Scopo del lavoro

Conoscenza con la metodologia per gli esperimenti per determinare il grado di superficie nera del corpo.

Sviluppo di abilità sperimentali.

L'obiettivo

Determinare il grado di nero ε e il coefficiente di radiazione dalle superfici di 2 diversi materiali (rame verniciato e acciaio lucido).

Impostare la dipendenza dei cambiamenti nel grado di nero sulla temperatura della superficie.

Confronta il valore del grado di nero di rame verniciato e acciaio lucido tra loro.

Amministrazione teorica

La radiazione termica è il processo di trasferimento dell'energia termica mediante onde elettromagnetiche. La quantità di calore trasmessa dalla radiazione dipende dalle proprietà del corpo emettimento e dalla sua temperatura e non dipende dalla temperatura dei corpi circostanti.

Nel caso generale, il flusso termico che cade sul corpo è parzialmente assorbito, parzialmente riflesso e parzialmente passa attraverso il corpo (Fig. 1.1).

Fico. 1.1. Schema di distribuzione di energia radiante

(2)

dove - Flusso di calore che cade sul corpo,

- la quantità di calore assorbita dal corpo,

- la quantità di calore riflessa dal corpo,

- la quantità di calore che passa attraverso il corpo.

Dividiamo le parti giuste e sinistra sul flusso di calore:

Valori
si chiama rispettivamente: capacità di trasduzione assorbente, riflettente e del corpo.

Se un
T.
. L'intero flusso di calore che cade sul corpo viene assorbito. Un tale corpo è chiamato assolutamente nero .

Corpi che.
,
quelli. L'intero flusso termico che cade sul corpo si riflette da esso, chiamato bianca . Allo stesso tempo, se si chiama il riflesso dalla superficie soggetto alle leggi dell'ottica del corpo rispecchiato - Se la riflessione diffusa – assolutamente bianco .

Corpi che.
,
quelli. L'intero flusso termico che cade sul corpo passa attraverso di esso, chiamato diatermico o assolutamente trasparente .

Non ci sono organismi assoluti in natura, ma il concetto di tali corpi è molto utile, specialmente sul corpo assolutamente nero, poiché le leggi che lo controllano con radiazioni sono particolarmente semplici, perché nessuna radiazione si riflette dalla sua superficie.

Inoltre, il concetto di corpi assolutamente neri consente di dimostrare che non ci sono organismi di genere in natura che emettono più calore del nero.

Ad esempio, in conformità con la legge del Kirchhoff, il rapporto tra l'emissività del corpo e la sua capacità di assorbimento allo stesso modo per tutti i corpi e dipende solo dalla temperatura, per tutti i corpi, incluso assolutamente nero, a una determinata temperatura:

(3)

Dalla capacità di assorbimento dei corpi assolutamente neri
ma e eccetera. Sempre meno di 1, quindi dalla legge di Kirchhoff ne consegue che la massima abilità radiativa ha un corpo assolutamente nero. Dal momento che non ci sono corpi assolutamente neri in natura, viene introdotto il concetto di corpo grigio, il suo grado di nero ε, che è il rapporto tra la capacità radiativa dei corpi grigi e assolutamente neri:

Seguendo la legge di Kirchhoff e considerando questo
può essere registrato
a partire dal
quegli. . Il grado di nero caratterizza sia l'emissività relativa che la capacità di assorbimento del corpo . Il principale potere di radiazione che riflette la dipendenza dell'intensità delle radiazioni
chiamato a questa gamma di lunghezze d'onda (radiazione monocromatica) è la legge di una tavola.

(4)

dove - lunghezza d'onda, [m];

;

e - La prima e la seconda tavola normale.

In fig. 1.2 Questa equazione è rappresentata graficamente.

Fico. 1.2. Presentazione grafica della legge sulla plancia

Come si può vedere dal grafico, il corpo assolutamente nero irradia a qualsiasi temperatura in una vasta gamma di lunghezze d'onda. Con la temperatura crescente, l'intensità della radiazione massima si sposta verso onde più brevi. Questo fenomeno è descritto dalla legge del vino:

Dove
- La lunghezza d'onda corrispondente al massimo dell'intensità delle radiazioni.

