektromagnetskih valova. Količina topline koja se prenosi zračenjem ovisi o svojstvima tijela za emitiranje i njegovoj temperaturi i ne ovisi o temperaturi okolnih tijela.

U općem slučaju, toplinski tok pada na tijelo djelomično se apsorbira, djelomično odražava i djelomično prolazi kroz tijelo (sl. 1.1).

Sl. 1.1. Shema distribucije energije

(2)

gdje - toplinski protok pada na tijelo,

- količina topline koju tijelo apsorbira,

- količina topline koju odražava tijelo,

- količina topline koja prolazi kroz tijelo.

Podijelimo desne i lijeve dijelove na toplinskom tijeku:

Vrijednost
poziva se: apsorbirajuća, reflektirajuća i tjelesna promjena kapaciteta.

Ako a
T.
, Cijeli toplinski tok pada na tijelo se apsorbira. Takvo se tijelo naziva apsolutno crno .

Tijela
,
oni. Cijeli toplinski protok koji pada na tijelo odražava se od njega, nazvan bijeli . U isto vrijeme, ako se odraz od površine podliježe zakonima tijela optike zrcaljen - ako je difuzno odraz – apsolutno bijelo .

Tijela
,
oni. Cijeli termalni tok pada na tijelo prolazi kroz njega, nazvan dijatermički ili apsolutno transparentan .

U prirodi nema apsolutnih tijela, ali koncept takvih tijela je vrlo koristan, osobito o apsolutno crno tijelo, budući da su zakoni koji ga kontroliraju zračenjem posebno jednostavni, jer se nikakvo zračenje ne odražava od njegove površine.

Osim toga, koncept apsolutno crnih tijela omogućuje dokazivanje da ne postoje takva tijela u prirodi koja emitiraju više topline od crne.

Na primjer, u skladu sa zakonom Kirchhoffa, omjer emisije tijela i kapacitet apsorpcije jednako za sva tijela i ovisi samo o temperaturi, za sva tijela, uključujući apsolutno crnu, na određenoj temperaturi:

(3)

Od apsorpcijske sposobnosti apsolutno crnih tijela
ali i itd Uvijek manje od 1, a zatim iz zakona Kirchhoffa slijedi da je maksimalna sposobnost zračenja ima apsolutno crno tijelo. Budući da u prirodi nema apsolutno crnih tijela, uveden je koncept sivog tijela, njegov stupanj crne ε, koji je omjer zračenja sposobnosti sivih i apsolutno crnih tijela:

Prateći zakon Kirchhoffa i razmatrajući to
može se snimiti
iz
oni , Stupanj crne karakterizira i relativnu emisivnost i sposobnost apsorpcije tijela , Glavna moć zračenja koja odražava ovisnost intenziteta zračenja
pozvan na ovaj raspon valnih duljina (monokromatsko zračenje) je zakon daske.

(4)

gdje - valna duljina, [m];

;

i - prva i druga redovita daska.

Na sl. 1.2 Ova jednadžba je predstavljena grafički.

Sl. 1.2. Grafički prikaz zakon o dasci

Kao što se može vidjeti iz grafikona, apsolutno crno tijelo zrači na bilo kojoj temperaturi u širokom rasponu valnih duljina. Uz sve veću temperaturu, maksimalni intenzitet zračenja pomiče prema kraćim valovima. Ovaj fenomen je opisan zakonom vina:

Gdje
- valna duljina koja odgovara maksimumu intenziteta zračenja.

Na vrijednostima
umjesto Planckovog prava, moguće je primijeniti zakon relejnih traperica, koji također nosi ime "dugačka valna duljina":

(6)

Intenzitet zračenja pripisuje se cijelom intervalu valne duljine od
prije
(Integralno zračenje), može se odrediti iz plana plana integriranjem:

gdje - koeficijent zračenja apsolutno crno tijelo. Izraz se naziva Staen-Boltzmann zakon, koji je osnovan Boltzmannom. Za sive tijela, zakon Stefan-Boltzmana je napisan u obliku:

(8)

- Maudiv siva sposobnost tijela. Prijenos topline određuje se zračenjem između dvije površine na temelju Stephen-Boltzmann zakona i ima oblik:

(9)

Ako a
, zatim stupanj crnine postaje jednak stupnju površinske crne ,
, Ova okolnost temelji se na metodi određivanja su sposobnosti zračenja i stupnju crnih tijela koja imaju manje veličine u usporedbi s tijelima koja se razmjenjuju s zrakom energije

(10)

(11)

Kao što se može vidjeti iz formule, određivanje stupnja crne i radijalne sposobnosti IZsivo tijelo treba znati temperaturu površine testno tijelo, temperatura okoliš i blistav toplinski tok iz površine tijela
, Temperatura i može se mjeriti poznatim metodama. A zračenje toplinske struje određuje se iz sljedećih razmatranja.

