Kebergantungan tahap kehitaman pada suhu. Kajian sinaran haba

Pemindahan haba sinaran antara badan dalam medium lutsinar (tahap emisiviti sistem dikurangkan, pengiraan pemindahan haba, kaedah untuk mengurangkan atau meningkatkan keamatan pemindahan haba).

Skrin

DALAM pelbagai kawasan Dalam teknologi, sering terdapat kes-kes apabila perlu untuk mengurangkan pemindahan haba oleh sinaran. Sebagai contoh, adalah perlu untuk melindungi pekerja daripada kesan sinaran haba di bengkel di mana terdapat permukaan dengan suhu tinggi. Dalam kes lain, adalah perlu untuk melindungi bahagian kayu bangunan daripada tenaga berseri untuk mengelakkan pencucuhan; Termometer harus dilindungi daripada tenaga pancaran, jika tidak, ia akan memberikan bacaan yang salah. Oleh itu, apabila perlu untuk mengurangkan pemindahan haba dengan sinaran, mereka terpaksa memasang skrin. Biasanya skrin adalah kepingan logam nipis dengan pemantulan tinggi. Suhu kedua-dua permukaan skrin boleh dianggap sama.

Mari kita pertimbangkan tindakan skrin di antara dua permukaan selari yang rata dan tanpa sempadan, dan kita akan mengabaikan pemindahan haba secara perolakan. Kami menganggap permukaan dinding dan skrin adalah sama. Suhu dinding T 1 dan T 2 dikekalkan malar, dengan T 1 >T 2 . Kami menganggap bahawa pekali emisitiviti dinding dan skrin adalah sama antara satu sama lain. Kemudian pekali emisitiviti yang dikurangkan antara permukaan tanpa skrin, antara permukaan pertama dan skrin, dan skrin dan permukaan kedua adalah sama antara satu sama lain.

Fluks haba yang dipindahkan dari permukaan pertama ke permukaan kedua (tanpa skrin) ditentukan daripada persamaan

Fluks haba yang dipindahkan dari permukaan pertama ke skrin ditemui oleh formula

dan dari skrin ke permukaan kedua mengikut persamaan

Dalam keadaan terma mantap, q 1 = q 2, oleh itu

di mana

Menggantikan suhu skrin yang terhasil ke dalam mana-mana persamaan, kita dapat

Membandingkan persamaan pertama dan terakhir, kami mendapati bahawa memasang satu skrin di bawah keadaan yang diterima mengurangkan pemindahan haba dengan sinaran sebanyak separuh:

(29-19)

Ia boleh dibuktikan bahawa memasang dua skrin mengurangkan pemindahan haba sebanyak tiga kali, memasang tiga skrin mengurangkan pemindahan haba sebanyak empat kali, dsb. Kesan ketara mengurangkan pemindahan haba melalui sinaran diperoleh apabila menggunakan skrin yang diperbuat daripada logam yang digilap, kemudian

(29-20)

di mana C "pr ialah pengurangan emisitiviti antara permukaan dan skrin;

Cpr ialah pengurangan emisitiviti antara permukaan.

Sinaran gas

Sinaran badan gas berbeza dengan ketara daripada sinaran jasad pepejal. Gas monoatomik dan diatomik mempunyai keupayaan emisi dan penyerapan yang boleh diabaikan. Gas-gas ini dianggap lutsinar kepada sinaran haba. Gas triatomik (CO 2 dan H 2 O, dsb.) dan gas poliatomik sudah mempunyai emisitiviti yang ketara, dan oleh itu kapasiti penyerapan. Pada suhu tinggi sinaran gas triatomik yang terbentuk semasa pembakaran bahan api telah nilai hebat untuk pengendalian peranti pertukaran haba. Spektrum pelepasan gas triatomik, berbeza dengan pelepasan jasad kelabu, mempunyai ciri selektif yang jelas. Gas-gas ini menyerap dan memancarkan tenaga sinaran hanya dalam julat panjang gelombang tertentu yang terletak di pelbagai bahagian spektrum (Rajah 29-6). Gas-gas ini telus kepada sinaran dengan panjang gelombang lain. Apabila rasuk bertemu

Dalam perjalanannya, terdapat lapisan gas yang mampu menyerap rasuk dengan panjang gelombang tertentu, kemudian rasuk ini diserap sebahagiannya, sebahagiannya melalui ketebalan gas dan keluar di sisi lain lapisan dengan intensiti kurang daripada pada pintu masuk. Lapisan yang sangat tebal boleh menyerap rasuk sepenuhnya. Di samping itu, penyerapan gas bergantung kepada tekanan separa atau bilangan molekul dan suhu. Pembebasan dan penyerapan tenaga sinaran dalam gas berlaku sepanjang keseluruhan isipadu.

