Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Глава 6 Тепловое излучение



Испускание и поглощение света происходит в результате колебаний заряженных частиц в атомах и молекулах, поэтому полное описание этих явлений можно дать лишь на основе законов взаимодействия между заряженными частицами и излучением.

Электромагнитное излучение, возникающее в результате возбуждения атомов или молекул их собственным тепловым движением, называется тепловым излучением. Тепловое излучение отличается от других видов излучения тем характерным свойством, что оно в замкнутой полости с адиабатическими стенками является равновесным. Все остальные виды излучения неравновесны. Поэтому ряд явлений, связанных с поглощением и испусканием света, нагретыми телами можно рассматривать не касаясь их механизма только с энергетической (термодинамической) точки зрения.

Полный поток энергии, т.е. поток, относящийся ко всем частотам (или длинам волн), испускаемый с единицы поверхности светящегося тела, называется интегральной энергетической светимостью

. (6.1)

Функция распределения энергии в потоке по частотам излучения r() представляет собой энергетическую светимость, отнесенную к единичному интервалу частот вблизи данной частоты. Ее называют спектральной испускательной способностьютела. Интегральная светимость и спектральная испускательная способность тела, очевидно связаны соотношением

(6.2)

Если на тело падает поток энергии Э, относящейся к малому интервалу частот вблизи некоторой частоты ν, то часть его рассеется и отразится от тела (для прозрачных тел частично пройдет сквозь тело), а часть потока /Э поглотится телом.

Величина, показывающая долю поглощенного потока вблизи данной частоты ν, называется поглощательной способностьютела α(ν)

(6.3)

Так как все тела обладают селективностью (избирательностью) поглощения, то для них а(ν)является функцией частоты. Если какое-либо тело поглощает в некотором интервале частот поток энергии полностью, то на этих частотах для данного тела а(ν ) =1. Во всех остальных случаях а(ν)<1.

Опыт показывает, что между испускательной и поглощательной способностями тела существует определенная связь (закон Кирхгофа)

(6.4)

Кирхгофом было установлено, что отношение (6.4) испускательной способности к поглощательной способности не зависит от природы тела, а является для всех тел одной и той жефункцией f(ν,T) от частоты ν и температуры T.

Предположим, что можно осуществить такое тело, которое полностью поглощает при любых температурах свет любого состава. Для этого тела поглощательная способность а(ν)=1 независимо от температуры и частоты. Такое тело называется абсолютно черным.

Для абсолютно черного тела r(ν) = f(ν,T) Таким образом, все абсолютно черные тела при данной температуре обладают одним и тем же распределением энергии по частотам (длинам волн), а светимость всех абсолютно черных тел одинаково меняется с температурой.

Моделью абсолютно черного тела может служить небольшое отверстие в полости. Если стенки полости нагреть, то из нее излучается энергия на различных частотах. Однако все падающее на отверстие полости излучение поглощается (рис. 41). По определению абсолютно черное тело −это такое тело, которое поглощает все падающее на него излучение. Отверстие в полости удовлетворяет этому условию.

Если излучение, выходящее из полости, разложить в спектр, и измерить интенсивность на различных частотах, то можно построить график зависимости интенсивности излучения от частоты r(ν). На рисунке 42 приведено несколько таких кривых при различных температурах (T1<T2<T3). Эти кривые были известны до 1900 года, но пользуясь законами классической физики, объяснить вид этих зависимостей не удавалось.

Основной задачей теории теплового излучения являлось нахождение вида функции Кирхгофа f(ν,T), т.е. выяснение вида зависимости испускательной способности абсолютно черного тела от его температуры u1080 и длины волны (частоты) излучения. Электромагнитная теория позволяет получить вид этой функции только для области больших длин волн. В классической статистической физике существует закон равномерного распределения энергии по степеням свободы, согласно которому при тепловом равновесии на каждую степень свободы осциллятора приходится одинаковая энергия, равная

При нагревании стенок полости в ней устанавливаются стоячие электромагнитные волны. На каждую стоячую волну приходится энергия равная . Чтобы найти полную энергию в полости необходимо выяснить сколько стоячих волн может уложиться в полости.