A valori
invece del diritto di Planck, è possibile applicare la legge dei jeans relè, che indossa anche il nome "Lunga lunghezza della lunghezza d'onda":

(6)

L'intensità delle radiazioni attribuita all'intero intervallo di lunghezza d'onda da
prima
(Radiazione integrale), può essere determinata dal piano del piano integrando:

dove - il coefficiente di radiazione del corpo assolutamente nero. L'espressione è chiamata la legge STAEN-BOLTZMANN, creata da Boltzmann. Per i corpi grigi, la legge di Stefan-Boltzmanna è scritta nella forma:

(8)

- Abilità del corpo grigio maudite. Il trasferimento di calore è determinato dalla radiazione tra le due superfici sulla base della legge Stephen-Boltzmann e ha la forma:

(9)

Se un
, quindi il grado di oscurità diventa uguale al grado di superficie del nero .
. Questa circostanza si basa sul metodo per determinare la capacità radiativa e il grado di corpi neri che hanno dimensioni minori rispetto ai corpi che vengono scambiati con un'energia radiante

(10)

(11)

Come si può vedere dalla formula, determinazione del grado di abilità nera e radiativa A PARTIRE DALil corpo grigio ha bisogno di conoscere la temperatura della superficie test corpo, temperatura ambiente e flusso termico radiante dalla superficie corporea
. Temperatura e può essere misurato da metodi noti. E il flusso termico radiante è determinato dalle seguenti considerazioni.

La propagazione del calore dalla superficie dei corpi nello spazio circostante è dovuta a radiazioni e trasferimento di calore in libera convezione. Flusso completo dalla superficie del corpo, quindi sarà uguale a:

A partire dal!
;

- Componente convettivo del flusso di calore, che può essere determinato dalla legge di Newton Richmana:

(12)

A sua volta, il coefficiente di trasferimento del calore può essere determinato dall'espressione:

(13)

la temperatura decisiva in queste espressioni è la temperatura dello strato di Borderline:

Fico. 2 Schema di installazione sperimentale

Leggenda:

IN - Switch;

P1, P2 - Regolatori di tensione;

PW1, PW2 - Contatori di potenza (WattMeter);

Ne1, ne2 - elementi riscaldanti;

IT1, IT2 - Contatori di temperatura;

T1, T2, ecc. - Termocoppie.

Agenzia federale dell'istruzione

Istituto educativo di stato superiore

Formazione professionale

"Ivanovo State Energy University

Intitolato VI. Lenin "

Dipartimento di fondazioni teoriche di ingegneria termica

Determinazione del grado integrale di nero solido

Istruzioni metodiche per lavori di laboratorio

Ivanovo 2006.

Compilatori v.V. Bukhimirov.

Quelli. Sozinov.

Editor D.V. Racutina.

Le istruzioni metodiche sono progettate per gli studenti che studiano nelle specialità del profilo di ingegneria termica 140101, 140103, 140104, 140106 e 220301 e studiando il corso "Calore e scambio termico" o "ingegneria termica".

Le istruzioni metodiche contengono una descrizione dell'installazione sperimentale, la metodologia per condurre l'esperimento, nonché le formule calcolate necessarie per elaborare i risultati dell'esperienza.

Istruzioni metodiche approvate dalla commissione metodica del ciclo del TEF.

Recensore

dipartimento dei fondamentali teorici di ingegneria termica Ivanovo Energy University

1. Compito

1. Determinare sperimentalmente il grado integrale di filo tungsteno sottile nero.

2. Confrontare i risultati dell'esperimento con i dati di riferimento.

2. Brevi informazioni dalla teoria dello scambio di calore delle radiazioni

La radiazione termica (scambio di calore delle radiazioni) è un metodo di trasferimento del calore nello spazio, effettuato a causa della propagazione delle onde elettromagnetiche, l'energia dei quali quando interagire con la sostanza entra in calore. Lo scambio di calore delle radiazioni è associato a una doppia conversione di energia: inizialmente, l'energia interna del corpo si trasforma nell'energia di radiazione elettromagnetica, e poi dopo aver trasferito l'energia nelle onde elettromagnetiche spaziali, la seconda transizione di energia radiante si verifica nell'energico interno corpo.

La radiazione termica della sostanza dipende dalla temperatura corporea (grado di riscaldamento della sostanza).

L'energia della radiazione termica che cade sul corpo può essere assorbita, riflettere il corpo o passare attraverso di esso. Il corpo che assorbe l'intera energia inclusiva che cade su di esso, chiamare un corpo assolutamente nero (atto). Si noti che a questa temperatura dell'atto e irradia la massima quantità di energia possibile.

La densità del flusso della sua stessa radiazione del corpo è chiamata capacità di lapesificazione. Questo parametro di radiazione all'interno della sezione elementare delle lunghezze d'onda è chiamata spettrale densità di flusso del proprio corpo di diffusione del corpo spettrale o del corpo spettrale. La capacità di diffusione dell'atto, a seconda della temperatura, è soggetta alla legge di Stephen Boltzmann:

, (1)

dove  0 \u003d 5,67 € 10 -8 w / (m 2 k 4) è il costante Stephen-Boltzmann; \u003d 5,67 W / (m 2 k 4) - il coefficiente di radiazione del corpo assolutamente nero; T - La temperatura superficiale del corpo assolutamente nero, K.

