Температурная шкала

В процессах теплообмена энергия от более нагретого тела переходит к менее нагретому до установления теплового равновесия и выравнивания их температур. Это характеризует температуру как физическую величину, определяющую направление передачи тепловой энергии.

Она служит также мерой кинетической и потенциальной энергии вращательного и колебательного движения атомов газа, жидкости или твердого тела и имеет статистических характер.

Для пространства с разреженной материей температура определяется мощностью лучистой энергии и принимается равной температуре абсолютно черного тела (АЧТ) с такой же мощностью излучения.

Процесс измерения многих физических величин – это сравнение с мерой, принимаемой за единицу. Но температура не обладает аддитивным свойством, так как при разных ее значениях тела могут иметь разные энергетические состояния и различные физические свойства.

Поэтому процесс измерения температуры подобен процессу компараирования по шкале и определение на ней уровня измеряемой температуры.

Температурная шкала – это непрерывная совокупность чисел, линейно связанных с численными значениями какого-либо физического свойства, которое является однозначной и монотонной функцией температуры.

При построении температурной шкалы необходимо выбрать две основные точки, представляющие собой легко воспроизводимые температуры. Обычно за эти точки принимаются температуры фазового равновесия однокомпонентных чистых веществ (точки кипения или замерзания). Этим точкам приписывают значения температур и , которые определяют основной интервал температурной шкалы.

.

Полученное выражение носит название уравнения температурной шкалы. С его помощью можно по результатам измерения свойства Е при температуре определить ее численное значение.

В распространенной шкале Цельсия в качестве опорных точек приняты температура замерзания (0 ⁰С) и кипения (1000 ⁰С) воды при нормальном давлении. Температура обозначается . Рабочими веществами в термометрах, реализующих на практике эту шкалу, служит спирт или ртуть.

Основные законы теплового излучения

При тепловом контроле для регистрации температурных полей при бесконтактном методе используется тепловое излучение нагретых тел, представляющее собой электромагнитное излучение инфракрасного диапазона. Это излучение еще называют равновесным излучением, так как оно определяется лишь температурой нагретого тела и не зависит от его агрегатного состояния (твердое, жидкое или газообразное), т.е. излучение находится в равновесии с нагретым телом.

При изучении теплового излучения было замечено, что если два тела поглощают различное количество энергии, то эти тела должны по-разному и излучать. Это так называемое правило Прево.

Более детально и строго это правило обобщил Кирхгоф, которое выражается законом Кирхгофа. Он ввел понятие излучательной и поглощательной способности тела.

Излучательная способность тела определяется потоком излучения, посылаемым по всем направлениям с единицы поверхности нагретого тела в единицу времени, т.е. это энергетическая светимость нагретого тела.

Поглощательная способность тела – это отношение поглощенного потока излучения к падающему на тело потоку излучения

.

Кирхгоф также ввел понятие об абсолютном черном теле (АЧТ), которое играет огромную роль в законах теплового излучения нагретых тел. АЧТ – это тело, которое полностью поглощает падающее на него излучение для всех длин волн.

С учетом введенных понятий закон Кирхгофа выражается следующим образом: отношение испускательной и поглощательной способностей тела не зависит от природы тела, т.е. – есть универсальная для всех тел и температур функция длины волны и температуры, в то время как и могут изменяться чрезвычайно сильно при переходе от одного тела к другому.

Таким образом, универсальная функция в законе Кирхгофа есть не что иное, как излучательная способность абсолютно черного тела.

При расчетах удобно использовать спектральную излучательную способность нагретого тела в относительных единицах, для чего необходимо функцию Планка нормировать на ее максимальное значение, которое можно получить, используя закон смещения Вина

Полная энергетическая светимость абсолютно черного тела определяется законом Стефана-Больцмана

Из закона Планка следует, что интенсивность теплового излучения увеличивается при увеличении температуры нагретого тела. При этом для каждой температуры существует определенная длина волны, на которой наблюдается максимальная излучательная способность. Эта длина волны определяется законом смещения Вина. Чтобы найти эту длину волны из закона Планка, необходимо исследовать функцию Планка на максимум.

Рис.1 Распределение по длинам волн излучательной способности АЧТ для двух значений температуры.

Закон Стефана-Больцмана также можно получить из закона Планка, если проинтегрировать функцию Планка по всем длинам волн. Этот закон определяет количество тепловой энергии, излучаемой АЧТ при данной температуре.

Однако все тела в природе по своим характеристикам более или менее приближается к АЧТ, поэтому законы излучения АЧТ применимы к ним лишь в первом приближении. Излучение реальных тел при той же температуре может отличаться от излучения абсолютно черного тела как по интенсивности, так и по спектральному составу.

Тела, излучение которых отличается от излучения АЧТ только интенсивностью спектральных компонент, называются серыми. Для описания теплового излучения таких тел вводят коэффициент серости . Спектральная зависимость у серых тел такая же, как и у АЧТ, но абсолютное значение каждой спектральной компоненты отличается от аналогичных для АЧТ в раз. Если же коэффициент теплового излучения зависит от длины волны излучения, то такие излучатели называют селективными. Примером такого излучателя представляет вольфрам, в излучении которого максимум сдвинут в коротковолновую область по сравнению с излучением абсолютно черного тела. Наличие априорно неизвестного усредненного по поверхности значения коэффициента излучения не позволяет точно измерять температуру. (При наличии эталонов это не очень важно, но для непосредственного измерения температуры это важно)

Тепловой контроль лучше подходит для исследования неметаллов, так как они имеют более равномерный коэффициент теплового излучения. Металлы с зеркальной поверхностью имеют низкий коэффициент излучения, который сильно увеличивается при окислении, коррозии, загрязнении металлов.