Propagiranje topline s površine tijela u okolni prostor posljedica je zračenja i prijenosa topline na slobodnom konvekciji. Puni tok iz površine tijela, tako će biti jednak:

Iz!
;

- konvektivna komponenta toplinskog toka, koji se može odrediti zakonom Newton Richmana:

(12)

Zauzvrat, koeficijent prijenosa topline može se odrediti iz izraza:

(13)

odluka temperatura u ovim izrazima je temperatura graničnog sloja:

Sl. 2 Eksperimentalna shema instalacije

Legenda:

In-prekidač;

P1, P2 - regulatori napona;

Pw1, pw2 - metara snage (wattmeers);

NE1, NE2 - grijaći elementi;

IT1, IT2 - Mjerila temperature;

T1, T2, itd. - termoparovi.

Agencija za obrazovanje

Državna obrazovna institucija više

Strukovno obrazovanje

"Sveučilište u državnom energijom Ivanovo

Nazvan po vi Lenin "

Odjel za teorijske temelje toplinskog inženjerstva

Određivanje cjelovitih stupnjeva čvrstog crnog

Metodičke upute za laboratorijski rad

Ivanovo 2006.

Sastavljači V.V. Bukhimirov

ONI. Sozinov

Urednik D.V. Rakutina

Metodične upute namijenjene su studentima koji studiraju u specijalitetima profila toplinskog inženjerstva 140101, 140103, 140104, 140106, 140106 i 220301 i proučavajući tečaj "izmjena topline i topline" ili "toplinski inženjering".

Metodičke upute sadrže opis eksperimentalne instalacije, metodologiju za provođenje eksperimenta, kao i izračunatih formula potrebnih za obradu rezultata iskustva.

Metodičke upute odobrene od ciklusa metodičke provizije TEF-a.

Recenzent

odjel za teorijske osnove toplinskog inženjerstva Ivanovo Državni energetski sveučilište

1. zadatak

1. Eksperimentalno odredite sastavni stupanj crne tanke volfram niti.

2. Usporedite rezultate eksperimenta s referentnim podacima.

2. Kratke informacije iz teorije razmjene topline zračenja

Toplinsko zračenje (izmjena topline radijacije) je metoda prijenosa topline u prostoru, provedena kao rezultat širenja elektromagnetskih valova, čiji je energija kada u interakciji s tvari prelazi u toplinu. Razmjena topline zračenja povezana je s dvostrukom konverzijom energije: u početku, unutarnja energija tijela pretvara se u energiju elektromagnetskog zračenja, a zatim nakon prijenosa energije u svemirskim elektromagnetskim valovima, drugi prijelaz zračenju dolazi u unutarnji energetski tijelo.

Toplinsko zračenje tvari ovisi o tjelesnoj temperaturi (stupanj zagrijanosti tvari).

Energija toplinskog zračenja pada na tijelo može se apsorbirati, odražavati tijelo ili proći kroz njega. Tijelo apsorbira cijelu inkluzivnu energiju koja pada na njega, nazovite apsolutno crno tijelo (djelovanje). Imajte na umu da na ovoj temperaturi djela i zrači maksimalnu moguću količinu energije.

Gustoća potoka vlastitog zračenja tijela sposobnost lamezepetiranja. Ovaj parametar zračenja unutar elementarnog dijela valnih duljina naziva se spektralni gustoća protoka vlastitog zračenje ili spektralno tijelo difuzno tijelo. Kapacitet za difuziju, ovisno o temperaturi, podliježe zakon Stephen Boltzmann:

, (1)

gdje je 0 \u003d 5,67 € 10 -8 w / (m 2 k 4) je konstantan Stephen-Boltzmann; \u003d 5.67 w / (m 2 k 4) - koeficijent zračenja apsolutno crno tijelo; T - površinska temperatura apsolutno crnog tijela, K.

