Práce

Zoznámenie s metodikou experimentov na určenie stupňa čierneho povrchu tela.

Rozvoj experimentálnych zručností.

Úloha

Určite stupeň čiernej ε a radiačný koeficient z povrchov 2 rôznych materiálov (maľovaná meď a leštená oceľ).

Nastavte závislosť zmien v stupni čiernej na povrchovej teplote.

Porovnajte hodnotu stupňa čiernej maľovanej medi a leštenej ocele medzi sebou.

Teoretické podávanie

Tepelné žiarenie je proces prenosu tepelnej energie pomocou elektromagnetických vĺn. Množstvo tepla prenášaného žiarením závisí od vlastností emitovaného telesa a jeho teploty a nezávisí od teploty okolitých telies.

Vo všeobecnom prípade je tepelný prúd padajúci na telo čiastočne absorbovaný, čiastočne odráža a čiastočne prechádza cez telo (obr. 1.1).

Obr. 1.1. Systém rozvodu energie

(2)

kde - tepelný tok padajúci na telo,

- množstvo tepla absorbovaného telom, \\ t

- množstvo tepla odrážajúceho telo, \\ t

- množstvo tepla prechádzajúceho cez telo.

Rozdeľujeme pravé a ľavé časti na tok tepla:

Hodnosť
vyzýva sa: absorpcia, reflexná a telová prenosová kapacita.

Ak
T.
. Celý tepelný tok padajúci na telo je absorbované. Takéto telo sa nazýva absolútne čierna .

Tie, ktoré
,
tí. Celý tepelný tok padajúci na telo sa odráža z neho, zavolal biely . Zároveň, ak sa odraz z povrchu podlieha zákonom optiky tela zrkadlený - ak difúzny odraz – absolútne biele .

Tie, ktoré
,
tí. Celý tepelný prúd padajúci na telo prechádza cez neho, zavolal diatermický alebo absolútne transparentný .

Neexistujú žiadne absolútne orgány v prírode, ale koncepcia takýchto orgánov je veľmi užitočná, najmä o absolútne čiernom tele, pretože zákony, ktoré ju kontrolujú žiarením, sú obzvlášť jednoduché, pretože z jeho povrchu sa neodráža žiadne žiarenie.

Okrem toho, koncepcia absolútne čiernych orgánov umožňuje dokázať, že nie sú takéto orgány v prírode, ktoré vyžarujú viac tepla ako čierne.

Napríklad v súlade so zákonom Kirchhoff, pomer emisivity tela a jeho absorpčnú kapacitu rovnako pre všetky telá a závisí len od teploty, pre všetky telesá, vrátane absolútne čiernej, pri danej teplote:

(3)

Od absorpčnej kapacity absolútne čiernych telies
ale a atď. Vždy menej ako 1, potom zo zákona Kirchhoffu vyplýva, že maximálna radiačná schopnosť má absolútne čierne telo. Keďže v prírode nie sú absolútne čierne orgány, koncepcia sivého tela je zavedená, jej stupeň čiernej ε, čo je pomer radivej schopnosti sivých a absolútne čiernych orgánov:

Sledovanie zákona Kirchhoffu a vzhľadom na to
môže byť zaznamenaný
z
tie . Stupeň čierny charakterizuje relatívnu emisivitu a absorpčnú kapacitu tela . Hlavná sila žiarenia, ktorá odráža závislosť intenzity žiarenia
zavolaný na tento rozsah vlnových dĺžok (monochromatické žiarenie) je zákonom dosky.

(4)

kde - vlnová dĺžka, [m];

;

a - Prvá a druhá pravidelná doska.

Na obr. 1.2 Táto rovnica je znázornená graficky.

Obr. 1.2. Grafická prezentácia pozemku

Ako je možné vidieť z grafu, absolútne čierne telo vyžaruje pri akejkoľvek teplote v širokej škále vlnových dĺžok. S rastúcou teplotou sa maximálna intenzita žiarenia posunie smerom k kratším vlnám. Tento fenomén je opísaný zákonom vína:

Kde
- vlnová dĺžka zodpovedajúca maximálnej intenzite žiarenia.

