Darbo tikslas

Pažintis su eksperimentų metodika nustatyti juodo kūno paviršiaus laipsnį.

Eksperimentinių įgūdžių ugdymas.

Užduotis

Nustatykite juodos ε laipsnį ir spinduliuotės koeficientą iš dviejų skirtingų medžiagų paviršių (dažyti vario ir poliruoto plieno).

Nustatykite priklausomybę nuo juodos paviršiaus temperatūros laipsnio.

Palyginkite dažytų vario ir poliruoto plieno juodos spalvos vertę tarpusavyje.

Teorinė administracija

Šiluminė spinduliuotė yra šiluminės energijos perdavimo elektromagnetinėmis bangomis procesas. Radiacinės šilumos kiekis priklauso nuo skleidžiančios kūno savybių ir jo temperatūros ir nepriklauso nuo aplinkinių kūnų temperatūros.

Bendru atveju, terminis srautas, patenka į kūną, yra iš dalies absorbuojamas, iš dalies atsispindi ir iš dalies eina per kūną (1.1 pav.).

Fig. 1.1. Radiant energijos paskirstymo schema

(2)

kur - šilumos srautas patenka į kūną,

- kūno sugeriamos šilumos kiekis, \\ t

- organizmo atsispindi šilumos kiekis, \\ t

- šilumos, einančių per kūną, kiekis.

Mes padaliname dešinę ir kairiąsias dalis ant šilumos srauto:

Vertybės
jis vadinamas atitinkamai: sugeria, atspindinčio ir kūno perdirbimo talpa.

Jeigu
T.
. Visas šilumos srautas patenka į kūną. Toks kūnas vadinamas absoliučiai juoda .

Kūnai
,
tie. Visas terminis srautas patenka į kūną, atsispindi iš jo, vadinamas balta. . Tuo pačiu metu, jei atspindys iš paviršiaus yra taikomi kūno optikos įstatymai yra vadinami veidrodinis - Jei difuzinis atspindys – absoliučiai balta .

Kūnai
,
tie. Visas terminis srautas krenta ant kūno eina per jį, vadinamas diatherminis arba visiškai skaidrus .

Nėra absoliutų kūnų, tačiau tokių įstaigų samprata yra labai naudinga, ypač apie visiškai juodą kūną, nes įstatymai, kurie jį kontroliuoja yra ypač paprasta, nes jokia spinduliuotė atsispindi iš jo paviršiaus.

Be to, absoliučiai juodųjų įstaigų koncepcija leidžia įrodyti, kad nėra tokių įstaigų gamtoje, kuri skleidžia daugiau šilumos nei juoda.

Pavyzdžiui, pagal Kirchhoffo įstatymą, kūno emisijos santykis ir jo absorbcijos pajėgumas vienodai visiems kūnams ir priklauso tik nuo temperatūros, visų kūnų, įskaitant visiškai juodą, tam tikroje temperatūroje:

(3)

Kadangi absoliučiai juodųjų kūnų absorbcijos pajėgumas
bet ir. \\ T ir tt Visada mažiau nei 1, tada nuo Kirchhoffo įstatymo matyti, kad maksimalus spinduliavimo gebėjimas jis turi visiškai juodą kūną. Kadangi nėra absoliučiai juodųjų kūnų pobūdžio, įvesta pilkos kėbulo sąvoka, juodos spalvos laipsnis, kuris yra pilkos ir visiškai juodųjų kūnų spinduliavimo gebėjimas:

Po Kirchhoffo įstatymo ir tai manydama
galima įrašyti
nuo.
tie . Juoda laipsnis apibūdina tiek santykinį galinį ir kūno įsisavinimo pajėgumą . Pagrindinė spinduliuotės galia, atspindinčioji spinduliuotės intensyvumo priklausomybę
Šio bangos ilgių (monochromatinės spinduliuotės) yra lentos įstatymas.

(4)

kur - bangos ilgis [m];

;

ir. \\ T - pirmoji ir antroji reguliari lenta.

