Теоретичні основи. Променева енергія є результатом внутріатомних збуджень і виникає за рахунок енергії інших видів, в основному теплової

Променева енергія є результатом внутріатомних збуджень і виникає за рахунок енергії інших видів, в основному теплової. Тому при нагріванні тіла частина теплової енергії неминуче перетворюється в променеву, так як першопричиною внутріатомних збуджень при цьому є температура тіла, то і кількість виникаючої променевої енергії визначається температурою і залежить тільки від неї.

Носієм променевої енергії є електромагнітні хвилі, які поглинаються тілами і при поглинанні енергія їх знову перетворюється в теплову. В найбільшій мірі такими властивостями володіють видимі та інфрачервоні промені, тобто промені з довжиною хвилі приблизно 0,4...40 мкм. Ці промені називають тепловими, а процес їх поширення – тепловим випромінюванням.

Закони поширення, відбиття і заломлення, встановлені для видимих променів, справедливі і для теплових.

Випромінювання властиве усім тілам і кожне з них випромінює енергію безперервно. При попаданні на інші тіла частина енергії випромінювання поглинається, частина відбивається і частина проходить через тіло. Кожне тіло не тільки безперервно випромінює, а і безперервно поглинає променеву енергію.

В результаті цих явищ, пов'язаних з подвійним взаємним перетворенням енергії (теплова – променева – теплова) і здійснюється процес променевого теплообміну. За одиницю променевої енергії приймається її кількість, еквівалентна 1 Дж.

Енергія Q, що випромінюється тілом за одиницю часу, вимірюється в Вт. Кількість енергії, що випромінюється з одиниці поверхні за одиницю часу, називається випромінювальною властивістю.

, Вт/м².

Із усієї кількості енергії Q, що попадає на тіло, Q _а поглинається, Q_r відбивається,. Q_d проходить через тіло:

Q_a+ Q_r+ Q_d = Q

Поділивши обидві частини рівняння на Q, одержимо:

A + R + D = 1

де: А – характеризує поглинальну властивість тіла; R – відбивальну властивість тіла; D - пропускну властивість тіла.

Ці величини безрозмірні і змінюються від 0 до 1. Якщо А = 1, то R = 0 і D = 0. Це означає, що вся падаюча променева енергія повністю поглинається тілом. Такі тіла називаються абсолютно чорними або просто чорними.

Якщо R = І, то А = 0 і D = 0. Це означає, що вся падаюча променева енергія повністю відбивається. При цьому, якщо відображення правильне, то його називають дзеркальним, якщо ж відображення дифузійне абсолютно білим.

Якщо D = І, то A = 0 і R = 0. Це означає, що вся падаюча променева енергія повністю проходить через тіло. Таке тіло називається абсолютно проникливим (прозорим).

Основні закони теплового випромінювання

Закон Планка. Випромінювальна властивість тіла Е – це кількість енергії, яка випромінюється одиницею поверхні за одиницю часу для всіх довжин хвиль. Однак, крім цієї величини для детального вивчення явища важливо знати також закон розподілення енергії випромінювання по довжинах хвиль при різних температурах

Залежність спектральної густини потоку випромінювання від довжини хвилі i температури встановлює закон Планка.

, Вт/м³,

де – довжина хвилі, м;

С₁ – перша константа випромінювання, Вт м;

С₂ – друга константа випромінювання, м/К;

е – основа натуральних логарифмів;

Т – температура тіла, К.

Оскільки закон Планка отримано для абсолютно чорного тіла по відношенню до не чорних тіл, то він виражає максимально можливу густину випромінювання. Для не чорних тіл необхідно враховувати фізичні властивості тіл.

Закон Стефана-Больцмана встановлює залежність густини потоку інтегрального випромінювання від температури:

де – стала Стефана-Больцмана.

Інтегрування цього рівняння дає залежність:

, Вт/м²_.

Для практичних розрахунків ця залежність записується у вигляді:

, Вт/м²,

де С₀ = 5,67 – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/м²К⁴.

Відповідно, енергія випромінювання пропорційна четвертій ступені абсолютної температури.

Якщо випромінювання проходить в навколишнє середовище, тоді

, Вт/м²,

де С – коефіцієнт випромінювання тіла, Вт/м²К⁴;

Т₁ – температура випромінюючого тіла, ⁰К;

Т₂ – температура навколишнього середовища, ⁰К.

4. Дослідна установка

Дослідна установка складається з робочої ділянки, яка має колбу 5 з випромінювачем 3. Джерелом випромінювання1 є ніхромовий дріт діаметром d = 0,3 мм, довжиною l = 75 мм розжарюваний електричним струмом 2. Дріт розташований в середині скляного пустотілого циліндра 4, який в свою чергу розташований в середині скляної колби 5 в якій циркулює повітря. В середині пустотілого циліндра 1 джерелом випромінювання забезпечується вакуум 10 мм рт.ст. На вході і виході охолоджувальної системи колби встановлені дві термопари 6 і 7. Колба 5 з випромінювачем встановлюється в спеціальний піддон та кріпиться до нього за допомогою двох затискачів. Підвід охолоджуючого повітря до колби виконано двома вентиляторами (один вдуває (+), а другий витягує (-) з колби повітря) в дослідах за вимогами викладача вводиться в роботу один з них. Колба 5 може покриватися дзеркальною плівкою.

Рис.6. Схема дослідної установки

1 – випромінювач (діаметр 0,3 мм, довжина 75 мм); 2 – регулятор випромінювача; 3 – ватметр; 4 – циліндр скляний; 5 – колба скляна; 6 – термопара на вході; 7 – термопара на виході