Для того чтобы в полости возникла стоячая волна, необходимо, чтобы от стенки до стенки уложилось целое число полуволн. Чем меньше длина волны, тем больше полуволн может уложиться (рис.43). Если на каждое колебание приходится одна и та же энергия, то интенсивность излучения должна расти с частотой. Опыты же дают (см. рис. 42), что интенсивность излучения с ростом частоты падает. Общее число возможных колебаний оказывается бесконечно большим и они должны были забрать всю энергию стенок, сколько бы к ним не подводили. Все предметы должны были бы охлаждаться, их тепло

постоянно переходило бы в излучение. Этот парадокс вошел в науку под названием "ультрафиолетовой катастрофы".

Чисто термодинамические рассуждения не позволяют найти вид функции f(ν,T).

Однако из термодинамических рассмотрений установлены три закона, которым подчиняется излучение абсолютно черного тела.

Закон Стефана-Больцмана относится к интегральной светимости: интегральная светимость абсолютно черного тела возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры тела

(6.5)

где σ−постоянная Стефана - Больцмана, показывающая изменение энергии излучения абсолютно черного тела с единицы площади его поверхности в единицу времени при изменении температуры тела на один градус.

Закон смещения Вина касается максимума излучательной способности абсолютно черного тела

Закон смещения Вина касается максимума излучательной способности абсолютно черного тела: частота νm, на которую приходится максимум излучательной способности f(ν,T), меняется пропорционально абсолютной температуре тела

(6.6)

где c/ - постоянная Вина.

Второй закон Вина указывает, что максимальная излучательная способность абсолютно черного тела fm,T) возрастает пропорционально пятой степени абсолютной температуры тела

(6.7)

Попытки объяснить спектральное распределение теплового излучения абсолютно черного тела привели к необходимости введения идеи квантования. Не может быть равновесия излучения с веществом таков вывод классической физики ("ультрафиолетовая катастрофа").

В 1900 году М. Планк разрешил этот парадокс. Он предложил, что частицы, из которых состоят стенки, могут изменять свою энергию дискретно, т.е. порциями с энергиями . Коэффициент пропорциональности между энергией Е и частотой ν носит название постоянной Планка h=6,62·10-34 Дж· с (часто в теории используется постоянная Планка в виде

Частицы, из которых состоят стенки излучают электромагнитные волны различных частот. Излучатели, которые могли бы испускать высокие частоты, находятся в состоянии минимальной энергией. Для возбуждения таких излучателей им следует передать энергию , много большую, чем средняя тепловая энергия , приходящаяся на одну частицу. Но согласно законам статической физики это событие маловероятно, так что возбужденной оказывается лишь малая доля таких излучателей, и интенсивность испущенного ими света мала.

Полученное Планком выражение для испускательной способности абсолютно черного тела полностью согласуется с результатами экспериментальных данных

 

(6.8)

Возникает вопрос: почему же скачкообразность в изменении энергии излучателей не замечали раньше? Потому, что значение постоянной Планка очень мало и потому порции энергии настолько ничтожны, что изменение энергии кажется непрерывным.

Результаты, полученные Планком, были первым серьезным указанием на то, что к явлениям лучеиспускания законы классической физики уже неприменимы. Не вытекая из какой-либо законченной теории, не являясь, тем более, теорией, сама по себе гипотеза Планка показывала, что должна быть создана новая теория. В этой новой теории должно быть существенно отражено, что некоторые физические величины способны принимать не непрерывный, но дискретный ряд значений. Эти результаты легли в основу квантовой теории