Fig. 1.2 Ši lygtis yra grafiškai.

Fig. 1.2. Grafinis lentos teisės pristatymas

Kaip matyti iš grafiko, visiškai juoda kūnas spinduliuoja bet kokia temperatūra įvairiuose bangos ilgiuose. Didėjant temperatūrai, didžiausias spinduliuotės intensyvumas pereina prie trumpesnių bangų. Šis reiškinys apibūdinamas vyno įstatymu:

Kur
- bangos ilgis, atitinkantis didžiausią spinduliuotės intensyvumą.

Vertybėmis
vietoj PLANCK įstatymo galima taikyti relės-džinsų įstatymą, kuris taip pat nešioja pavadinimą "Long bangos ilgio įstatymas":

(6)

Spinduliavimo intensyvumas, priskirtas visam bangos ilgio intervalui
anksčiau
(neatskiriama spinduliuotė), galima nustatyti iš plano plano integruojant:

kur - absoliučiai juodos kūno spinduliavimo koeficientas. Išraiška vadinama Staen-Boltzmann įstatymu, kurį sukūrė Boltzmann. Pilka kūnai, Stefan-Boltzmanna įstatymas yra parašytas formoje:

(8)

- "Mudible Pilka" kūno sugebėjimas. Šilumos perdavimą lemia dviejų paviršių spinduliuotė remiantis Stephen-Boltzmann įstatymu ir turi formą:

(9)

Jeigu
, tada juodumo laipsnis tampa lygus juodos spalvos laipsniui .
. Ši aplinkybė grindžiama radijo gebėjimų nustatymo metodu ir juodųjų kūnų, turinčių nedidelius dydžius, laipsnį, palyginti su įstaigomis, kuriomis keičiamasi su spinduliuojančia energija

(10)

(11)

Kaip matyti iš formulės, juodos ir raditinės gebėjimų laipsnio nustatymas Nuo.pilkas kūnas turi žinoti paviršiaus temperatūrą bandymo korpusas, temperatūra aplinka ir spinduliavimo terminis srautas iš kūno paviršiaus
. Temperatūra ir. \\ T galima matuoti žinomais metodais. Ir spinduliavimo terminis srautas nustatomas iš šių aplinkybių.

Šilumos plitimas iš kūnų paviršiaus į aplinką yra dėl radiacijos ir šilumos perdavimo laisvoje konvekcijoje. Pilnas srautas nuo kūno paviršiaus, tai bus lygi:

Nuo!
;

- šilumos srauto konvekcinis komponentas, kurį galima nustatyti pagal Newton Richmana įstatymą:

(12)

Savo ruožtu, šilumos perdavimo koeficientas galima nustatyti iš žodžio:

(13)

lemiama temperatūra šiose išraiškose yra pasienio sluoksnio temperatūra:

Fig. 2 Eksperimentinės montavimo schema

Legenda:

Įjungti;

P1, P2 - įtampos reguliatoriai;

PW1, PW2 - Power Meters (Wattmeters);

Ne1, ne2 - šildymo elementai;

IT1, IT2 - temperatūros matuokliai;

T1, T2 ir kt. - termoporos.

Federalinės švietimo agentūra

Valstybinė švietimo įstaiga

Profesinis mokymas

"Ivanovo valstijos energetikos universitetas

VI. Lenin "

Šilumos inžinerijos teorinių fondų katedra

Svarbio juodos spalvos laipsnio nustatymas

Laboratorinių darbų metodinės instrukcijos

Ivanovo 2006.

Kompiliatoriai V.V. Bukhimirov.

Tie. Sozinovas

Redaktorius D.V. Racutina.

Metodinės instrukcijos yra skirtos studentams, studijuojantiems šilumos inžinerijos profilio 140101, 140103, 140104, 140106 ir 220301 specialybėje ir studijuojant kursą "šilumos ir šilumos mainai" arba "šilumos inžinerija".

