Теория рассматриваемого вопроса. Лучистая энергия возникает за счёт энергии других видов в результате сложных
Лучистая энергия возникает за счёт энергии других видов в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов.
Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела.
Лучистым теплообменом называется теплообмен между телами, который осуществляется путём распространения электромагнитных волн.
Количество лучистой энергии в основном зависит от физических свойств и температуры излучающего тела.
Электромагнитные волны различаются длиной своей волны . Тепловые (инфракрасные) лучи представляют собой электромагнитные колебания с длиной волны = 0,8 – 40 мк (1 мк = 0,001 мм).
Лучеиспускание свойственно всем телам. Каждое из них одновременно и непрерывно излучает и поглощает энергию, если его температура не равна 0 К. Лучеиспускание твёрдых тел происходит с их поверхности, при этом, спектр излучения также непрерывен, т.е. испускаются лучи всех длин волн. Газы имеют селективный (избирательный) спектр и излучают всем своим объёмом.
Тело, способное полностью поглощать все падающие на него тепловые лучи и обладающее максимальной способностью к излучению (оба эти свойства связаны между собой), называется абсолютно чёрным телом.
Энергия излучения абсолютно чёрного тела за единицу времени определяется по закону Стефана – Больцмана согласно зависимости:
где F – поверхность излучения тела, м ;
T – абсолютная температура поверхности излучения тела, К;
c – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела; c = 5,67 Вт/(м К ).
В природе абсолютно чёрных тел не существует. Все реальные тела называют «серыми». При одной и той же температуре серые тела излучают энергию меньшей величины, чем абсолютно чёрное тело. Для серых тел энергия излучения определяется по формуле:
(12.2)
где c – коэффициент излучения серого тела, Вт/(м К );
– степень черноты тела, его относительная излучательная способность:
(12.3)
Величина энергии лучистого теплообмена между двумя серыми телами, когда одно из них с поверхностью F и степенью черноты находится внутри другого с поверхностью F и степенью черноты , определяется с учётом их взаимного облучения по формуле:
, Вт (12.4)
Здесь c – приведённый коэффициент излучения:
, (12.5)
c , c – коэффициенты излучения первого и второго тела:
;
;
T , T – абсолютные температуры первого и второго тела.
Если поверхность F много меньше поверхности F , то отношение в формуле (12.5) можно принять равным нулю, а значит:
Следовательно, уравнение теплообмена (12.4) принимает вид:
, Вт (12.6)
Отсюда, при известных экспериментальных значениях величин Q, T , T и F коэффициент излучения серого тела может быть вычислен по формуле:
, (12.7)
Коэффициент излучения c реальных веществ не является величиной постоянной. В общем случае этот коэффициент зависит не только от физических свойств вещества, но и от его химического состава, состояния поверхности излучения (в том числе и от её шероховатости), а также от температуры тела и длины волны излучения. Поэтому коэффициент излучения c и степень черноты для серых тел определяют экспериментально, а для расчётов выбирают из справочных таблиц.
В данной работе для экспериментального определения коэффициента излучения c исследуемого тела (первого) используется калориметрический метод. В качестве исследуемого тела рассматривается вольфрамовая спираль электрической лампочки накаливания, помещённой в сосуд с трансформаторным маслом. Ёмкость с маслом и колба лампы являются вторым телом в процессе излучения (поглощающей средой).
Поскольку в опытах температура поглощающей среды T много меньше температуры излучателя T , то ею можно пренебречь и в этом случае формула (12.7) принимает вид:
, (12.8)
При этих условиях можно не учитывать также и обратное излучение поглощающей среды на спираль. В связи с этим в эксперименте мощность излучения исследуемого тела (спирали) можно принять равной потребляемой мощности электрической лампочки.
Температура спирали в эксперименте определяется косвенным путём по температурному изменению электрического сопротивления спирали (метод термометра сопротивления). Величина удельного электрического сопротивления вольфрамовой нити спирали в зависимости от её температуры ( Т ) приведена на стенде лабораторной работы.
Погрешность такого измерения температуры нити накаливания спирали зависит, главным образом, от класса точности амперметра ( k , % ) и вольтметра ( k , % ). Эти классы точности указаны на шкалах приборов цифрой в кружочке. Величина погрешности измерения температуры зависит также от относительной величины измеряемого тока и напряжения . Здесь I и U – наибольшие измеряемые приборами сила тока ( I = 3 А) и напряжение (U = 30 В ).
Таким образом, учитывая, что в формуле (12.8) температура фигурирует в четвёртой степени, предельную погрешность измерения температуры нити накаливания спирали можно определить с помощью зависимости:
, % (12.9)
Эта предельная погрешность определяет степень достоверности полученных результатов.