1. Radiație termică
2. Legile radiației unui corp absolut negru
3. Conceptul de piroterie optică
1. Radiație termică
Corpurile încălzite emit unde electromagnetice. Această radiație se realizează prin transformarea energiei mișcării termice a particulelor corpului în energie radiativă.
Radiația electromagnetică a unui corp în stare de echilibru termodinamic se numește radiație termică (temperatură). Uneori, radiația termică este înțeleasă nu numai pentru echilibru, ci și pentru radiația de echilibru a corpurilor datorită încălzirii.
O astfel de radiație de echilibru se realizează, de exemplu, dacă corpul radiant se află în interiorul unei cavități închise cu pereți opaci, a căror temperatură este egală cu temperatura corpului.
Sistemul corp izolat termic localizat la aceeași temperatură, schimb de căldură între corpurile prin emisia și absorbția radiației de căldură nu poate duce la perturbarea echilibrului termodinamic al sistemului, cum ar fi contrar, a doua lege a termodinamicii.
Prin urmare, pentru radiația termică a corpurilor, trebuie îndeplinită regula Prevost: dacă două corpuri absorb cantități diferite de energie la aceeași temperatură, atunci radiația lor termică la această temperatură trebuie să fie diferită.
Emisia (emisivitatea) sau densitatea spectrală a luminozității energetice a unui corp se numește cantitatea En, m, egală numeric cu densitatea energetică de suprafață a radiației termice a corpului și cu intervalul de frecvențe ale lățimii unității:
unde dW este energia radiației termice pe unitatea de suprafață a corpului pe unitate de timp în intervalul de frecvență de la v la v + dr.
Emisivitatea En, m, este caracteristica spectrală a radiației termice a corpului. Depinde de frecvența v, de temperatura absolută T a corpului și de materialul, forma și starea suprafeței. În sistemul SI, En, m, este măsurat în J / m2.
Absorbanta organism numit valoare monocromatica sau coeficientul de absorbție A n, t arată ce fracție energie dWpad livrată pe unitatea de timp pe unitatea de suprafață corporală a incidentului unde electromagnetice cu frecvențe de la v la v + dv, absorbit de către organism:
An, m este o cantitate fără dimensiuni. Aceasta depinde, în plus față de frecvența radiațiilor și a temperaturii corpului, de material, formă și stare de suprafață.
Corpul este numit absolut negru dacă, la orice temperatură, absoarbe complet toate undele electromagnetice care apar pe el: An, m negru = 1.
corpuri reale nu sunt complet negre, dar unele dintre proprietățile optice sunt aproape de corpul negru (negru, platină negru, catifea neagră în zona luminii vizibile sunt A n, t, difera putin de la unitate)
Corpul este numit gri, dacă absorbția acestuia este aceeași pentru toate frecvențele n și depinde numai de temperatură, material și starea suprafeței corpului
Între radiația Em, m și absorbția An și puterile oricărui corp opac, există o relație (legea lui Kirgoff în formă diferențială):
Pentru o frecvență și temperatură arbitrară, raportul dintre emisivitatea capacitatea organismului de a capacității sale de absorbție este aceeași pentru toate organismele și emisivitate egale en, adică un corp negru este o funcție de frecvență și temperatură (funcția Kirchhoff En, m = A n, RTE, m = 0).
Emisivitatea integrala (luminozitatea energiei) a corpului:
este densitatea de suprafață a puterii de radiație termică a corpului, adică energia radiației a tuturor frecvențelor posibile emise de o suprafață unitară a corpului pe unitate de timp.
Emisivitatea integrată eT a unui corp absolut negru:
2. Legile radiației unui corp absolut negru
Legile radiului corpului negru stabilesc dependența eT și en, T asupra frecvenței și temperaturii.
Legea lui Cmefan-Boltzmap:
valoare - constanta universală a lui Stefan-Boltzmann, egală cu 5,67 -10-8 W / m2 * deg4.
Distribuția energiei în spectrul de emisie a unui corp absolut negru, adică dependența en, T, asupra frecvenței la temperaturi diferite, are forma prezentată în figură:
unde c este viteza luminii în vid, iar af (v / T) este funcția universală a raportului dintre frecvența radiației unui corp absolut negru și temperatura sa.
Frecvența radiației nmax, care corespunde valorii maxime de emisivitate en, T a unui corp absolut negru, conform legii Wien este
unde b1 este o constantă în funcție de forma funcției f (n / T).
