Визначення інтегрального ступеня чорноти твердого тіла калориметричним методом
Мета роботи: вивчення основних закономірностей теорії променистого теплообміну, ознайомлення з методикою дослідження інтегрального ступеня чорноти твердого тіла.
Короткі відомості з теорії
Тепловим називають електромагнітне випромінювання, яке визначається температурою тіла. При температурах 273 … 4000 К теплове випромінювання займає інтервал довжин хвиль приблизно 0,7 … 1000 мкм, тобто включає червону ділянку видимого спектру і інфрачервоне випромінювання аж до міліметрових хвиль. Видимий спектр (0,4 … 0,8 мкм) є тепловим випромінюванням поверхні Сонця, температура якої 6000 К.
Більшість твердих та рідких тіл випромінюють енергію всіх довжин хвиль в інтервалі від 0 до 
, тобто мають суцільний (неперервний) спектр випромінювання. До твердих тіл, спектр випромінювання яких суцільний, відносяться непровідники і напівпровідники електрики, метали з окисленою шорсткою поверхнею. Метали з полірованою поверхнею, багатоатомні гази і пари (СО2, Н2О та ін.) характеризуються селективним (переривистим) спектром випромінюванням. Одноатомні та двоатомні гази прозорі для інфрачервоного випромінювання. Тверді тіла випромінюють і поглинають енергію тонким поверхневим шаром. Випромінювання і поглинання газів має об’ємний характер. Інтенсивність випромінювання залежить від природи тіла, його температури, довжини хвилі, стану поверхні, а для газів – ще від товщини шару і тиску.
|
|
|
Залежність інтенсивності випромінювання від температури значно більша, ніж в процесах теплопровідності і конвекції. Тому при високих температурах основним видом переносу є теплове випромінювання.
Поверхневою густиною потоку випромінювання 
, Вт/м2, називають величину 
, де 
– енергія, Вт, яка випромінюється площадкою 
, м2, за усіма напрямками півсфери (рис. 5. 1, а).
Енергетична яскравість 
, Вт/(ср · м2), визначається співвідношенням
,
де – 
, Вт, – енергія, що випромінюється площадкою ,м2, усередині тілесного кута 
, ср, в напрямку, який складає кут 
з нормаллю (рис. 5.1, б).
Для дифузних випромінювачів енергетична яскравість не залежить від напрямку, тому
; 
.
Останній вираз називають законом Ламберта (законом косинусів).
Величини і є інтегральними характеристиками, тобто відносяться до сумарного випромінювання за усіма довжинами хвиль. Спектральна густина 
і інтенсивність 
випромінювання записують у виді
; 
,
де 
і 
– характеристики випромінювання у інтервалі довжин хвиль від 
до 
. Зв'язок між спектральними і інтегральними величинами дають формули:
; 
.
Розрізняють власне ( 
), падаюче ( 
), відбите ( 
), поглинуте ( 
), ефективне ( 
) і результуюче ( 
) випромінювання. Власне випромінювання визначається виключно температурою і оптичними властивостями поверхні. Падаючий на непрозору поверхню променистий потік частково відбивається і частково поглинається: 
. Ділення обох частин рівності на приводить до співвідношення
|
|
|
,
де 
– коефіцієнт відбиття; 
– коефіцієнт поглинання. Отже якщо тіло добре відбиває променисту енергію, воно погано її поглинає. Для абсолютно чорного тіла 
і 
.
Густина потоку ефективного випромінювання визначається як
.
Результуюче випромінювання є різниця між власним випромінюванням тіла і тією частиною падаючого зовнішнього випромінювання, яке поглинається цим тілом,
.
Величина 
визначає потік енергії, який дане тіло передає оточуючим його тілам у процесі променистого теплообміну.
Закон Планка встановлює співвідношення між спектральною густиною випромінювання абсолютно чорного тіла 
, довжиною хвилі і абсолютною температурою 
:
,
де 
= 3,74 ∙ 10-16 Вт ∙ м2; 
= 1,44 ∙ 10-2 м ∙ К. Зі збільшенням температури зростає рівень випромінювання на всіх довжинах хвиль і відбувається зміщення максимуму випромінювання у бік коротких хвиль.
Закон Стефана – Больцмана визначає залежність інтегральної густини потоку випромінювання від абсолютної температури:
|
|
|
.
Величина 
Вт/(м2 · К4) є сталою Стефана – Больцмана.
У технічних розрахунках закон Стефана – Больцмана зручно застосовувати в іншій формі:
,
де 
– коефіцієнтом випромінювання абсолютно чорного тіла; =5,67 Вт/(м2 · К4).
Спектральним і інтегральним ступенем чорноти реальних тіл називають величини 
і 
. Для сірих тіл при фіксованій температурі 
; 
. У відповідності до закону Кірхгофа 
. Для сірих тіл рівні і інтегральні характеристики: 
.
Ступінь чорноти 
залежить від природи тіла, його температури, стану поверхні. Для металів із збільшенням температури вона зростає. При шорсткості поверхні, її забрудненні або окисненні може збільшуватися у декілька разів. Наприклад, для полірованого алюмінію = 0,04 … 0,06, при окисненні його поверхні = 0,2 … 0,3. Значення в залежності від температури і стану поверхні для різних матеріалів отримують дослідним шляхом.
Власне випромінювання реальних тіл розраховують за формулою
.
Кутовим коефіцієнтом випромінювання називають величину
,
де 
– повний потік випромінювання тіла 1 за усіма напрямками; 
– частка потоку випромінювання тіла 1, що падає на тіло 2. Для дифузного випромінювання кутові коефіцієнти визначаються виключно геометрією системи. Розглядаючи термодинамічну рівновагу тіл 
і 
, які обмінюються теплотою випромінюванням, отримують властивість взаємності кутових коефіцієнтів: 
. Властивість замкнутості 
витікає з закону збереження енергії для замкнутої системи 
тіл. Кутовий коефіцієнт 
дорівнює нулю у випадку не увігнутих (плоских і опуклих) тіл.
|
|
|
У випадку теплообміну випромінюванням між тілом, яке не має увігнутості, і його оболонкою (рис. 5.2) 
, 
і результуючий потік випромінювання, Вт, виражається формулою [ 1, 3, 6 ]:
, (5.1)
де приведений ступінь чорноти
. (5.2)
Коли тіло випромінює у необмежений простір ( 
>> 
) з (5.2) витікає, що 
, тобто приведений ступінь чорноти визначається ступенем чорноти меншого тіла. У цьому випадку формулою (5.1) можна користуватися для визначення ступеня чорноти меншого тіла:
. (5.3)
Співвідношення (5.3) лежить в основі калориметричного методу визначення інтегрального ступеня чорноти тіл. В калориметричному методі інтегральний ступінь чорноти визначається за тепловим потоком 
, що випромінює досліджуване тіло, і температурам поверхонь 
і 
. Поверхня досліджуваного тіла може передавати теплоту не тільки випромінюванням, але й конвекцією і теплопровідністю. Однак при достатньому розрідженні повітря тепловий потік від тіла передається практично тільки за рахунок випромінювання, тому з внутрішньої порожнини калориметра необхідно відкачувати повітря до тиску приблизно 10-5 мм. рт. ст. З іншими методами (радіаційним, регулярного режиму) можна ознайомитись в [2, 4, 5].
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 798; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!