Apsolutno crna tijela u prirodi ne postoje. Tijelo čiji je zračni spektar sličan emisijskom spektru apsolutno crno tijelo i spektralnoj gustoći toka zračenja (E) je isti udio   na spektralnoj gustoći gustoće emisije apsolutno crno tijelo (E 0, ), nazvan siv tel:

, (2)

gdje je   je spektralni stupanj crne.

Nakon integriranja izraza (2) u cijeloj emisijskoj spektru (
) Dobit ćemo:

, (3)

gdje je E sposobnost bodovanja sivog tijela; E 0 je sposobnost raspršivanja djela; - integralni stupanj crne u sivom tijelu.

Iz posljednje formule (3), uzimajući u obzir Stefan-Boltzmannov zakon, izraz bi trebao biti izraz za izračunavanje gustoće protoka eigen zračenja (difuzno sposobnosti) sivog tijela:

gdje
- koeficijent zračenja sivog tijela, w / (m2 k 4); T - Temperatura tijela, K.

Vrijednost cjelokupnog stupnja crne ovisi o fizičkim svojstvima tijela, njegove temperature i površine hrapavosti tijela. Integralni stupanj crne se određuje eksperimentalno.

U laboratorijskom radu nalazi se sastavni stupanj crnog volframa, istražujući zračenje izmjenu topline između grijane volframske niti (tijelo 1) i zidove staklenog cilindra (tijelo 2) napunjeno vodom (sl. 1).

Sl. 1. Dijagram izmjene topline zračenja u eksperimentu:

1 - grijana konac; 2 - unutarnja površina staklenog cilindra; 3 - voda

Dobiveni toplinski tok dobiven staklenim cilindrom može se izračunati formulom:

, (6)

gdje je  PR je stupanj crne u sustavu dvaju tijela;  1 i  2 - integralni stupnjevi crnine prvog i drugog tijela; T 1 i T 2, F 1 ako 2 - apsolutne temperature i površine izmjene topline prvog i drugog tijela; ,

Korištenje svojstava kutnih koeficijenata je lako to pokazati
, ali
, Zamjena vrijednosti kutnih koeficijenata u formuli (6), dobivamo

. (7)

Budući da je površina volframske niti (tijelo 1) mnogo manje od područja okolne ljuske (tijelo 2), tada kutni koeficijent  21 ima tendenciju na nulu:

F 1 F 2
 21 \u003d F 1 / F 2 0 ili
. (8)

Uzimajući u obzir potonji povlačenje iz formule (7), slijedi da smanjeni stupanj crnog sustava dvaju tijela prikazanih na Sl. 1 se određuje samo svojstva zračenja površine niti:

 PR 1 ili
. (9)

U tom slučaju, formula za izračunavanje rezultirajućeg toplinskog toka koje percipira stakleni cilindar s vodom uzima oblik:

slijedi izraz kako bi se odredio sastavni stupanj crne volfram niti:

, (11)

gdje
- površinski prostor volfram nit: di - Promjer i dužina navoja.

Koeficijent zračenja volframskih niti izračunava se prema očiglednoj formuli:

. (12)

Planck zakon. Intenzitet zračenja apsolutno crno tijelo i SL i bilo koje pravo tijelo ovisim o valnoj duljini.

Apsolutno crno tijelo s ovim jede zrake svih valnih duljina il \u003d 0 do l \u003d ¥. Ako je na neki način odvojite zrake s različitim valnim duljinama jedni od drugih i izmjerite energiju svake grede, ispada da je distribucija energije duž spektra različita.

Kako se valna duljina povećava, energija zračenja se povećava, na određenoj duljini, val doseže maksimum, a zatim se smanjuje. Osim toga, za snop iste valne duljine, njegova energija se povećava s povećanjem tijela koje emitira zrake (sl. 11.1).

Planke je uspostavio sljedeći zakon promjene intenziteta emisije apsolutno crno tijelo ovisno o i valnoj duljini:

I Sl \u003d C1L-5 / (E C / (l t) - 1), (11.5)

Zamjena u jednadžbu (11.7) Zakon od daske i integriranja iz l \u003d 0 na l \u003d ¥, smatramo da je integralno zračenje (toplinski protok) apsolutno crno tijelo izravno proporcionalan četvrtom stupnju apsolutnog (Stephen -Boltzmann zakon).