Metodinėse instrukcijose pateikiamas eksperimentinio įrenginio aprašymas, eksperimento vykdymo metodika, taip pat apskaičiuotos formulės, reikalingos patirties rezultatams apdoroti.

Metodinės instrukcijos, patvirtintos TEF ciklo metodikos komisijos.

Recenzentas. \\ T

Šilumos inžinerijos Ivanovo valstijos energetikos universiteto teorinių pagrindų katedra

1. Užduotis

1. Eksperimentiškai nustatyti neatsiejamą juodos plonos volframo siūlų laipsnį.

2. Palyginkite eksperimento rezultatus su informaciniais duomenimis.

2. Trumpa informacija iš radiacinės šilumos mainų teorijos

Šiluminė spinduliuotė (spinduliuotės šilumos mainai) yra šilumos perdavimo metodas erdvėje, atliekamas dėl elektromagnetinių bangų plitimo, kurio energija sąveikauja su medžiaga patenka į šilumą. Radiacinė šilumos mainai yra susijęs su dviguba energija: iš pradžių kūno energija virsta elektromagnetinės spinduliuotės energiją, o po to perkeliant energiją erdvės elektromagnetinėmis bangomis, antrasis spinduliavimo energijos perėjimas vyksta vidinėje energetinėje energijai kūnas.

Medžiagos šiluminė spinduliuotė priklauso nuo kūno temperatūros (medžiagos šildymo laipsnis).

Šilumos spinduliuotės energija krenta ant kūno gali būti absorbuojamas, atspindi kūną arba perduoti jį. Kūnas sugeria visą integracinę energiją, nukrypsta, vadina visiškai juodą kūną (aktas). Atkreipkite dėmesį, kad šioje akto temperatūroje ir spinduliuoja didžiausią galimą energijos kiekį.

Jo paties jo spinduliuotės srauto tankis jį vadinamas lanesijos gebėjimas. Šis spinduliuotės parametras per pradinę bangos ilgio skyrių vadinama spektrine savo srauto tankis spinduliuotė arba spektrinis kūno difuzinis korpusas. Veiklos difuzinis gebėjimas, priklausomai nuo temperatūros, taikomas Stephen Boltzmann įstatymas:

, (1)

kur  0 \u003d 5,67 € 10 -8 W / (M 2 K 4) yra nuolatinis Stephen-Boltzmann; \u003d 5,67 W / (M 2 K) - absoliučiai juodos kūno spinduliavimo koeficientas; T - absoliučiai juodos kūno paviršiaus temperatūra, K.

Absoliučiai juodos medžiagos gamtoje nėra. Kūnas, kurio spinduliuotės spektras yra panašus į išmetamųjų teršalų spektrą absoliučiai juodos kūno ir spektrinio tankio spinduliuotės srauto (E ) yra ta pati dalis   ant spektrinio tankio absoliučiai juodos kūno (E 0, λ ), vadinama pilka tel:

, (2)

kur   yra juodos spalvos laipsnis.

Integruodami išraišką (2) per visą išmetamųjų teršalų spektrą (
) Mes gausime:

, (3)

kur e yra pilkojo kūno vertinimas; E 0 yra akto sklaidos gebėjimas; - integruotas juodos spalvos laipsnis pilkame kūne.

Nuo paskutinio formulės (3), atsižvelgiant į Stefan-Boltzmann įstatymą, išraiška turėtų būti skaičiuojant pilkojo kūno srauto (difuzuojančio gebėjimo) srauto tankį:

kur
- pilkojo kūno spinduliavimo koeficientas, W / (M 2 K 4); T - kūno temperatūra, K.

Nestandartinio juodos spalvos vertė priklauso nuo kūno fizinių savybių, jo temperatūros ir kūno paviršiaus šiurkštumo. Eksperimentiškai nustatomas neatsiejamas juodos spalvos laipsnis.

Laboratoriniame darbe yra neatskiriama juodos volframo laipsnis, tyrinėti spinduliuotės šilumos mainus tarp šildomo volframo sriegio (kėbulo 1) ir stiklo cilindro sienų (kūno 2), pripildytos vandeniu (1 pav.).