Pekali penyerapan gas boleh ditentukan oleh hubungan berikut:

atau persamaan am

Ketebalan lapisan gas s bergantung kepada bentuk badan dan ditentukan sebagai purata panjang rasuk mengikut jadual empirikal.

Tekanan hasil pembakaran biasanya diambil bersamaan dengan 1 bar, oleh itu tekanan separa gas triatomik dalam campuran ditentukan oleh persamaan p co2, = r co2, dan P H 2 O = r H 2 O, di mana r ialah isipadu pecahan gas.

Purata suhu dinding dikira menggunakan persamaan

(29-21).

di mana T" st - suhu dinding saluran di salur masuk gas; T"" c t - suhu dinding saluran di saluran keluar gas.

Purata suhu gas ditentukan oleh formula

(29-22)

di mana T" g ialah suhu gas di pintu masuk ke saluran;

T"" p - suhu gas di pintu keluar dari saluran;

Tanda tambah diambil dalam kes penyejukan, dan tanda tolak dalam kes pemanasan gas dalam saluran.

Pengiraan pemindahan haba secara sinaran antara gas dan dinding saluran adalah sangat kompleks dan dilakukan menggunakan beberapa graf dan jadual. Kaedah pengiraan yang lebih mudah dan boleh dipercayai sepenuhnya telah dibangunkan oleh Shack, yang mencadangkan persamaan berikut yang menentukan sinaran gas ke dalam medium dengan suhu O°K:

(29-23)

(29-24)di mana p - tekanan separa gas, bar; s - ketebalan purata lapisan gas, m, T - suhu purata gas dan dinding, °K. Analisis persamaan di atas menunjukkan bahawa emisiviti gas tidak mematuhi undang-undang Stefan-Boltzmann. Pelepasan wap air adalah berkadar dengan T 3, dan pelepasan karbon dioksida adalah berkadar dengan T 3 "5.

undang-undang Planck. Keamatan sinaran bagi jasad I sl yang benar-benar hitam dan mana-mana jasad sebenar I l bergantung pada panjang gelombang.

betul-betul badan hitam pada masa ini, ia memancarkan sinar semua panjang gelombang dari l = 0 hingga l = ¥.

Jika anda entah bagaimana memisahkan sinar dengan panjang gelombang yang berbeza antara satu sama lain dan mengukur tenaga setiap sinar, ternyata taburan tenaga sepanjang spektrum adalah berbeza.

Apabila panjang gelombang bertambah, tenaga sinar bertambah, pada panjang gelombang tertentu ia mencapai maksimum, kemudian berkurangan. Di samping itu, untuk rasuk dengan panjang gelombang yang sama, tenaganya meningkat dengan saiz badan yang memancarkan sinar (Rajah 11.1).

Planck menetapkan undang-undang berikut tentang perubahan dalam keamatan sinaran badan hitam bergantung pada panjang gelombang:

I sl = с 1 l -5 / (е с/(l Т) – 1), (11.5)

Menggantikan undang-undang Planck ke dalam persamaan (11.7) dan menyepadukan daripada l = 0 hingga l = ¥, kita dapati sinaran kamiran (fluks haba) suatu jasad hitam mutlak adalah berkadar terus dengan kuasa keempat mutlaknya (undang-undang Stefan-Boltzmann) .

E s = С s (T/100) 4, (11.8)

di mana C s = 5.67 W/(m 2 * K 4) - emisitiviti badan hitam

Perhatikan dalam Rajah 11.1 jumlah tenaga yang sepadan dengan bahagian cahaya spektrum (0.4-0.8 mikron), adalah mudah untuk melihat bahawa untuk yang rendah ia adalah sangat kecil berbanding dengan tenaga sinaran integral. Hanya pada matahari ~ 6000K tenaga sinaran cahaya adalah kira-kira 50% daripada jumlah tenaga sinaran hitam. Semua badan sebenar yang digunakan dalam teknologi tidak sepenuhnya hitam dan, pada tahap yang sama, mengeluarkan tenaga kurang daripada badan yang benar-benar hitam. Sinaran juga bergantung pada panjang gelombang. Supaya undang-undang sinaran badan hitam boleh digunakan pada jasad sebenar, konsep jasad dan sinaran diperkenalkan. Sinaran difahami sebagai satu yang, sama dengan sinaran jasad hitam, mempunyai spektrum berterusan, tetapi keamatan sinaran bagi setiap panjang gelombang I l pada sebarang panjang gelombang ialah pecahan malar daripada keamatan sinaran badan hitam I sl, i.e. terdapat hubungan:

I l / I sl = e = const. (11.9)

Nilai e dipanggil darjah emisitiviti. Ia bergantung kepada sifat fizikal badan. Tahap kehitaman badan sentiasa kurang daripada satu.

undang-undang Kirchhoff. Bagi mana-mana badan, kebolehan pancaran dan penyerapan bergantung pada panjang gelombang. Badan yang berbeza mempunyai makna yang berbeza E dan A. Hubungan antara mereka ditubuhkan oleh undang-undang Kirchhoff:

E = E s *A atau E /A = E s = E s /A s = C s * (T/100) 4. (11.11)

Nisbah emisiviti jasad (E) kepada kapasiti penyerapannya (A) adalah sama untuk semua jasad pada keadaan yang sama dan adalah sama dengan emisiviti jasad hitam mutlak pada keadaan yang sama .

