Задания и методические указания

Лабораторная работа № 6.1

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА

Цель работы

1. Изучить закон Стефана-Больцмана.

2. Определить постоянную Стефана-Больцмана.

3. Познакомиться с принципом действия оптического пирометра и научиться пользоваться им.

Краткая теория

Излучением телназывается испускание телами в окружающее пространство электромагнитных волн. Излучение может возникать по разным причинам. Излучение, возникающее за счет внутренней энергии тел, т.е. вследствие теплового движения атомов и молекул, входящих в состав излучающего тела, называется тепловым или температурным. Тепловое излучение имеет место при любых температурах тел.

Совокупность частот, входящих в состав излучения, называется спектром излучения. Тепловое излучение твердых и жидких тел содержит все частоты от до . Поэтому спектр теплового излучения твердых и жидких тел называется сплошным. В данной работе рассматривается излучение твердых тел.

Для описания теплового излучения используется несколько параметров. Среди них большое значение имеют понятия излучательной способности , и энергетической светимости .

Излучательной способностью называют количество энергии, которое излучается с единицы площади поверхности тела по всем направлениям за одну секунду в единичном спектральном интервале вблизи частоты . Если интервал излучаемых частот равен в окрестности частоты , элемент поверхности, с которого происходит излучение, равен . Время, в течение которого осуществляется излучение, равно , и при этих условиях по всем направлениям в окружающее пространство излучается энергия , то:

(1)

Так как

(2)

есть мощность, излучаемая телом, то формулу (1) можно истолковать по-другому. Можно сказать, что излучательной способностью тела называется мощность, излучаемая телом на частоте в единичном спектральном интервале с единицы поверхности по всем направлениям:

(3)

Излучательная способность тел при заданной температуре зависит от частоты излучения. Эту зависимость называют распределением энергии в спектре излучения тела.

Чтобы объяснить наблюдающееся на опыте распределение энергии в спектре излучения черного тела, Макс Планк предположил, что энергия при тепловом излучении излучается порциями, которые он назвал квантами энергии. При этом энергия одного кванта равна

(4)

Здесь: Дж·с - так называемая редуцированная постоянная Планка, а - циклическая частота, на которой осуществляется излучение.

Благодаря указанной гипотезе, Планку удалось получить формулу, описывающую распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Тела, полностью поглощающие любое падающее на них излучение, называются абсолютно черными. Если тело поглощает падающее на него излучение лишь частично, то его называют серым телом. Формула распределения энергии в спектре теплового излучения получила название формулы Планка и имеет вид:

(5)

Энергетической светимостью называется количество энергии, излучаемое с единицы площади тела по всем направлениям за одну секунду во всем диапазоне излучаемых частот:

(6)

Учитывая (2), можно также сказать, что энергетической светимостью называется мощность, излучаемая с единицы поверхности тела по всем направлениям во всем диапазоне излучаемых частот.

(7)

Из определения энергетической светимости вытекает, что:

(8)

Если подставить (5) в формулу (8) и взять интеграл, то получим:

(9)

Дробь, стоящая перед Т, состоит из одних только констант и потому является константой. Обозначим ее через :

(10)

Величину s называют постоянной Стефана или постояннойСтефана-Больцмана. Ее вычисление по (10) дает значение . С учетом (10), получаем:

(11)

Таким образом, энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Формула (11) получила название закона Стефана-Больцмана.

Реальные тела не являются абсолютно черными и, строго говоря, формула (11) к ним неприменима. Однако, во многих случаях энергетическая светимость реальных тел с достаточной степенью точности пропорциональна четвертой степени температуры, и, если ввести зависящий от материала нагретого тела поправочный множитель , так называемый коэффициент черноты, то можно считать что

(12)

Коэффициент g часто называют коэффициентом черноты материала, из которого состоит излучающее тело. Этот коэффициент зависит от материала, температуры, состояния поверхности и других факторов. В нашей работе мы будем считать излучающую пластину серым телом с коэффициентом черноты .

Если площадь поверхности пластины , то излучаемая пластиной мощность будет:

(13)

Целью нашей работы является проверка пропорциональности излучаемой мощности четвертой степени температуры и определение постоянной Стефана-Больцмана. Для достижения поставленной цели, воспользуемся следующим методом.