E \u003d c (t / 100) 4, (11.8)

gdje sa s \u003d 5,67 W / (m 2 * K 4) - koeficijent zračenja apsolutno crno tijelo

Značajka na Sl. 11.1. Količina energije koja odgovara svjetlomnom dijelu spektra (0,4-0,8 mk) nije teško primijetiti da je vrlo mala za nisku u usporedbi s energijom integralnog zračenja. Samo na suncu ~ 6000K, energija svjetlosnih zraka je oko 50% od cijele energije crnog zračenja.

Sva prava tijela koja se koriste u tehnici nisu apsolutno crne i istovremeno emitiraju manje energije nego apsolutno crno tijelo. Zračenje pravih tijela također ovisi o valnoj duljini. Da bi se zakoni zračenja crnog tijela mogu primijeniti na stvarna tijela, uveden je koncept tijela i zračenja. Pod zračenjem, shvatio je kao takav, što je slično zračenju crnog tijela ima solidan spektar, ali intenzitet zraka za svaku valnu duljinu koju sam s bilo kojim predstavlja stalni udio intenziteta emitiranja Crno tijelo I SL, tj Postoji odnos:

I l / i sl \u003d e \u003d const. (11.9)

Vrijednost E naziva se stupanj crne. To ovisi o fizičkim svojstvima tijela. Stupanj crnih tijela uvijek manje od jednog.

Kirchhoff zakon. Za svako tijelo, zračenje i apsorpcijske sposobnosti ovise o i valnoj duljini. Različita tijela imaju različita značenja E i A. Ovisnost između njih utvrđuje se zakon o Circhoff:

E \u003d e s * a ili e / a \u003d e \u003d e / a s \u003d c s * (t / 100) 4. (11.11)

Odnos slobodne sposobnosti tijela (e) prema njegovoj vlaksi sposobnosti štednje (a) jednako je za sva tijela koja su na istoj i jednaku sposobnost raspršivanja apsolutno crnog tijela s istim.

Iz zakona Kirchhoffa slijedi da ako tijelo ima mali kapacitet apsorpcije, istovremeno posjeduje i nisku sposobnost naginja (polirana). Apsolutno crno tijelo, koje ima maksimalni kapacitet apsorpcije, ima najveću sposobnost radijaka.

Zakon Kirchhoge ostaje pošteno za monokromatsko zračenje. Omjer intenziteta zračenja tijela na određenoj valnoj duljini na njegovu apsorpcijsku sposobnost na istoj valnoj duljini za sva tijela je ista ako su s istim i numerički jednakim intenzitetu emisije apsolutno crnih tijela na istu valnu duljinu i, tj To je funkcija samo valna duljina i:

E l / a l \u003d i l / a l \u003d e sl \u003d i sl \u003d f (l, t). (11.12)

Stoga, tijelo koje emitira energiju na nekoj valnoj duljini može ga apsorbirati na istoj valnoj duljini. Ako tijelo ne apsorbira energiju u neki dio spektra, onda ne radi u ovom dijelu spektra.

Iz zakona Kirchhoff, također slijedi da je stupanj crnile tijela e s istom numerički jednakom koeficijentu apsorpcije a:

e \u003d i l / i sl \u003d e / e sl \u003d c / cl \u003d A. (11.13)

Lambert zakon. Bulk zrači zračenju širi u prostoru u raznim smjerovima s različitim intenzitetom. Zakon utvrđuje ovisnost intenziteta zračenja iz smjera se naziva Lambert Zakon.

Lambert zakon utvrđuje da je količina zračenja energije emitiranog elementom površine DF 1 u smjeru elementa DF 2 proporcionalna produktu količine energije emitira u skladu s normalnim DQ N, veličinom Prostorni kut DC-a i troškova, sastavljen od smjera zračenja s normalnim (Sl. 11.2):

d 2 q n \u003d dq n * dw * cosj. (11.14)

Slijedom toga, najveća količina zračenja emitira se u okomitu smjeru na površinu zračenja, tj., Na (J \u003d 0). Uz povećanje J, količina zračenja energije se smanjuje i je nula na J \u003d 90 °. Lambertski zakon je u potpunosti pošteno za apsolutno crne tijela i za tijela s difuznim zračenjem na J \u003d 0 - 60 °.

Za polirane površine, Lambert Zakon nije primjenjiv. Za njih, zračenje s j bit će veće nego u smjeru, normalno na površinu.