Пирометрия (от греч. pýr — огонь и мтерия), группа методов измерения температуры. Интенсивность теплового излучения сильно зависит от температуры Т тел и очень резко убывает с её уменьшением. Поэтому методы П. применяют для измерения относительно высоких температур (например, серийным радиационным пирометром от 200 °С и выше). При Т £ 1000 °С методы П. играют в целом второстепенную роль, но при Т > 1000 °С они становятся главными, а при Т > 3000 °С — практически единственными методами измерения Т. Методами П. в промышленных и лабораторных условиях определяют температуру в печах и др. нагревательных установках, температуру расплавленных металлов и изделий из них (проката и т.п.), температуру пламени, нагретых газов, плазмы. Методы П. не требуют контакта датчика измерительного прибора с телом, температура которого измеряется, и поэтому могут применяться для измерения очень высоких температур. Основное условие применимости методов П.— излучение тела должно быть чисто тепловым, т. е. оно должно подчиняться закону излучения Кирхгофа. Измерения наиболее просты для твёрдых тел и жидкостей, спектр излучения которых чисто сплошной. В этом случае измерения температуры осуществляют пирометрами, действие которых основано на законах излучения абсолютно черного тела. Обычно поверхности исследуемого тела придают форму полости, чтобы коэффициент поглощения был близок к единице (оптические свойства такого тела близки к свойствам абсолютно чёрного тела).Применение методов П. для исследования неравновесной плазмы даёт ценную информацию о её состоянии, хотя понятие температуры в этом случае неприменимо.

Энергетическая светимость абсолютно черного тела, т. е. энергия, излучаемая в 1 сек единицей поверхности, определяется формулой Стефана – Больцмана

Rэ=σ·T4 (6.9)

где T температура и σ- постоянная Стефана – Больцмана

σ = 5.67 · 10-8Вт/(м2·К4)

По закону смещения Вина произведение абсолютной температуры абсолютно черного тела на длину волны, при которой спектральная плотность энергетической светимости этого тела максимальна, равна постоянной величине, т.е.

По закону смещения Вина максимум энергии в спектре излучения абсолютно черного тела с повышением температуры смещается в сторону более коротких волн. Смещение максимума происходит у любых излучателей. Отношение спектральной испускательной способности нити лампы (синей и красной частей спектра) должно возрастать с повышением температуры.

Планк на основе квантовых представлений вывел аналитическое выражение для потока энергии, испускаемой с единицы поверхности абсолютно черного тела в интервале длин волн от l до l+Dl:

, (6.10)

где h - постоянная Планка;

с - скорость света;

k - постоянная Больцмана.

Умножив величину на спектральный коэффициент излучения металла , получим значение спектральной испускательной способности металла.

Отношение спектральных испускательных способностей металлов в одинаковых интервалах для разных длин волн (lКР и lСИН) при одной и той же температура равно:

. (6.11)

Учтя, что для длин волн, лежащих в видимой области спектра, и температур выше комнатной величина

 

из уравнения (13.4) получим отношение спектральных способностей металла при различных температурах Т1 и Т2 :

 

(6.12)

Отношение спектральных коэффициентов излучения вольфрама для температур, лежащих на интервале 1000°K - 2500°K, близко единице. Учитывая это, определим постоянную Планка из уравнения (6.13):

, (6.13)

где

Таким образом, для определения постоянной Стефана-Больцмана и постоянной Планка нужно знать абсолютную температуру вольфрамовой проволоки.

 

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПИРОМЕТРА

Работа пирометра основана на измерении квазимонохроматической яркости излучения нагретого объекта путем уравнения ее с яркостью эталона, в качестве которого используется специальная пирометрическая лампа, для которой дана зависимость температуры нити от тока.


Рис.44. Внешний вид пирометра.

 

Пирометр представляет собой телескоп, состоящий из объектива 1 и окулярного микроскопа 2, оправы которого закреплены на кронштейне. К кронштейну крепится блок ламп 3 с тремя лампами 4.

Объектив пирометра с помощью ручки 5 можно перемещать вдоль оптической оси. Необходимую диоптрическую наводку обеспечивает перемещение окуляра микроскопа.

Наведение на объект производится с помощью ручки 6 в горизонтальной плоскости и винтами 7 в вертикальной плоскости.

Для расширения температурной шкалы пирометр снабжен кассетой 8 со стеклянными поглощающими стеклами и выносным поглотителем 9. Для монохроматизации светового потока пирометр снабжен кассетой 10 со светофильтрами.

 


 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.