Определение коэффициента излучения и степени черноты материалов калориметрическим методом

Цель работы: изучить основные закономерности теплообмена излучением, приобрести практические навыки определения показателей, характеризующих способность тел к излучению.

Задание:

1. Определить опытным путем значения коэффициента излучения и степени черноты электропроводящих материалов.

2. Изучить зависимость полученных характеристик от температуры и состояния поверхности.

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Существуют три основных способа переноса теплоты, существенно отличающихся друг от друга по своей физической природе:

- теплопроводность;

- конвекция;

- тепловое излучение.

При теплопроводности носителями тепловой энергии являются микрочастицы вещества – атомы и молекулы, конвекция – это способ переноса тепловой энергии за счет перемещения макроскопических количеств вещества из одной точки пространства в другую.

Излучение – это способ передачи внутренней энергии излучающего тела посредством электромагнитных волн. Все виды излучения имеют одинаковую природу и различаются только длиной волны. Некоторые разновидности излучения в зависимости от длины волны представлены в таблице 1.

Таблица 1

Излучение характеризуется спектром. Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длин волн, т.е. имеют сплошной спектр излучения с длиной волны l от 0 до ¥. Чистые металлы с полированной поверхностью, газы и пары излучают энергию дискретно в определенных интервалах длин волн, т.е. имеют прерывистый спектр. Если излучение характеризуется строго определенной длиной волны, то оно называется монохроматическим.

Количество энергии излучения Q, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность F, называется интегральным потоком излучения.

где E – излучательная способность тела.

Излучательная способность показывает какое количество энергии излучается в единицу времени с единицы поверхности.

Если в излучении присутствуют волны различной длины, то их доля в общей излучательной способности тела характеризуется спектральной излучательной способностью E_l.

Излучение, попадая на поверхность тела, в общем случае может поглощаться, отражаться или пропускаться через него (см. рис. 1).

Рис. 1. Распределение потока теплового излучения при взаимодействии с телом

Способность тела к поглощению, отражению или пропусканию излучения характеризуется следующими показателями:

- поглощательная способность тела;

- отражательная способность тела;

- пропускательная способность тела;

где Q – полный поток теплового излучения, воспринятый телом;

Q_A, Q_R, Q_D – соответственно поглощенный, отраженный и пропущенный поток теплового излучения.

Очевидно, что в общем случае . Возможны следующие частные случаи.

1. Если все излучение, попадая на поверхность тела, поглощается им, то такое тело называется абсолютно черным. В этом случае A=1, R=0, D=0.

2. Если все излучение, попадая на поверхность тела, отражается им, то оно называется абсолютно белым. В этом случае R=1, A=0, D=0.

3. Если все излучение, попадая на поверхность тела, пропускается через него, то такое тело называется абсолютно прозрачным или диатермичным. В этом случае D=1, A=0, R=0.

Реальные тела в той или иной степени обладают всеми этими способностями, поэтому их условно относят к числу так называемых серых тел.

Для расчета процессов теплообмена излучением необходимо знать основные законы теплового излучения.

Закон Планка.

Устанавливает зависимость спектральной излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны и температуры тела.

;

где E_0l - спектральная излучательная способность абсолютно черного тела (подстрочный индекс «0» характеризует, что показатель относится к абсолютно черному телу);

l - длина волны, м;

T – абсолютная температура тела, К;

С₁ = 3,74×10^-16 Вт/м² и С₂ = 0, 0144 м×К - постоянные закона Планка.

Графически зависимость () представлена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость спектральной излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны и температуры тела.