Na hodnotách
namiesto Plankového zákona je možné uplatniť zákon relé-džínsy, ktorý tiež nosí názov "Dlhé vlnové právo":

(6)

Intenzita žiarenia pripísaná celej intervalu vlnových dĺžok
predtým
(integrované žiarenie), možno určiť z plánu plánu integráciou:

kde - radiačný koeficient absolútne čierneho tela. Výraz sa nazýva zákon Staen-Boltzmann, ktorý založil Boltzmann. Pre sivé orgány je zákon Stefan-Boltzmanny napísaný vo formulári:

(8)

- nečistoty šedé telo. Prenos tepla je určený žiarením medzi dvoma povrchmi na základe práva Stephen-Boltzmann a má formulár:

(9)

Ak
, potom sa stupeň čiernosti rovný stupňu povrchu čiernej farby .
. Táto okolnosť je založená na spôsobe stanovenia radivej schopnosti a stupeň čiernych telies, ktoré majú menšie veľkosti v porovnaní s orgánmi, ktoré sa vymieňajú so sálavnou energiou

(10)

(11)

Ako je možné vidieť zo vzorca, stanovenie stupňa čiernej a radivej schopnosti ZŠedé telo je potrebné poznať povrchovú teplotu testovacie teleso, teplota Životné prostredie a žiarivý tepelný prúd z povrchu tela
. Teplota a môžu byť merané známymi metódami. A žiarivý termálny prúd je určený z nasledujúcich úvah.

Šírenie tepla z povrchu telies do okolitého priestoru je spôsobené radiaciou a prenosom tepla v voľnej konvekcii. Plné prúdenie z povrchu tela sa tak bude rovnať:

Z!
;

- Konvektívna zložka tepelného toku, ktorá môže byť určená zákonom Newton Richmany:

(12)

Na druhej strane koeficient prenosu tepla možno určiť z výrazu:

(13)

rozhodujúca teplota v týchto výrazoch je teplota hranovej vrstvy:

Obr. 2 Experimentálna inštalačná schéma

Legenda:

Zapnutý;

P1, P2 - regulátory napätia;

Pw1, pw2 - elektromery (watterters);

Ne1, ne2 - vykurovacie telesá;

IT1, IT2 - teplotné merače;

T1, T2 atď. - termočlánky.

Federálna vzdelávacia agentúra

Štátna vzdelávacia inštitúcia vyššieho

Odborné vzdelávanie

"Ivanovo Štátna energetická univerzita

Pomenované po VI Lenin "

Katedra teoretických základov tepelného inžinierstva

Stanovenie integrovaného stupňa pevnej čiernej farby

Metodické pokyny pre laboratórne práce

Ivanovo 2006.

Kompilátory V.V. Bukhimirov

Tí. SOZinov

Editor D.V. Rakovina

Metodické pokyny sú určené pre študentov študujúcich v špecializáciách profilu tepelného inžinierstva 140101, 140103, 140104, 140106 a 220301 a štúdiom kurzu "tepla a výmena tepla" alebo "tepelného inžinierstva".

Metodické pokyny obsahujú opis experimentálnej inštalácie, metodiky na vykonávanie experimentu, ako aj vypočítané vzorce potrebné na spracovanie výsledkov skúseností.

Metodické pokyny schválené metodickou komisiou cyklu TEF.

Recenzent

katedra teoretických základov tepelného inžinierstva Ivanovo Štátna energetická univerzita

1. Úloha

1. Experimentálne určuje integrálny stupeň čiernej tenkej nite volfrámu.

2. Porovnajte výsledky experimentu s referenčnými údajmi.

2. Stručné informácie z teórie výmeny tepla žiarenia

Tepelné žiarenie (výmena tepla žiarenia) je spôsob prenosu tepla vo vesmíre, ktorý sa uskutočňuje v dôsledku šírenia elektromagnetických vĺn, energie, ktorého pri interakcii s látkou ide do tepla. Výmena radiačnej tepla je spojená s dvojitou energetickou konverziou: spočiatku vnútorná energia tela sa zmení na energiu elektromagnetického žiarenia a potom po prenesení energie do vesmírnych elektromagnetických vĺn, druhý prechod sálavej energie sa vyskytuje vo vnútornom energetike telo.

Tepelné žiarenie látky závisí od telesnej teploty (stupeň ohrievania látky).

Energia tepelného žiarenia padajúceho na telo je možné absorbovať, odrážať telo alebo prejsť. Telo absorbuje celú inkluzívnu energiu, ktorá sa na neho zavolá, zavolá absolútne čierne telo (akt). Všimnite si, že pri tejto teplote zákona a vyžaruje maximálne možné množstvo energie.

Hustota prúdu vlastného žiarenia tela je nazývaná schopnosť LaniansHePeping. Tento parameter žiarenia v základnej časti vlnových dĺžok sa nazýva spektrálny hustota prietoku Žiarenie alebo spektrálne telo difúzne telo. Difúzne kapacita konania v závislosti od teploty podlieha zákonu Štefana Boltzmanna:

, (1)

kde  0 \u003d 5,67 € 10 -8 W / (m 2 k 4) je konštantný Stephen-Boltzmann; \u003d 5,67 w / (m 2 k 4) - Radiačný koeficient absolútneho čierneho tela; T - povrchová teplota absolútneho čierneho tela, K.

