Изучение законов теплового излучения.

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Методическое указание к лабораторной работе № 6 – О.

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Т Ю М Е Н Ь 2004 г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6-О.

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

КРАТКАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для измерения температур раскаленных тел используется так называемые пирометрические методы, основанные на применении законов теплового излучения.

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение, обусловленное тепловым движением атомов и молекул вещества, т.е. за счет его внутренней энергии. Только тепловое излучение может находиться в термодинамическом равновесии с самим излучающим телом.

Электромагнитные излучения, обусловленные химическими, электромагнитными и другими процессами, не являются тепловыми и не могут находиться в термодинамическом равновесии с излучающим телом.

Любой поток световой /электромагнитной/ энергии, падающий на поверхность тела, в общем случае частично отражается от нее, частично проходит через тело, а остальная часть поглощается. Поглощенная энергия преобразуется чаще всего в энергию теплового движения молекул и атомов, поэтому тела, поглощающие лучи, нагреваются. В свою очередь, все тела испускают лучистую энергию в виде электромагнитных волн различной длины. Интенсивность излучения возрастает с повышением температуры. Кроме того, в спектре излучения наблюдается неравномерное распределение энергии по длинам электромагнитных волн.

Доля энергии, приходящаяся на различные участки спектра, за- висит от температуры излучающего тела. Например, при температуре 900-1000К наибольшая энергия излучения приходится на инфракрасные и красные участки спектра. При дальнейшем нагревании увеличивается доля энергии, приходящейся на видимые лучи.

Для характеристики теплового излучения используются следующие физические величины:

1. Поток энергии Ф, т.е. количество энергии, излучаемое в единицу времени / мощность излучения / и измеряемое в ваттах

, .

2. Поток энергии, испускаемой единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям, называют энергетической светимостью тела или интегральной плотностью излучения

, .

3. Спектральная плотность излучения - это поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела в интервале длин волн / лучеиспускательная способность тела /

, .

Зная лучеиспускательную способность тела в каждом спек- тральном участке, можно вычислить интегральную плотность излучения, просуммировав по всем длинам волн:

.

4. Поглощательная способность тела - это отношение поглощенного потока к падающему , т.е.

.

Для тела, полностью поглощающего падающее на него излучение всех длин волн при любой температуре, . Такое тело называется абсолютно черным. Тело, для которого поглощательная способность меньше единицы, но одинакова для всех длин волн и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела, называют серым. Следовательно, для серого тела .

Тепловое излучение, как равновесное излучение, должно подчиняться некоторым закономерностям, вытекающим из принципов термодинамики. Рассмотрим эти закономерности, т.е. законы теплового излучения.

ЗАКОН КИРХГОФА.

Отношение лучеиспускательной способности тела и его поглощательной способности не зависит от материала тела и равняется лучеиспускательной способности абсолютно черного тела, являясь универсальной функцией длины волны и температуры.

(1)

Для универсальной функции Кирхгофа, используя статистические методы и представления о квантовом характере теплового излучения, М. Планк вывел формулу, которая известна как формула Планка:

, (2)

где с - скорость света в вакууме, h= Дж×с - постоянная Планка, Дж / К - постоянная Больцмана.

ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ ВИНА.

Длина волны l_max, на которую приходится максимум спектральной испускательной способности абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре.

(3)

где м×К - постоянная Вина.

Из экспериментальных кривых зависимости функции спектральной плотности излучения от длины волны при различных температурах /рис.1/ следует, что распределение энергии в спектре абсолютно черного тела является неравномерным. Все кривые имеют максимум, который с увеличением температуры смещается в сторону более коротких волн.

Рис.1.