Мета роботи

Вивчення роботи оптичного пірометра із зникаючою ниткою і вимір з його допомогою температури нагрітого тіла. Визначення сталої Стефана-Больцмана і сталої в законі зміщення Віна.

1.2. Загальні положення

Теплове випромінювання – це електромагнітне випромінювання тіл, обумовлене їх нагріванням. Теплове випромінювання здійснюється за рахунок хаотичного теплового руху часток, що складають тіло.

Температура розжарених тіл зазвичай визначається методами, заснованими на законах випромінювання абсолютно чорного тіла. Абсолютно чорним тілом називається тіло, що поглинає всю падаючу на нього енергію.

Прилади, що вимірюють температуру тіла по його випромінюванню, носять назву оптичних пірометрів. У пірометрі із зникаючою ниткою поміщений еталон яскравості, для якого заздалегідь за допомогою порівняння з штучним чорним тілом встановлена залежність яскравості від температури. Яскравість тіла, температура якого вимірюється, порівнюється з яскравістю еталону в монохроматичному світлі довжини хвилі λ, рівної 6,5 10^-7 м. Таким еталоном в оптичному пірометрі служить нитка спеціальної електричної лампи розжарювання, званої пірометричною. Оптична система пірометра дозволяє розглядати нитку на тлі зображення тіла, що світиться. Регулюючи струм розжарювання в нитці пірометричної лампи, можна довести її яскравість до яскравості тіла, що світиться, – нитка стає не видна на його тлі. Можна вважати, що при рівності їх монохроматичних яскравостей рівні і температури. Проте це твердження справедливе лише у тому випадку, коли тіло, температура якого вимірюється, випромінює як абсолютно чорне. Якщо ж воно випромінює інакше, то його температура, визначена по рівності монохроматичних яскравостей, відрізняється від дійсної температури. Для нечорних тіл знайдена в такий спосіб температура називатиметься яскравісною. Така температура завжди нижча за термодинамічну температуру тіла; це пояснюється тим, що будь-яке реальне тіло випромінює менше, ніж абсолютно чорне тіло при одній і тій же температурі. Отже, реальне тіло, що володіє в даний момент однаковою монохроматичною яскравістю з деяким чорним тілом, має термодинамічну температуру вище за температуру чорного тіла, тобто вище за ту яскравісну температуру, яка визначається за допомогою нитки пірометра, прокаліброваної по випромінюванню абсолютно чорного тіла.

Від яскравісної температури можна перейти до дійсної температури розрахунковим шляхом, якщо відоме відношення яскравостей даного тіла і абсолютно чорного тіла для вибраної довжини хвилі випромінювання і певного інтервалу температур. Це відношення називається коефіцієнтом монохроматичної випромінювальної здатності . Величина має своє певне значення для кожного матеріалу.

Зв'язок між яскравісною і термодинамічною температурами встановлюється співвідношенням

,

(1.1)

звідки визначається дійсна термодинамічна температура тіла

,

(1.2)

де С₁ – комбінація універсальних сталих Планка, Больцмана і швидкості світла:

,

– довжина світлової хвилі (у нашому випадку м); – яскравісна температура тіла, безпосередньо виміряна пірометром із зникаючою ниткою; – термодинамічна температура тіла.

Закон Стефана-Больцмана для випромінювання абсолютно чорного тіла має вигляд

,

де – енергетична світність або випромінюваність; – стала Стефана-Больцмана; – абсолютна температура.

Закон зміщення Віна можна записати так:

,

де – довжина хвилі; – стала Віна.

Якщо випромінювання абсолютно чорного тіла, нагрітого до температури , відбувається в середі, що має абсолютну температуру , то закон Стефана-Больцмана матиме вигляд

.

(1.3)

Енергетична світність реального фізичного тіла завжди менше енергетичної світності абсолютно чорного тіла. Тому для нечорного тіла закон Стефана-Больцмана:

,

(1.4)

де коефіцієнт чорноти залежить від природи тіла, стану його поверхні і температури, а закон зміщення Віна для реального тіла можна записати, як

.

(1.5)

Таким чином, вимірявши енергетичну світність , температури і , і знаючи , , , можна розрахувати чисельне значення постійної в законі Стефана-Больцмана по формулі (1.4) і значення постійної в законі Віна по виразу (1.5).