Absolútne čierne telá v prírode neexistujú. Telo, ktorého radiačné spektrum je podobné emisnému spektru absolútne čierneho tela a spektrálna hustota žiarenia prúd (E ) je rovnaký podiel   na spektrálnej hustote emisného toku absolútne čierneho tela (E 0, λ ), zavolal šedý tel:

, (2)

kde   je spektrálny stupeň čiernej.

Po integrácii expresie (2) v celom emisnom spektre (
) Dostaneme:

, (3)

kde E je schopnosť hodnotenia sivého tela; E 0 je schopnosť rozptylu zákona, - integrálny stupeň čiernej farby v sivom telese.

Z posledného vzorca (3), berúc do úvahy zákon Stefan-Boltzmann, by mal byť výrazom expresiou pre výpočet hustoty prúdenia žiarenia z eigingu (difúzne schopnosti) sivého tela:

kde
- Radiačný koeficient šedej telo, w / (m 2 k 4); T - Teplota tela, K.

Hodnota integrovaného stupňa čiernej závisí od fyzikálnych vlastností tela, jeho teploty a drsnosti povrchu tela. Integrálny stupeň čiernej sa určuje experimentálne.

V laboratórnych prácach sa zistí, že integrálny stupeň čierneho volfrámu, ktorý skúma výmenu radiačnej tepla medzi vyhrievanou nitou volfrámu (telo 1) a stenami skleneného valca (teleso 2) naplneného vodou (obr. 1).

Obr. 1. Schéma výmeny žiarenia v experimente:

1 - vyhrievaný vlákno; 2 - vnútorný povrch skleneného valca; 3 - voda

Výsledný termálny prúd získaný skleneným valec môže byť vypočítaný vzorcom:

, (6)

kde  PR je stupeň čiernej v systéme dvoch orgánov;  1 a  2 - integrálne stupne čiernosti prvého a druhého tela; T 1 a T2, F 1, ak 2 - absolútne teploty a povrchové oblasti tepelného výmeny prvého a druhého tela;  12 a 21 - koeficienty uhlového žiarenia, ktoré ukazujú, ktoré podiel hemisférickej energie radiačnej energie spadá z jedného tela do druhého .

Použitie vlastností uhlových koeficientov je ľahké ukázať
, ale
. Nahradenie hodnôt uhlových koeficientov vo vzorci (6), dostaneme

. (7)

Pretože povrchová plocha volfrámu nite (telo 1) je oveľa nižšia ako oblasť jeho okolitého plášťa (telo 2), potom uhlový koeficient  21 má tendenciu nula:

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

Berúc do úvahy posledné odstúpenie od vzorca (7), z toho vyplýva, že znížený stupeň čierneho systému oboch telies znázornených na obr. 1 je určená iba radiačnými vlastnosťami povrchu závitu:

 PR 1 alebo
. (9)

V tomto prípade vzorec pre výpočet výsledného tepelného toku vnímaný skleneným valcom vodou má formu:

nasleduje výraz na určenie integrovaného stupňa čierneho volfrámu nite:

, (11)

kde
- Povrchové priestory volfrámové vlákno: di - priemer a dĺžka závitu.

Radiačný koeficient volfrámových nití sa vypočíta podľa zrejmého vzorca:

. (12)

Planock zákon. Intenzita žiarenia absolútne čierneho tela I SL a akéhokoľvek skutočného tela I L závisí na vlnovej dĺžke.

Absolútne čierne telo s týmto jesť lúče všetkých vlnových dĺžok il \u003d 0 až l \u003d ¥. Ak je nejakým spôsobom oddeliť lúče s rôznymi vlnovými dĺžkami od seba a merajú energiu každého lúča, ukazuje sa, že distribúcia energie pozdĺž spektra je odlišná.

Ako sa zvyšuje vlnová dĺžka, energia lúčov sa zvyšuje v určitej dĺžke, vlna dosiahne maximum, potom sa znižuje. Okrem toho, pre lúč rovnakej vlnovej dĺžky, jej energia sa zvyšuje so zvýšením telesa vyžarujúceho lúče (obr. 11.1).

Planke založili tento zákon o zmene intenzity emisií absolútne čierneho tela v závislosti od a vlnovej dĺžky:

I SL \u003d C1L -5 / (E C / (L T) - 1), (11.5)

Nahradenie rovnice (11,7) Zákon klantu a integrácie z L \u003d 0 až L \u003d ¥, zistíme, že integrálne žiarenie (tepelný prietok) absolútne čierneho tela je priamo úmerná štvrtého stupňa jeho absolútneho (Stephen -Boltzmann zákon).