Legea prejudecății Buena: frecvența corespunzătoare valorii maxime a emisivității en, T a unui corp absolut negru este direct proporțională cu temperatura absolută.
Din punct de vedere energetic, radiația neagră este echivalentă cu emisia unui sistem cu un număr infinit de mari de oscilatoare armonice neinteresante, numite oscilatoare de radiație. În cazul în care # 949; (# 957;) este energia medie a unui oscilator de radiație cu frecvență naturală # 957; atunci
Conform legii clasice privind distribuirea uniformă a energiei în grade de libertate # 949; (# 957;) = kT, unde k este constanta Boltzmann și
Această relație se numește formula Rayleigh-Jeans. La frecvențe înalte, aceasta duce la o divergență puternică din experiența, numită „ultra-violete catastrofă: ro, T crește monoton cu creșterea frecvenței, cu nici un maxim, iar corpuluinegru emisivitate integrală devine infinit.
Motivul pentru dificultățile menționate mai sus întâlnite în găsirea forma funcției Kirchhoff en, T, asociat cu unul dintre principiile fundamentale ale fizicii clasice, potrivit căruia energia oricărui sistem poate fi modificat în mod continuu, de ex., E. poate lua orice valoare în mod arbitrar aproape.
Conform teoriei cuantice a lui Planck, energia unui oscilator de radiație cu o frecvență naturală v poate lua numai anumite valori discrete (cuantificate), care diferă printr-un număr întreg de porțiuni elementare - cuantele de energie:
h = 6, 625-10-34 J * sec - constanta Planck (cuantumul de acțiune). Prin urmare, trebuie să aibă loc emisia și absorbția energiei radiante particule ale corpului (atomi, molecule sau ioni) schimbul de energie cu oscilatoare de radiații, nu în mod continuu, dar discret - porțiuni separate (cuante).
3. Conceptul de piroterie optică
Pirometria optică este un set de metode pentru măsurarea temperaturilor ridicate pe baza relației dintre temperatură și emisivitate (integrală și spectrală) pentru corpul studiat. Instrumentele utilizate în acest scop se numesc pyrometre de radiație.
În pyrometrele de radiație se înregistrează radiația integrată a corpului încălzit în studiu, iar în cazul pirometrelor optice, radiația este detectată în una sau două regiuni înguste ale spectrului.
Aplicarea pirometru de radiație pentru măsurarea temperaturii corpurilor solide, lichide sau gazoase este posibilă numai în cazul în care se poate presupune un grad de precizie suficient că aceste organisme sunt într-o stare de echilibru termodinamic (sau în stări care sunt suficient de aproape de echilibru).
Temperatura de radiație Tp a unui corp dat este temperatura unui astfel de corp negru, a cărui radiație totală coincide cu radiația corpului studiat. Temperatura reală a corpului:
unde aT = ET / eT este negura corpului la temperatura T. Deoarece aT £ 1, atunci T ³Tr.
Temperatura de culoare T a unui corp non-negru este temperatura T a unui astfel de corp negru, care are o distribuție a energiei în spectrul cel mai apropiat de distribuția de energie a corpului de încercare la o anumită temperatură. Măsurarea acestuia reduce la determinarea abilităților radiante (El, T) și absorbției (Al, T) ale corpului investigat pentru două lungimi diferite de poli1 și 12. Apoi, în conformitate cu formula simplificată Planck
valabil pentru lT< Pentru corpurile gri, Al1T = Al2T și Te = T. Pentru corpurile care sunt foarte diferite de cele gri (de exemplu, cu absorbție și emisie selectivă), conceptul de temperatură a culorii nu are sens. Corpul Temperatura luminozitate Tg este temperatura o densitate spectrală corp negru strălucire care pentru l0 lungime de undă (de obicei, L0 = 660 nm) este strălucirea spectrală a densității a corpului investigat pentru aceeași lungime de undă și în direcția normală la suprafața sa. Densitatea spectrală a luminozității energetice a corpului radiant de temperatură T: 2. Yavorsky, B.M. Detlaf A.A. Manualul fizicii. -M. Science, 1978 - 944 p.
unde dBd este energia emisă de la suprafața unitară a corpului pe unitate de timp în intervalul lungimii de undă de la l la l + dl într-un unghi solid unic într-o anumită direcție. Pentru ca un corp radiant să respecte legea lui Lambert (p. 651),
unde El, T este emisivitatea corpului. În special, pentru un corp absolut negruArticole similare