Dari undang-undang Kirchhoff ia mengikuti bahawa jika badan mempunyai kapasiti penyerapan yang rendah, maka ia pada masa yang sama mempunyai emisitiviti yang rendah (digilap). Badan hitam sepenuhnya, yang mempunyai kapasiti penyerapan maksimum, juga mempunyai emisitiviti yang paling besar.

Hukum Kirchhoff kekal sah untuk sinaran monokromatik. Nisbah keamatan sinaran badan pada panjang tertentu gelombang kepada kapasiti penyerapannya pada panjang gelombang yang sama adalah sama untuk semua jasad jika ia berada pada sama , dan secara berangka sama dengan keamatan sinaran jasad hitam mutlak pada panjang gelombang dan , i.e. ialah fungsi panjang gelombang sahaja dan:

E l / A l = I l / A l = E sl = I sl = f (l ,T). (11.12)

Oleh itu, jasad yang mengeluarkan tenaga pada panjang gelombang tertentu mampu menyerapnya pada panjang gelombang yang sama. Jika badan tidak menyerap tenaga di beberapa bahagian spektrum, maka ia tidak memancar di bahagian spektrum ini.

Ia juga mengikuti daripada undang-undang Kirchhoff bahawa tahap emisiviti badan e adalah secara numerik sama dengan pekali penyerapan A:

e = I l / I sl = E/ E sl = C / C sl = A. (11.13)

undang-undang Lambert. Tenaga sinaran yang dipancarkan oleh badan merebak di angkasa dalam arah yang berbeza dengan intensiti yang berbeza. Undang-undang yang menetapkan pergantungan intensiti sinaran pada arah dipanggil undang-undang Lambert.

Hukum Lambert menyatakan bahawa jumlah tenaga sinaran yang dipancarkan oleh unsur permukaan dF 1 ke arah unsur dF 2 adalah berkadar dengan hasil darab jumlah tenaga yang dipancarkan sepanjang dQ n normal dengan nilai sudut spatial dш dan cosс. , terdiri daripada arah sinaran dengan normal (Rajah 11.2):

d 2 Q n = dQ n *dw *cosj . (11.14)

Akibatnya, jumlah terbesar tenaga sinaran dipancarkan ke arah yang berserenjang dengan permukaan sinaran, iaitu pada (j = 0). Apabila j bertambah, jumlah tenaga sinaran berkurangan dan pada j = 90° ia adalah sifar. Hukum Lambert adalah sah sepenuhnya untuk jasad yang benar-benar hitam dan untuk jasad dengan sinaran resap pada j = 0 - 60°.

Undang-undang Lambert tidak terpakai pada permukaan yang digilap. Bagi mereka, pelepasan sinaran pada j akan lebih besar daripada arah biasa ke permukaan.

Tujuan kerja

Membiasakan diri dengan metodologi menjalankan eksperimen untuk menentukan tahap kehitaman permukaan badan.

Pembangunan kemahiran eksperimen.

Bersenam

Tentukan tahap emisiviti ε dan emisitiviti daripada permukaan 2 pelbagai bahan(kuprum dicat dan keluli digilap).

Wujudkan pergantungan perubahan dalam tahap emisiviti pada suhu permukaan.

Bandingkan nilai kehitaman tembaga dicat dan keluli digilap antara satu sama lain.

Pengenalan teori

Sinaran terma ialah proses pemindahan tenaga haba melalui gelombang elektromagnet. Jumlah haba yang dipindahkan oleh sinaran bergantung kepada sifat-sifat jasad sinaran dan suhunya dan tidak bergantung kepada suhu jasad sekeliling.

Secara amnya, kejadian fluks haba pada badan sebahagiannya diserap, sebahagiannya dipantulkan, dan sebahagiannya melalui badan (Rajah 1.1).

nasi. 1.1. Gambar rajah taburan tenaga sinaran

(2)

di mana - kejadian fluks haba pada badan,

- jumlah haba yang diserap oleh badan,

- jumlah haba yang dipantulkan oleh badan,

- jumlah haba yang melalui badan.

Kami membahagikan bahagian kanan dan kiri dengan fluks haba:

Kuantiti
dipanggil masing-masing: penyerapan, pemantulan dan penghantaran badan.

