Laboratóriumi munka № 102
Laboratóriumi munka № 102
A Stefan-Boltzmann konstans meghatározása
Az átlátszatlan test felszínén fellépő fényenergia áramlása részben visszaverődik, és részben felszívódik. Az abszorbeált energiát más energiaformákká alakítják át, leggyakrabban a termikus mozgás energiájává. Ezért a sugárzást elnyelő testeket felmelegítik.
A test, amelyet a környezeti hőmérsékletnél magasabb hőmérsékletre melegítenek, elektromágneses hullámok formájában (folyamatos spektrum) hőforrást ad. Az ilyen sugárzás termikus (hőmérséklet).
Jelezzük a fényességgel a testfelület egységének egy hullámhosszon sugárzott energiájának mennyiségét egy másodperc alatt (különben ez az érték is az integrált sugárzási sűrűségnek nevezhető)
ahol E a szervezet által kibocsátott teljes energia.
A mérések azt mutatják, hogy a sugárzási energia egyenletesen oszlik el a fűtött testek által kibocsátott összes hullámhossz között.
Az egységnyi időegység alatt sugárzott energia a test felszíne egységének egységnyi hullámhosszintervallumban sugároz. a differenciális sugárzási sűrűségnek vagy a test sugárzási kapacitásának nevezik
A definícióból következik a kapcsolat a fényesség és a test emisszivitása között:
Amikor egy sugárzó folyadék hullik a test felszínére, az abszorpció, visszaverődés és energiaátvitel figyelhető meg. Az érték egyenlő az abszorbeált fény energiájának és az incidens fény energiájának arányával. a szervezet abszorpciós együtthatója vagy abszorpciós kapacitása
A visszaverődő fény energiájához és az incidens fény energiájához viszonyított aránynak megfelelő mennyiséget a visszaverődési tényezőnek vagy a test visszaverőképességének nevezik. Az együttható dimenzió nélküli, és megmutatja, hogy a hullámhossz-intervallumban a beeső sugárzás melyik része tükrözi a testet
Az adott test (közepes) és az összes incidens energia által átvitt fény energiájának arányával megegyező érték az úgynevezett áteresztés
Az átviteli együttható jellemzi a test átláthatóságát az incidens sugárzás tekintetében. A mérések azt mutatják, hogy az abszorpciós koefficiens (), transzmittancia () és a reflexió () test függ nemcsak a hullámhossz a beeső sugárzás, hanem a test hőmérsékletét, azaz a
A monokromatikus sugárzást nevezzük spektrális abszorpciós, átviteli és reflexiós spektrális együtthatóknak, amelyeket
.
H
A test, amely teljes mértékben elnyeli az összes beeső sugárzást bármilyen hullámhosszúságon bármilyen hőmérsékleten, az úgynevezett absolyutnochornym (pontosabban, teljesen elnyelő) karosszéria - rövid ABB.
Az összes hullámhosszra vonatkozó abszorpciós együttható az összes hullámhosszon egyenlő az egységgel, és a reflexiós koefficiens nulla.
Természetben nincsenek olyan testek, amelyek egybeesnek az abszolút fekete tulajdonságokkal. A korom vagy a platina niellal borított testek tulajdonságaik közelében vannak feltűnően fekete színnel, korlátozott hullámhossz-tartományban. Valódi testek, úgynevezett fekete, csak jól érzékelik a spektrum látható régiójából származó sugárzást.
Mindazonáltal egy olyan testre mutathat, amely tulajdonságai alapján gyakorlatilag nem különbözik egy teljesen fekete testtől - ez egy nagyon kis lyuk egy bizonyos üregben. Az ilyen üreg belsejébe bejutó hullámhosszú fénysugár csak többszörös reflexió után hagyhatja el. Minden reflexió a üreg falának egy részét a nyaláb energia elnyelődik, és csak egy kis töredéke a energiájú sugárzás, elkapta a lyuk kilép vissza; ezért a furat abszorpciós koefficiense nagyon közel van az egységhez. Az abszolút fekete test ilyen modellje magas hőmérsékletre melegíthető. Ezután az üregben lévő lyukból intenzív sugárzás keletkezik, és a lyuk fényesen világít (miközben még mindig teljesen abszorbeálódik). Az abszolút fekete test sugárzását néha "fekete sugárzásnak" nevezik, és magát a testet "teljes emitternek" nevezik. Furnace eszköz „szem” az olvadási vagy kokszolóit, tokos kemence nyíláson tanuló a szem példák (minták) teljesen fekete testek. A kísérleti tanulmányok és a termodinamikai érvelés eredményei a következő állításhoz vezettek:
Valamennyi test számára - természetétől függetlenül - az emisszió és a spektrális abszorpciós együttható aránya azonos hőmérsékleten és ugyanazon hullámhosszon. egy hullámhossz és hőmérséklet univerzális funkciója van.
Így Kirchhoff törvénye egyenlőséggel fejezhető ki:
,
ahol az 1. és 2. indexek az elsőre vonatkoznak. második, stb. szerveket.