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

kde s S \u003d 5,67 W / (M 2 * K 4) - Radiačný koeficient absolútneho čierneho tela

Názor na obr. 11.1. Množstvo energie zodpovedajúcej svetelnej časti spektra (0,4-0,8 MK) nie je ťažké si všimnúť, že je veľmi malý na nízke v porovnaní s energiou integrovaného žiarenia. Len na slnku ~ 6000k je energia svetelných lúčov asi 50% celkovej energie čierneho žiarenia.

Všetky skutočné telá používané v technike nie sú absolútne čierne a zároveň emitovať menej energie ako absolútne čierne telo. Žiarenie skutočných telies závisí aj od vlnovej dĺžky. Na zadanie zákonov žiarenia čierneho tela možno aplikovať na skutočné orgány, predstavuje sa koncepcia tela a žiarenia. Pod žiarením sa rozumie ako taký, ktorý je podobný žiareniu čierneho tela, má tuhé spektrum, ale intenzita lúčov pre každú vlnovú dĺžku I, ktorá predstavuje konštantný podiel intenzity emitovania Čierne telo I SL, tj Existuje vzťah:

I L / I SL \u003d E \u003d CONST. (11.9)

Hodnota E sa nazýva stupeň čiernej. Záleží na fyzikálnych vlastnostiach tela. Stupeň čiernych tiel vždy menej ako jeden.

Kirchhoff zákon. Pre každé telo, radiačné a absorpčné schopnosti závisia na a vlnovej dĺžke. Rôzne orgány majú rôzne významy E a A. Závislosť medzi nimi je stanovená zákonom Circhoff:

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

Pomer voľnočasových schopností tela (e) na jeho pravidlo šetriace schopnosti (A) je rovnako pre všetky telesá, ktoré sú rovnaké a rovnaké a rovné rozptylu schopnosti absolútne čierneho tela s rovnakým.

Z zákona Kirchhoffu vyplýva, že ak má telo malú absorpčnú kapacitu, súčasne má nízku šikovnú schopnosť (leštené). Absolútne čierne telo, ktoré má maximálnu absorpčnú kapacitu, má najväčšiu radiačnú schopnosť.

Zákon Kirchhoga zostáva spravodlivý pre monochromatické žiarenie. Pomer intenzity žiarenia tela pri určitej vlnovej dĺžke na jeho absorpčnú kapacitu pri rovnakej vlnovej dĺžke pre všetky telá je rovnaká, ak sú s rovnakými, a číselne rovné intenzite emisií absolútne čiernych telies rovnaká vlnová dĺžka a, tj Je to funkcia len vlnová dĺžka a:

E L / A L \u003d I L / A L \u003d E SL \u003d I SL \u003d F (L, T). (11.12)

Preto je telo, ktoré vyžaruje energiu pri určitej vlnovej dĺžke, je schopný ho absorbovať pri rovnakej vlnovej dĺžke. Ak telo neabsorbuje energiu do určitej časti spektra, potom v tejto časti spektra nevyžiari.

Zo zákona Kirchhoffu vyplýva, že stupeň čiernosti tela E s rovnakými číselnými rovný absorpčný koeficient A:

e \u003d I L / I SL \u003d E / E SL \u003d C / C SL \u003d A. (11.13)

Lambertský zákon. Hromadná vyžarovaná žiarivá energia sa šíri v priestore v rôznych smeroch s rôznou intenzitou. Zákon ustanovuje závislosť intenzity žiarenia zo smeru sa nazýva Lambertský zákon.

Lambertský zákon stanovuje, že množstvo žiarivej energie emitovaného prvkom povrchu DF1 v smere prvku DF2 je úmerná produktu množstva energie emitovanej podľa normálu DQ N, veľkosťou Priestorový uhol DC a Náklady, zložené zo smeru žiarenia s normálnou (obr. 11.2):

d 2 Q N \u003d DQ N * DW * COSJ. (11.14)

V dôsledku toho je najväčšie množstvo sálavej energie emitované v kolmom smere na žiarenie povrchu, t.j. na (j \u003d 0). S rastúcou J, množstvo žiarivej energie sa znižuje a je nula v J \u003d 90 °. Lambertský zákon je plne spravodlivý pre absolútne čierne telá a pre telá s difúznym žiarením na J \u003d 0 - 60 °.

Pre leštené povrchy nie je platný Lambertský zákon. Pre nich, vyžarujúce s j bude väčšie ako v smere, normálne na povrch.