Fig. 1. Radiacinės šilumos mainų diagrama eksperimente:

1 - šildomas sriegis; 2 - stiklo cilindro vidinis paviršius; 3 - Vanduo

Gautas šiluminis srautas, gautas stiklo cilindru, gali būti apskaičiuojamas pagal formulę:

, (6)

kur  pr yra dviejų organų sistema;  1 ir 2 - integruoti pirmojo ir antrojo kūno juodumo laipsnį; T 1 ir t 2, f1 jei 2 - absoliuti temperatūra ir paviršiaus plotai pirmojo ir antrojo kūno šilumos mainų;  12 ir 21 - kampiniai spinduliuotės koeficientai, kurie rodo, kuri pusrutulio spinduliuotės energija patenka į vieną kūną į kitą .

Naudojant kampinių koeficientų savybes yra lengva tai parodyti
, bet
. Pakeičiant kampinio koeficientų (6) kampinio koeficientų vertes, mes gauname

. (7)

Kadangi volframo sriegio paviršiaus plotas (1 korpusas) yra daug mažesnis už jo aplinkinių apvalkalų plotą (kūno 2), tada kampinis koeficientas  21 yra lygus nuliui:

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

Atsižvelgiant į pastarąjį pasitraukimą iš formulės (7), iš to išplaukia, kad sumažintas juodos sistemos laipsnis dviejų pavestų pavaizduotus pav. 1 lemia tik sriegio paviršiaus spinduliuotės savybės:

 PR 1 arba
. (9)

Tokiu atveju, apskaičiuojant gautą šilumos srauto suvokiamas stiklo cilindras su vandeniu, formulė yra:

tai reiškia, kad išraiška nustatyti neatsiejamą juodųjų volframo siūlų laipsnį:

, (11)

kur
- paviršiaus plotas volframo siūlai: di - skersmuo ir sriegio ilgis.

Volframo siūlų spinduliavimo koeficientas apskaičiuojamas pagal akivaizdžią formulę:

. (12)

Planko teisė. Absoliučiai juodos kūno I SL spinduliavimo intensyvumas ir bet koks tikrasis kūnas aš priklausau nuo bangos ilgio.

Visiškai juoda kūnas su tuo valgo visų bangos ilgių spindulius IL \u003d 0 į l \u003d ¥. Jei tam tikru būdu tai yra atskirti spindulius su skirtingais bangos ilgiais vienas nuo kito ir išmatuoti kiekvienos sijos energijos, paaiškėja, kad energijos platinimas spektro yra kitoks.

Didėjant bangos ilgiui, spindulių energija didėja tam tikru ilgiu, banga pasiekia maksimalų, tada mažėja. Be to, dėl to paties bangos ilgio spindulio, jo energijos didėja, padidėja antdėklo spinduliais (11.1 pav.).

Planeke sukūrė tokį įstatymą, kuris keičia absoliučiai juodos kūno emisijos intensyvumą, priklausomai nuo ir bangos ilgio:

I SL \u003d C1 L -5 / (E C / (L T) - 1), (11.5)

Pakeičiant į lygtį (11.7) lentos įstatymą ir integruojant nuo l \u003d 0 iki l \u003d ¥, mes pastebime, kad neatsiejama juodosios kodo spinduliuotė yra tiesiogiai proporcinga ketvirtame jo absoliutaus laipsniui (Stephen -Boltzmann teisė).

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

kur su S \u003d 5,67 W / (M 2 * K 4) - absoliučiai juodos kūno spinduliuotės koeficientas

11.1 pav. Energijos, atitinkančios šviesos dalį spektro dalis (0,4-0,8 mK) nėra sunku pastebėti, kad jis yra labai mažas, palyginti su integruota spinduliuote energija. Tik saulėje ~ 6000k, šviesos spindulių energija yra apie 50% visos juodosios spinduliuotės energijos.

