Изучение лучистого теплообмена

Перенос лучистой энергии - процесс распространения лучистой энергии в пространстве. Характер переноса лучистой энергии зависит от физических свойств среды и спектрального состава излучения. Энергия может частично поглотиться, отразиться и частично пройти сквозь тело.

Поглощение - процесс превращения во внутреннюю энергию части лучистой энергии, попавшей на тело.

При отражении лучистой энергии  возможны два варианта:

1) диффузное отражение - отраженная энергия распространяется равномерно по всем направлениям в пределах полусферы;

2) зеркальное отражение - осуществляется по законам оптики.

 

Область применения

Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает  Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год за годом станциями, расположенными во многих точках земного  шара, составляет примерно 1,37 Вт/м². Солнечная энергия — источник жизни на Земле. Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для бытовых нужд.

Лучистый теплообменопределяет такие природные явления, как заморозки на почве и парниковый эффект атмосфер Земли и Венеры. С лучистым теплообменом связаны астрофизические процессы, протекающие в атмосферах планет и звёзд. Важную роль играет лучистый теплообмен в ядерных реакторах, топках паровых котлов, камерах сгорания авиационных и ракетных двигателей, в электрических  дугах. Лучистый теплообмен определяет тепловой режим космических аппаратов в открытом космосе и тепловые нагрузки при входе спускаемых аппаратов в атмосферу планет со скоростями, превышающими вторую космическую. Законы лучистого теплообмена используют при определении яркостной и цветовой температур тел и пламён, измерении лучистых тепловых потоков (радиометры), поглощательной способности тел.

Жилые и офисные помещения часто  обогревают небольшими электрическими теплоизлучателями; красноватое свечение их спиралей — это видимое тепловое излучение, близкое к границе инфракрасной части спектра. Помещение же обогревается теплотой, которую несет в основном невидимая, инфракрасная часть излучения.

В приборах ночного видения  применяются источник теплового  излучения и приемник, чувствительный к ИК-излучению, позволяющий видеть в темноте.

Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает  Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год за годом станциями, расположенными во многих точках земного  шара, составляет примерно 1,37 Вт/м². Солнечная энергия — источник жизни на Земле. Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для бытовых нужд.

 

Описание опытной  установки

 

На передней панели модуля расположен крепёжный винт 1, корпус термостата 5, гнёзда 3 и 4 для подключения источника питания и мультиметра (вольтметра), тумблер для подключения вольтметра.

Нагреваемая молибденовая  проволока-нить 7, находится в цилиндрическом стеклянном баллоне 8 с двойными стенками, между которыми залита вода. Температура воды в баллоне и стенки трубки постоянна в течение опыта. Молибденовая нить через гнёзда 3 и соединительные провода подключается к источнику питания постоянного тока приборного модуля. Ток в нити определяется по падению напряжения U₀ по балластному сопротивлению R₀.

Напряжение на проволоке  и падение напряжения на балластном сопротивлении измеряется мультиметром (вольтметром) модуля, подключённым с помощью соединительных проводов к гнёздам 4 при соответствующем положении переключателя 6.

При нагревании нити вдоль радиуса трубки создаётся градиент температуры.

Площадь, через которую  передаётся тепло, равна площади  поверхности цилиндра с нагретой нитью.

(См. приложение 1)

   

     Методика проведения опытов

При проведении эксперимента лаборант регулирует напряжение, подаваемое на исследуемый образец. Для каждого  из задаваемых режимов фиксируются  параметры опытов и записывают их в таблицу опытных данных (табл. 1).

   

 

 

 

 

     Таблица 1

 Опытные данные  по исследованию лучистого теплообмен

 

Наименование величины	Номер опыта
	1	2	3	4
Напряжение, подводимое к молибденовой нити, Uн,(В)	5	10	15	20
Напряжение на образцовом сопротивлении  Ur ,( мВ)	7,5	15,2	22,4	27,8
Длина молибденовой нити l, (м)	0,4	0,4	0,4	0,4
Диаметр молибденовой нити d1, (м)	0,0001	0,0001	0,0001	0,0001
Внутренний диаметр стеклянной трубки d2, (м)	0,006	0,006	0,006	0,006
Температура стенки трубки с нитью Тст,( К)	294,45
Температура нити Tн, (K)	295,15	295,35	295,65	295,85
Сила тока, проходящего через  исследуемый образец, Iн , (А)	0,075	0,152	0,224	0,278

 

 

 

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

     Обработка результатов  экспериментального исследования

      Таблица №2

Наименование величины	1	2	3	4
Сопротивление R,(Ом) R= Uн/ I	66,67	66,79	66,96	71,94
Мощность P,(Вт) P= (Uн* I)/ R	0,0056	0,022	0,050	0,077
	0,7045	0,8095	1,4830	1,732
X,(Вт/К*м) X=*	1,148	1,319	2,417	2,823
Тепловой поток, передаваемый за счёт лучистого теплообмена Q= U* I*∆T (Вт)	0,262	0,304	1,008	1,112
Тепловой поток через поверхность  цилиндра Q= C* M*∆T C=4200 Дж/(кг °С) M=0,5 кг	1470	420	630	420

 

 

 

График зависимости температуры  нагрева молибденовой нити от его       сопротивления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    α₁₌35

α₂₌39

α₃₌56

α₄₌60

   

 

   Выводы

Таким образом, в ходе исследуемой  темы мною была собрана опытная установка (см приложение 1), с помощью которой были зафиксированы необходимые параметры для расчётов некоторых величин.

Был построен график зависимости  мощности от температуры нагрева  молибденовой нити, который показывает что с ростом температуры нагрева увеличивается мощность.

Были рассчитаны коэффициенты теплопроводности воздуха вблизи нагретой нити, а также тепловые потоки передаваемые за счёт лучистого теплообмена и тепловые потоки через поверхность цилиндра. Можно сделать вывод о том что, тепловой поток передаваемый за счёт лучистого теплообмена значительно меньше, еплового потока, передаваемого через поверхность цилиндра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Приложение 1

Список литературы:

1. Земанский М. Температуры очень высокие и очень низкие.. — М.: 1968.
2. Поль Р. Механика, акустика и учение о теплоте.. — М.: 1971.
3. Смородинский Я.А. Температура.. — М.: 1981.
4. Фен Дж. Машины, энергия и энтропия.. — М.: 1986.
5. Эткинс П.В. Порядок и беспорядок в природе.. — М.: 1987.
6. Практикум по теплопередаче: Учебное пособие для вузов/А.П. Солодов, Ф.Ф. Цветков, А.В. Елисеев, В.А. Осипова. Под редакцией А.П. Солодова. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 296 с.
7. Теплотехнический справочник. Издание 2-е переработанное. Под редакцией В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. Т. 1. – М.: Энергия, 1975. – 744 с.