I corpi assolutamente neri nella natura non esistono. Il corpo di cui lo spettro di radiazioni è simile allo spettro di emissione del corpo assolutamente nero e la densità spettrale del flusso di radiazioni (E ) è la stessa quota   sulla densità spettrale del flusso di emissioni del corpo assolutamente nero (E 0, λ ), chiamato grigio tel:

, (2)

dove   è il grado spettrale del nero.

Dopo aver integrato l'espressione (2) in tutto lo spettro delle emissioni (
) Otterremo:

, (3)

dove E è la capacità di punteggio del corpo grigio; E 0 è la capacità di dispersione dell'atto;  - grado integrale di nero nel corpo grigio.

Dall'ultima formula (3), tenendo conto della legge di Stefan-Boltzmann, un'espressione dovrebbe essere un'espressione per il calcolo della densità del flusso di radiazioni di Eigen (capacità diffondendo) del corpo grigio:

dove
- il coefficiente di radiazione del corpo grigio, w / (m 2 k 4); T - Temperatura del corpo, K.

Il valore del grado integrale del nero dipende dalle proprietà fisiche del corpo, dalla sua temperatura e dalla ruvidità superficiale del corpo. Il grado integrale del nero è determinato sperimentalmente.

Nel lavoro di laboratorio, si trova il grado integrale del tungsteno nero, esplorando lo scambio di calore radiante tra il filo del tungsteno riscaldato (corpo 1) e le pareti del cilindro di vetro (corpo 2) riempito con acqua (Fig. 1).

Fico. 1. Diagramma dello scambio di calore delle radiazioni nell'esperimento:

1 - Filo riscaldato; 2 - La superficie interna del cilindro di vetro; 3 - Acqua

Il flusso termico risultante ottenuto da un cilindro di vetro può essere calcolato dalla formula:

, (6)

dove  PR è il grado di nero nel sistema di due corpi;  1 e  2 - gradi integrali dell'oscurità del primo e del secondo corpo; T 1 e T 2, F 1 Se 2 - temperature assolute e aree superficiali dello scambio di calore del primo e del secondo corpo;  12 e 21 - coefficienti di radiazione angolari, che mostrano quale percentuale di energia di radiazione emisferica cade da un corpo all'altro .

L'uso delle proprietà dei coefficienti angolari è facile da mostrare
, ma
. Sostituendo i valori dei coefficienti angolari in Formula (6), otteniamo

. (7)

Dal momento che la superficie di un filo di tungsteno (corpo 1) è molto inferiore alla zona del suo guscio circostante (corpo 2), quindi il coefficiente angolare  21 tende a zero:

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

Tenendo conto di quest'ultimo ritiro dalla formula (7), ne consegue che il grado ridotto del sistema nero dei due corpi raffigurati in FIG. 1 è determinato solo dalle proprietà di radiazione della superficie del filo:

 PR 1 o
. (9)

In questo caso, la formula per il calcolo del flusso di calore risultante percepito da un cilindro di vetro con acqua prende il modulo:

segue l'espressione per determinare il grado integrale di filo di tungsteno nero:

, (11)

dove
- Thread del tungsteno della superficie: di - Diametro e lunghezza del filo.

Il coefficiente di radiazione dei fili di tungsteno è calcolato in base alla formula ovvia:

. (12)

Legge di Planck. L'intensità delle radiazioni del corpo assolutamente nero I SL e qualsiasi corpo reale che dipendono dalla lunghezza d'onda.

Assolutamente il corpo nero con questo mangia i raggi di tutte le lunghezze d'onda IL \u003d 0 a L \u003d ¥. Se è in qualche modo per separare i raggi con diverse lunghezze d'onda, l'una dall'altra e misurare l'energia di ogni raggio, si scopre che la distribuzione dell'energia lungo lo spettro è diversa.

Mentre la lunghezza d'onda aumenta, l'energia dei raggi aumenta, ad una certa lunghezza, l'onda raggiunge il massimo, quindi diminuisce. Inoltre, per il raggio della stessa lunghezza d'onda, la sua energia aumenta con un aumento del corpo che emette i raggi (Fig. 11.1).