Visi realūs technikoje naudojami realūs kūnai yra visiškai juodi ir tuo pačiu metu išskiria mažiau energijos nei visiškai juoda kūnas. Realių kūnų spinduliuotė taip pat priklauso nuo bangos ilgio. Kad juodojo kūno spinduliuotės įstatymai gali būti taikomi realioms įstaigoms, įvedamas kūno ir spinduliuotės sąvoka. Pagal spinduliuotę suprantama kaip tokia, kuri yra panaši į juodojo kūno spinduliuotę turi tvirtą spektrą, tačiau spindulių intensyvumas kiekvienam bangos ilgiui aš esu su bet kokia yra nuolatinė dalis, kad būtų paslėpta juoda kūnas i sl, ty Yra ryšys:

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

E E vertė vadinama juodos. Tai priklauso nuo kūno fizinių savybių. Juodųjų kūnų laipsnis visada yra mažesnis už vieną.

Kirchhoffa teisė. Kiekvienam kūnui spinduliuojančios ir absorbcijos gebėjimai priklauso nuo bangos ilgio. Įvairios įstaigos turi skirtingas reikšmes E ir A. priklausomybė tarp jų nustato "Circhoff" įstatymu:

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

Kūno (E) laisvalaikio gebėjimų santykis su savo taupymo gebėjimu (a) yra vienodai visiems kūnams, kurie yra vienodi ir lygūs visiškai juodos kodo sklaidos gebėjimui.

Iš Kirchhoffo įstatymo matyti, kad jei kūnas turi mažą absorbcijos pajėgumą, tuo pačiu metu jis turi mažą pasviręs gebėjimą (poliruotus). Visiškai juoda kūnas, turintis maksimalų absorbcijos pajėgumą, turi didžiausią spindinčią gebėjimą.

Kirchhogos įstatymas lieka teisinga monochromatinei spinduliuotei. Organizmo spinduliuotės intensyvumo santykis tam tikru bangos ilgiu iki jo absorbcijos talpos tame pačiame bangos ilgyje yra vienodi, jei jie yra tokie patys, ir skaičiai lygūs absoliučiai juodųjų kūnų emisijos intensyvumui tas pats bangos ilgis ir, ty Tai yra tik bangos ilgis ir:

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

Todėl kūnas, skleidžiantis energiją tam tikru bangos ilgiu, gali sugerti jį tuo pačiu bangos ilgiu. Jei kūnas nesugeria energijos į tam tikrą spektro dalį, tai ne spinduliuoja šioje spektro dalyje.

Nuo Kirchhoffo įstatymo jis taip pat reiškia, kad kūno juodumo laipsnis E, su tuo pačiu skaičiaus lygus absorbcijos koeficientas A:

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

Lambert įstatymas. Birių spinduliuotės spinduliavimo energija skleidžia erdvėje įvairiomis kryptimis su skirtingu intensyvumu. Įstatymas nustato spinduliuotės intensyvumo priklausomybę nuo krypties vadinama Lambert įstatymu.

Lambert įstatymas nustato, kad nuo DF 1 paviršiaus elemento spinduliavimo energijos kiekis DF2 elemento kryptimi yra proporcingas energijos kiekio kiekio produktui pagal DQ N įprastą dydį DC ir sąnaudų erdvinis kampas, sudarytas iš radiacinės krypties su normaliu (11.2 pav.):

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

Todėl didžiausias spinduliavimo energijos kiekis yra skleidžiamas statmenai į spinduliuotės paviršių, t.y., ne (J \u003d 0). Didėjant J, spinduliavimo energijos kiekis mažėja ir yra nulis J \u003d 90 °. Lambert įstatymas yra visiškai teisingas absoliučiai juodoms kūnams ir kūnams su difuzine spinduliuote J \u003d 0 - 60 °.

Poliruotų paviršių, Lambert įstatymas netaikomas. Jiems spinduliuoja su j bus didesnis nei kryptimi, normalus iki paviršiaus.