Возьмем источник излучений в виде металлической пластины, запаянной в стеклянную колбу, из которой откачан воздух, и имеющей металлические выводы для включения пластины в электрическую цепь. Эта пластина будет рабочим телом. Назовем такое устройство лампой. Включим лампу в электрическую цепь. При прохождении электрического тока, в пластине будет выделяться энергия. Выделяемая электрическая мощность равна:

(14)

где - сила тока в пластине, а - напряжение на выводах пластины из лампы. Мощность частично теряется на нагревание окружающей среды путем теплопроводности и конвекции, а частично преобразуется в излучение. Отношение излучаемой мощности к мощности, выделяемой в пластине электрическим током, называют излучательным коэффициентом полезного действия (КПД) лампы и обозначают буквой . В пределах данной работы мы будем считать излучательный КПД равным 0,17:

(15)

Поскольку лампа находится в среде с температурой , её пластина одновременно с излучением поглощает энергию из окружающего пространства в виде излучений. Поглощаемая из окружающего пространства мощность , в соответствии с (13) равна:

(16)

Следовательно, теряемая пластиной за счет излучения мощность равна

(17)

или

(18)

Учитывая (15), можно записать:

(19)

В нашей работе рабочее тело (пластина) имеет температуру , а температура окружающей среды (комнатная) . Отсюда следует, что и, пренебрегая вторым слагаемым, (19) можно представить в виде:

(20)

Таким образом, подводимая к лампе мощность, должна быть пропорциональна четвертой степени температуры пластины в лампе.

Чтобы проверить справедливость формулы (20) и, следовательно, закона Стефана-Больцмана, необходимо независимо измерить подводимую к пластине электрическую мощность и температуру пластины, а затем построить график зависимости от . В случае справедливости закона Стефана-Больцмана эта зависимость должна быть линейной.

Теперь, учитывая (15), выразим из (20) и получим рабочую формулу для вычисления постоянной Стефана-Больцмана:

(21)

Описание установки

Схема установки показана на рисунке 1.1. Установка состоит из регулируемого трансформатора (2), амперметра (3), вольтметра (4), источника электромагнитных излучений (лампы) (5) и оптического пирометра (6). Рабочим телом является вольфрамовая пластина, установленная в лампе (5) .

При помощи трансформатора подводится электрическая энергия к рабочему телу. Амперметр позволяет измерять силу тока лампы, а вольтметром измеряется напряжение на зажимах лампы (рабочего тела). Пирометр предназначен для дистанционного измерения температуры рабочего тела.

Принципиальная схема пирометра приведена на рисунке 1.2. Внешний вид пирометра представлен на рисунке 1.3.

Электромагнитные волны, излучаемые нагретым рабочим телом (1), (рисунок 1.2) попадают в объектив (2) пирометра. В фокусе объектива находится измерительная лампа накаливания с нитью (4), изогнутой в форме дуги. Окуляр (6) позволяет одновременно видеть нить измерительной лампы и изображение накаленного тела, через красный светофильтр (5). Светофильтр вырезает участок спектра излучения в окрестности длины волны 660 нм.

Измерение температуры с помощью пирометра основано на сравнении яркостей светящегося рабочего тела и нити измерительной лампы пирометра. В соответствии с формулой Планка (8), излучение нагретого рабочего тела в каком-либо спектральном интервале, в нашем случае на длине волны 660нм, зависит от температуры рабочего тела. С увеличением температуры тела растет и его излучательная способность.

В пирометре при помощи реостата (10) (рисунки 1.2 и 1.3) регулируется ток в цепи нити накала лампы так, чтобы яркость свечения нити (4) накала измерительной лампы сравнялась с яркостью изображения светящегося тела. При этом изображение нити исчезает на фоне изображения светящегося тела. Поэтому данный пирометр часто называют пирометром с исчезающей нитью.

При равных яркостях светящегося тела (1) и нити (4) пирометра, их температуры связаны однозначной зависимостью. Поэтому шкалу вольтметра (9), рисунки 1.2 и 1.3, можно проградуировать в единицах температуры светящегося тела. Такая градуировка производится при изготовлении пирометра по излучению черного тела на длине волны 660 нм. Пирометры, используемые в наших лабораторных установках, проградуированы в шкале Цельсия. Следовательно, полученные при измерениях значения температур необходимо преобразовать в шкалу Кельвина.

Температура, измеренная при помощи пирометра с исчезающей нитью, называется яркостной температурой ( ). Для абсолютно черных тел яркостная температура является истинной температурой тела. Излучение обычных тел отличается от излучения абсолютно черного тела, поэтому для обычных тел яркостная температура отличается от реальной температуры Т тела. Для получения реальной температуры рабочего тела необходимо ввести поправку по формуле:

(22)

Здесь - длина волны, на которой выполняется измерение, - коэффициент, зависящий от материала нагретого тела. В нашей работе = 660 нм, а = 0,46.

Оптический пирометр имеет два предела измерений. При использовании шкалы высоких температур перед нитью вводится нейтральный ослабляющий светофильтр (2), рисунки 1.2 и 1.3.

Задания и методические указания

Задание 1. Проверить закон Стефана-Больцмана