Jika
, Itu
, iaitu keseluruhan kejadian fluks haba pada badan diserap. Badan seperti itu dipanggil benar-benar hitam .

Badan yang mempunyai
,
mereka. keseluruhan kejadian fluks haba pada badan dipantulkan daripadanya, dipanggil putih . Lebih-lebih lagi, jika pantulan dari permukaan mematuhi undang-undang optik, badan dipanggil bercermin – jika pantulan meresap – benar-benar putih .

Badan yang mempunyai
,
mereka. keseluruhan kejadian fluks haba pada badan yang melaluinya dipanggil diatermik atau telus sepenuhnya .

Badan mutlak tidak wujud dalam alam semula jadi, tetapi konsep badan sedemikian sangat berguna, terutamanya mengenai badan hitam mutlak, kerana undang-undang yang mengawal sinarannya adalah sangat mudah, kerana tiada sinaran yang dipantulkan dari permukaannya.

Di samping itu, konsep badan yang benar-benar hitam memungkinkan untuk membuktikan bahawa dalam alam semula jadi tidak ada badan yang mengeluarkan lebih banyak haba daripada yang hitam.

Sebagai contoh, mengikut undang-undang Kirchhoff, nisbah emisiviti sesuatu jasad dan kapasiti penyerapannya adalah sama untuk semua jasad dan hanya bergantung pada suhu, untuk semua jasad, termasuk benar-benar hitam, pada suhu tertentu:

(3)

Sejak kapasiti penyerapan badan hitam sepenuhnya
A Dan dll. sentiasa kurang daripada 1, maka dari hukum Kirchhoff ia mengikuti bahawa emisitiviti maksimum mempunyai badan hitam sepenuhnya. Oleh kerana tiada jasad hitam mutlak dalam alam semula jadi, konsep jasad kelabu diperkenalkan, darjah kehitamannya ε, iaitu nisbah emisiviti jasad kelabu dan hitam mutlak:

Mengikuti undang-undang Kirchhoff dan mengambil kira itu
boleh ditulis
di mana
mereka . tahap kehitaman mencirikan kedua-dua pelepasan relatif dan kapasiti penyerapan badan . Undang-undang asas sinaran, mencerminkan pergantungan keamatan sinaran
berkaitan dengan julat panjang gelombang ini (sinaran monokromatik) ialah hukum Planck.

(4)

di mana - panjang gelombang, [m];

;

Dan ialah pemalar Planck pertama dan kedua.

Dalam Rajah. 1.2 persamaan ini dibentangkan secara grafik.

nasi. 1.2. Perwakilan grafik undang-undang Planck

Seperti yang dapat dilihat daripada graf, jasad hitam sepenuhnya memancarkan sinaran pada sebarang suhu pada julat panjang gelombang yang luas. Dengan peningkatan suhu, keamatan sinaran maksimum beralih ke arah gelombang yang lebih pendek. Fenomena ini diterangkan oleh undang-undang Wien:

di mana
- panjang gelombang sepadan dengan keamatan sinaran maksimum.

Dengan nilai
Daripada undang-undang Planck, seseorang boleh menggunakan undang-undang Rayleigh-Jeans, yang juga dipanggil "undang-undang sinaran gelombang panjang":

(6)

Keamatan sinaran berkaitan dengan keseluruhan julat panjang gelombang dari
kepada
(sinaran kamiran), boleh ditentukan daripada undang-undang Planck dengan pengamiran:

di manakah pelepasan badan hitam. Ungkapan itu dipanggil undang-undang Stefan-Boltzmann, yang ditubuhkan oleh Boltzmann. Untuk badan kelabu, undang-undang Stefan-Boltzmann ditulis sebagai:

(8)

- emisiviti badan kelabu. Pemindahan haba melalui sinaran antara dua permukaan ditentukan berdasarkan undang-undang Stefan-Boltzmann dan mempunyai bentuk:

(9)

Jika
, maka darjah emisiviti yang dikurangkan menjadi sama dengan tahap emisiviti permukaan , iaitu
. Keadaan ini menjadi asas kepada kaedah untuk menentukan emisiviti dan darjah emisiviti badan kelabu yang mempunyai saiz yang tidak ketara berbanding dengan badan yang bertukar antara satu sama lain tenaga pancaran

(10)

(11)

Seperti yang dapat dilihat dari formula, penentuan tahap emisivitas dan emisivitas DENGAN badan kelabu perlu mengetahui suhu permukaan badan sedang diuji, suhu persekitaran dan fluks haba sinaran dari permukaan badan
. Suhu Dan boleh diukur dengan kaedah yang diketahui. Dan fluks haba sinaran ditentukan daripada pertimbangan berikut.

Haba merebak dari permukaan jasad ke ruang sekeliling melalui sinaran dan pemindahan haba semasa perolakan bebas. Aliran penuh dari permukaan badan dengan itu akan sama dengan: