Изучение лучистого теплообмена

                               Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования 

 

Петрозаводский государственный  университет

Кольский филиал

 

                                                 Физико-технический факультет

Кафедра _____Теплофизика_____________________

Специальность:140042

Отделение: очное,  группа №2

 

 

                                                    КУРСОВая РАБОТА

Дисциплина: «Тепломассаобмен»

                                          Тема: Изучение лучистого теплообмена

 

 

Выполнил студент гр.                       К.Н.Махова 
Научный  руководитель                   Г.Г.Петров

 

 

Кировск

2011

 

Задание:

1. Собрать опытную установку
2. Зафиксировать параметры опыта и записать их в таблицу опытных данных
3. Расчитать необходимые величины для исследования лучистого теплообмена и записать их в таблицу
4. Построить необходимые графики зависимости
5. Сделать выводы по исследуемой теме

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

1. Введение
2. Основные понятия
3. Описание опытной установки
4. Методика проведения опытов
5. Обработка результатов  экспериментального исследования
6. Выводы
7. Приложение
8. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Введение

Изучая закономерности теплового  излучения тел, физики надеялись  установить взаимосвязь между термодинамикой и оптикой.

Если в замкнутую полость  с зеркально отражающими стенками поместить несколько тел, нагретых до различной температуры, то, как  показывает опыт, такая система с  течением времени приходит в состояние  теплового равновесия, при котором  все тела приобретают одинаковую температуру. Тела обмениваются энергией только путем испускания и поглощения лучистой энергии. В состоянии равновесия процессы испускания и поглощения энергии  каждым телом в среднем компенсируют друг друга, и в пространстве между  телами плотность энергии излучения  достигает определенного значения, зависящего только от установившейся температуры тел. Это излучение, находящееся в термодинамическом  равновесии с телами, имеющими определенную температуру, называется равновесным или черным излучением. Плотность энергии равновесного излучения и его спектральный состав зависят только от температуры.

Если через малое отверстие  заглянуть внутрь полости, в которой  установилось термодинамическое равновесие между излучением и нагретыми  телами, то глаз не различит очертаний  тел и зафиксирует лишь однородное свечение всей полости в целом.

Пусть одно из тел в полости обладает свойством поглощать всю падающую на его поверхность лучистую энергию  любого спектрального состава. Такое  тело называют абсолютно черным. При заданной температуре собственное тепловое излучение абсолютно черного тела, находящегося в состоянии теплового равновесия с излучением, должно иметь тот же спектральный состав, что и окружающее это тело равновесное излучение. В противном случае равновесие между абсолютно черным телом и окружающем его излучением не могло бы установиться. Поэтому задача сводится к изучению спектрального состава излучения абсолютно черного тела. Решить эту задачу классическая физика оказалась не в состоянии.

Для установления равновесия в полости  необходимо, чтобы каждое тело испускало  ровно столько лучистой энергии, сколько оно поглощает. Это одна из важнейших закономерностей теплового  излучения. Отсюда следует, что при  заданной температуре абсолютно  черное тело испускает с поверхности  единичной площади в единицу  времени больше лучистой энергии, чем  любое другое тело.

Абсолютно черных тел в природе  не бывает. Хорошей моделью такого тела является небольшое отверстие в замкнутой полости (рис.1)

 

Рисунок 1 Модель абсолютно черного  тела

 

Свет, падающий через отверстие  внутрь полости, после многочисленных отражений будет практически  полностью поглощен стенками, и снаружи  отверстие будет казаться совершенно черным. Но если полость нагрета  до определенной температуры T, и внутри установилось тепловое равновесие, то собственное излучение полости, выходящее через отверстие, будет излучением абсолютно черного тела. Именно таким образом во всех экспериментах по исследованию теплового излучения моделируется абсолютно черное тело.

С увеличением температуры внутри полости будет возрастать энергия  выходящего из отверстия излучения и изменяться его спектральный состав. Распределение энергии по длинам волн в излучении абсолютно черного тела при заданной температуре T характеризуется излучательной способностью r (λ, T), равной мощности излучения с единицы поверхности тела в единичном интервале длин волн. Произведение r (λ, T) Δλ равно мощности излучения, испускаемого единичной площадкой поверхности по всем направлениям в интервале Δλ длин волн. Аналогично можно ввести распределение энергии по частотам r (ν, T). Функцию r (λ, T) (или r (ν, T)) часто называют спектральной светимостью, а полный поток R (T) излучения всех длин волн, равный

называют интегральной светимостью тела. К концу XIX века излучение абсолютно черного тела было хорошо изучено экспериментально.

 

В 1879 году Йозеф Стефан на основе анализа экспериментальных данных пришел к заключению, что интегральная светимость R (T) абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры T:

R (T) = σT4.

 

Несколько позднее, в 1884 году, Л. Больцман вывел эту зависимость теоретически, исходя из термодинамических соображений. Этот закон получил название закона Стефана–Больцмана. Числовое значение постоянной σ, по современным измерениям, составляет

σ = 5,671·108 Вт / (м2 · К4).

Рисунок 2.

Спектральное распределение  r (λ, T) излучения черного тела при различных температурах

 

К концу 90-х годов XIX века были выполнены тщательные экспериментальные измерения спектрального распределения излучения абсолютно черного тела, которые показали, что при каждом значении температуры T зависимость r (λ, T) имеет ярко выраженный максимум (рис. 2). С увеличением температуры максимум смещается в область коротких длин волн, причем произведение температуры T на длину волны λ_m, соответствующую максимуму, остается постоянным:

λmT = b   или   λm = b / T.

Это соотношение ранее  было получено Вином из термодинамики. Оно выражает так называемый закон смещения Вина: длина волны λ_m, на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре T.

b = 2,898·10–3 м·К.

Значение постоянной Вина :

 

При практически достижимых в лабораторных условиях температурах максимум излучательной способности r (λ, T) лежит в инфракрасной области. Только при T ≥ 5·10³ К максимум попадает в видимую область спектра. Максимум энергии излучения Солнца приходится примерно на 470 нм (зеленая область спектра), что соответствует температуре наружных слоев Солнца около 6200 К (если рассматривать Солнце как абсолютно черное тело).

Успехи термодинамики, позволившие  вывести законы Стефана–Больцмана  и Вина теоретически, вселяли надежду, что, исходя из термодинамических соображений, удастся получить всю кривую спектрального  распределения излучения черного  тела r(λ, T). В 1900 году эту проблему пытался решить знаменитый английский физик Д. Релей, который в основу своих рассуждений положил теорему классической статистической механики о равномерном распределении энергии по степеням свободы в состоянии термодинамического равновесия. Эта теорема была применена Релеем к равновесному излучению в полости. Несколько позже эту идею подробно развил Джинс. Таким путем удалось получить зависимость излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны λ и температуры T:

r (λ, T) = 8πkTλ–4.

 

Это соотношение называют формулой Релея–Джинса. Оно согласуется с экспериментальными данными только в области достаточно длинных волн (рис.  3.) Кроме того, из нее следует вывод о том, что интегральная светимость R (T) черного тела должна обращаться в бесконечность, а, следовательно, равновесие между нагретым телом и излучением в замкнутой полости может установиться только при абсолютном нуле температуры.

 

 

Рисунок 3.

Сравнение закона распределения  энергии по длинам волн r (λ, T) в излучении абсолютно черного тела с формулой Релея–Джинса при T = 1600 К

 

Таким образом, безупречный с точки  зрения классической физики вывод приводит к формуле, которая находится  в резком противоречии с опытом. Стало ясно, что решить задачу о  спектральном распределении излучения  абсолютно черного тела в рамках существующих теорий невозможно. Эта  задача была успешно решена М. Планком на основе новой идеи, чуждой классической физике.

Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом происходят не непрерывно, как это принимала  классическая физика, а конечными  порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света:

E = hν,

 

где h – так называемая постоянная Планка. h = 6,626·10^–34 Дж·с. Постоянная Планка – это универсальная константа, которая в квантовой физике играет ту же роль, что и скорость света в СТО.

На основе гипотезы о прерывистом  характере процессов излучения  и поглощения телами электромагнитного  излучения Планк получил формулу  для спектральной светимости абсолютно  черного тела. Формулу Планка удобно записывать в форме, выражающей распределение  энергии в спектре излучения  абсолютно черного тела по частотам ν, а не по длинам волн λ.

Здесь c – скорость света, h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Формула Планка хорошо описывает спектральное распределение излучения черного  тела при любых частотах. Она прекрасно  согласуется с экспериментальными данными. Из формулы Планка можно  вывести законы Стефана–Больцмана  и Вина. При hν << kT формула Планка переходит в формулу Релея–Джинса.

Решение проблемы излучения черного  тела ознаменовало начало новой эры  в физике. Нелегко было примириться  с отказом от классических представлений, и сам Планк, совершив великое  открытие, в течение нескольких лет  безуспешно пытался понять квантование  энергии с позиции классической физики.

Модель. Излучение абсолютно  черного тела

   

    Основные понятия

Теория  теплообмена или теплопередача – это наука, изучающая процессы и законы передачи теплоты. Передача теплоты представляет собой процесс обмена энергией между телами или системами тел. В связи с этим следует подчеркнуть, что теплота, как и работа, является лишь формой передачи энергии. Передача теплоты осуществляется различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Эти способы часто называют формами передачи теплоты.

Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты при непосредственном соприкосновении тел или отдельных частиц тела, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.

Под конвекцией понимают процесс передачи теплоты при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос энергии неразрывно связан с перемещением самой среды.

Тепловое  излучение (лучистый теплообмен) – это процесс передачи энергии путем электромагнитных волн. При тепловом излучении происходит двойное превращение энергии – внутренняя энергия излучающего тела переходит в энергию электромагнитного излучения и обратно, лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит во внутреннюю.

Отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота  в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с  другими способами передачи тепла  заключается в том, что он тоже обусловлен разностью температур.

 

Тепловое  излучение – это один из видов электромагнитного излучения. Другие его виды – радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения – возникают в отсутствие разности температур. Тепловое излучение может сопровождаться испусканием видимого света, но его энергия мала по сравнению с энергией излучения невидимой части спектра.

Лучистой  энергией называют энергию колебаний электромагнитного поля в интервале длин волн от 0,8 мкм до 40 мкм (тепловой диапазон излучения или инфракрасный, ИК-излучение).

Лучеиспускание - процесс превращения внутренней энергии тела в лучистую энергию. Энергия выходит через поверхность тела в окружающую среду. Лучеиспускание зависит от температуры и физических свойств тела.