Il Planke ha stabilito la seguente legge di cambiare l'intensità dell'emissione del corpo assolutamente nero a seconda della lunghezza d'onda:

I sl \u003d c 1 l -5 / (e c / (l t) - 1), (11.5)

Sostituire in equazione (11.7) La legge della plancia e integrando da L \u003d da 0 a l \u003d ¥, scopriamo che la radiazione integrale (flusso termico) di un corpo assolutamente nero è direttamente proporzionale al quarto grado del suo assoluto (Stephen -Boboltzmann legge).

E S \u003d C (T / 100) 4, (11.8)

dove con s \u003d 5,67 w / (m 2 * k 4) - il coefficiente di radiazione del corpo assolutamente nero

Notando in Fig. 11.1. La quantità di energia corrispondente alla parte luminosa dello spettro (0,4-0,8 mk) non è difficile da notare che è molto piccolo per il basso rispetto all'energia di radiazione integrale. Solo al sole ~ 6000K, l'energia dei raggi luminosi è di circa il 50% dell'intera energia di radiazione nera.

Tutti i corpi reali usati nella tecnica non sono assolutamente neri e allo stesso tempo emettono meno energia del corpo assolutamente nero. Anche la radiazione dei corpi reali dipende anche dalla lunghezza d'onda. Affinché le leggi delle radiazioni del corpo nero possano essere applicate a organismi reali, viene introdotto il concetto di corpo e radiazione. Sotto la radiazione, è inteso come tale, che è simile alla radiazione del corpo nero ha uno spettro solido, ma l'intensità dei raggi per ogni lunghezza d'onda che ho con qualsiasi costituisce una quota costante dell'intensità dell'emissione del Body Black I SL, cioè C'è una relazione:

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

Il valore di E è chiamato il grado di nero. Dipende dalle proprietà fisiche del corpo. Il grado di corpi neri sempre meno di uno.

Kirchhoff Law. Per ogni corpo, abilità radiative e di assorbimento dipendono dalla lunghezza d'onda e dalla lunghezza d'onda. Vari organismi hanno significati diversi E e A. La dipendenza tra loro è stabilita dalla legge del circhoff:

E \u003d E S * A o E / A \u003d E S \u003d E S / A S \u003d C S * (T / 100) 4. (11.11)

Il rapporto tra la capacità del tempo libero del corpo (E) alla sua regola della capacità di risparmio (A) è ugualmente per tutti i corpi che sono allo stesso e uguale alla capacità di dispersione di un corpo assolutamente nero con lo stesso.

Dalla legge di Kirchhoff, ne consegue che se il corpo ha una piccola capacità di assorbimento, possiede simultaneamente sia a bassa capacità di inclinazione (lucidata). Corpo assolutamente nero, che ha la massima capacità di assorbimento, ha la massima abilità radiativa.

La legge di Kirchhoga rimane fiera per le radiazioni monocromatiche. Il rapporto tra l'intensità della radiazione del corpo a una certa lunghezza d'onda alla sua capacità di assorbimento alla stessa lunghezza d'onda per tutti i corpi è la stessa se sono con lo stesso, e numericamente uguale all'intensità dell'emissione di corpi assolutamente neri a la stessa lunghezza d'onda e, cioè È una funzione solo lunghezza d'onda e:

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

Pertanto, il corpo che emette energia ad una lunghezza d'onda è in grado di assorbirlo alla stessa lunghezza d'onda. Se il corpo non assorbe energia in una parte dello spettro, allora non si irradia in questa parte dello spettro.

Dalla legge di Kirchhoff, ne consegue anche che il grado di oscurità del corpo e con lo stesso numero uguale al coefficiente di assorbimento A:

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

Legge di lambert. L'energia radiante radiante sfusa si diffonde nello spazio in varie direzioni con intensità diversa. La legge stabilisce la dipendenza dell'intensità della radiazione dalla direzione è chiamata la legge del lambert.

La legge Lambert stabilisce che la quantità di energia radiante emessa dall'elemento della superficie DF 1 nella direzione dell'elemento DF 2 è proporzionale al prodotto della quantità di energia emessa in base alla normalità del DQ N, dalla dimensione del Angolo spaziale di DC e costo, composto dalla direzione delle radiazioni con il normale (Fig. 11.2):

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

Di conseguenza, la più grande quantità di energia radiante viene emessa nella direzione perpendicolare alla superficie delle radiazioni, cioè., AT (J \u003d 0). Con aumentare J, la quantità di energia radiante diminuisce ed è zero a J \u003d 90 °. La legge del lambert è completamente giusta per corpi assolutamente neri e per corpi con radiazioni diffuse a J \u003d 0 - 60 °.

Per superfici levigate, la legge Lambert non è applicabile. Per loro, la radiazione con J sarà maggiore che nella direzione, normale alla superficie.