Tegyük fel, hogy az egyik test teljesen fekete, az emisszióját ULL, T. Tekintettel arra, hogy az abszolút fekete test abszorpciós együtthatója egység, Kirchhoff törvényét ilyen módon írhatjuk le
Következésképpen az univerzális Kirchhoff-függvény egy abszolút fekete test emissziója,
Az egyes testek emissziójának aránya a spektrális abszorpciós együtthatójához megegyezik egy abszolút fekete test emissziójával azonos hullámhosszon és azonos hőmérsékleten
A Kirchhoff-törvény különbözõ formáján kívül létezik az integrált formája:
A szürke testek fényerősségének az abszorpciós együtthatóhoz viszonyított aránya a hőmérsékletfüggvény univerzális funkciója (minden szürke test esetében közös):
ahol R jelentése a sugárzás teljes spektruma egy adott hőmérsékleten.
Abszolút fekete test esetén = 1 minden hőmérsékleten, ezért R a fénysűrűség a T hőmérsékleten. Mivel minden test esetében <1. то светимость серых (не чёрных) тел всегда меньше, чем у абсолютно чёрного тела. Основываясь на гипотезе о квантовой природе излучения, Планк методами статистической физики показал, что
ahol h a Planck konstans;
k a Boltzmann konstans;
c- fénysebesség.
A (3) és (6) képletek alapján az abszolút fekete test integrált sugárzási intenzitása a Planck függvény integrálható a teljes hullámhosszintervallumon
Az abszolút fekete test által kibocsátott teljes energia arányos az abszolút hőmérséklet negyedik teljesítményével
= 5,6710 8 J / (m 2 сК 4) - a Stefan-Boltzmann konstans kísérletileg meghatározásra került. SI egységekben kifejezve J / (m 2 cK 4). Az ismert érték segítségével a Max Planck meghatározta az állandó h értékét (Planck állandója).
A Stefan-Boltzmann-törvényből következik, hogy a T1 hőmérsékleten elhelyezett abszolút fekete test felülete egység által továbbított hő mennyisége. egy T2 hőmérsékletű környezetbe. Ha a médium abszolút fekete testnek tekinthető, egyenlő
Az összes többi test sugárzása ugyanazt a szabályosságot követi, az egyes hullámhosszú sugárzás pedig kisebb, mint egy teljesen fekete test esetében. Teljes sugárzás
ahol aT - állandó anyagok (más néven a szürkeség faktor), ami azt mutatja, hogy hány alkalommal a szürke test bocsát ki kevesebb energiát feketetest vett ugyanezen a hőmérsékleten.
A Planck-formula alapján megállapíthatjuk, hogy a sugárzás a hullámhossz mentén oszlik meg. A maximális sugárzás intenzitását az állapot határozza meg
ami kifejezésekhez vezet
ahol b és C1 numerikus állandók (b = 2,89810 -3 mK).
A maximális sugárzás intenzitása hullámhossza fordítottan arányos a hőmérsékletével, vagyis a sugárzás maximális értéke a növekvő hőmérsékletű rövid hullámhosszak felé mozog:
A maximális sugárzási intenzitás arányos az abszolút hőmérséklet ötödik teljesítményével:
D
Célkitűzés: A hősugárzás törvényeinek tanulmányozása. Határozzuk meg a Stefan-Boltzmann állandóját egy hyperthermális test sugárzásával - egy volfrám szálat.
A munkamódszert a 2. ábrán mutatjuk be. 3. A wolframszál a transzformátor szekunder tekercsébe kerül. A sugárzó felületre leadott energia
g
Összehasonlítjuk a (14), (15), (16) és (17) összehasonlítást
ahol T1 a testhőmérséklet; T2 a környezeti hőmérséklet.
Az izzólámpa volfrámszálának hőmérsékletét fotoelektromos pirométerrel mérik, amelynek látófejében érzékeny fotocella található. A mérések pontosságának növelése érdekében egy forró szál képét lencsével vetítik a fénysorompóra. Amikor a fénysorompó világít, az áramkörben elektromos áram jelenik meg, arányos a fényárammal. Ezt az áramerősséget egy elektronikus potenciométerrel kell mérni, melyet ° C-ban kell kalibrálni.
A munka teljesítményének sorrendje
Engedélyezze a "Hálózat" billenőkapcsolót. Hagyja a készüléket 3 percig felmelegedni, majd a mérőrendszer készen áll a működésre.
Nyissa fel a látófej sapkáját és várja meg, míg a potenciométer a kiindulási helyzetbe kerül.
A "kevesebb, mint több" fogantyú 100 V-ra van állítva.
Végezzen el 10 mérést az áram és az izzítás hőmérsékletéről, változtassa meg a feszültség értékét 10 V-nál. Kísérleti adatokat kell megadni a táblázatban.
Számítsd ki a (18) képlet segítségével a Stefan-Boltzmann konstans értékeit, és a
képleteket (19) a mérési eredmények feldolgozásához. A kapott adatokat a táblázat tartalmazza. Jegyezze fel a végeredményt, figyelembe véve a konfidencia intervallumot. Hasonlítsa össze a Stefan-Boltzmann konstans kapott értékét a táblázatos értékkel.
Milyen sugárzást neveznek termikus sugárzásnak?
Mi a fényesség és az emisszió?
Mi nevezik teljesen fekete testnek?
Milyen abszorpciós, reflexiós és átviteli együtthatók vannak?
Hogyan függ a test emissziójától a hőmérséklet és a hullámhossz?
Készítsen Kirchhoff, Stefan-Boltzmann, Wine törvényeit.
A Stefan-Boltzmann és a Wien konstansok fizikai jelentése és dimenziója.