Utegemezi wa kiwango cha weusi kwenye joto. Utafiti wa mionzi ya joto

Uhamisho wa joto wa kung'aa kati ya miili katika hali ya uwazi (kupunguzwa kwa kiwango cha uzalishaji wa mfumo, hesabu ya uhamishaji wa joto, njia za kupunguza au kuongeza uhamishaji wa joto).

Skrini

KATIKA maeneo mbalimbali Katika teknolojia, kuna matukio mara nyingi wakati ni muhimu kupunguza uhamisho wa joto na mionzi. Kwa mfano, ni muhimu kulinda wafanyakazi kutokana na athari za mionzi ya joto katika warsha ambapo kuna nyuso na joto la juu. Katika hali nyingine, ni muhimu kulinda sehemu za mbao za majengo kutoka kwa nishati ya mionzi ili kuzuia moto; Thermometers inapaswa kulindwa kutokana na nishati ya radiant, vinginevyo watatoa usomaji usio sahihi. Kwa hiyo, wakati wowote ni muhimu kupunguza uhamisho wa joto kwa mionzi, wanaamua kufunga skrini. Kwa kawaida skrini ni karatasi nyembamba ya chuma yenye uakisi wa hali ya juu. Viwango vya joto vya nyuso zote mbili za skrini vinaweza kuchukuliwa kuwa sawa.

Hebu tuzingatie hatua ya skrini kati ya nyuso mbili za gorofa, zisizo na mipaka, na tutapuuza uhamisho wa joto kwa convection. Tunazingatia nyuso za kuta na skrini kuwa sawa. Joto la ukuta T 1 na T 2 hudumishwa mara kwa mara, na T 1 > T 2 . Tunadhani kwamba mgawo wa uzalishaji wa kuta na skrini ni sawa kwa kila mmoja. Kisha migawo iliyopunguzwa ya utoaji wa moshi kati ya nyuso zisizo na skrini, kati ya uso wa kwanza na skrini, na skrini na uso wa pili ni sawa kwa kila mmoja.

Fluji ya joto iliyohamishwa kutoka kwa uso wa kwanza hadi wa pili (bila skrini) imedhamiriwa kutoka kwa equation

Mzunguko wa joto unaohamishwa kutoka kwa uso wa kwanza hadi kwenye skrini hupatikana kwa fomula

na kutoka skrini hadi uso wa pili kulingana na equation

Katika hali ya kutosha ya joto, q 1 = q 2, kwa hiyo

wapi

Kubadilisha halijoto ya skrini inayotokana na milinganyo yoyote, tunapata

Kwa kulinganisha hesabu za kwanza na za mwisho, tunaona kuwa kusakinisha skrini moja chini ya hali zinazokubalika hupunguza uhamishaji wa joto kwa mionzi kwa nusu:

(29-19)

Inaweza kuthibitishwa kuwa kufunga skrini mbili hupunguza uhamisho wa joto kwa mara tatu, kufunga skrini tatu hupunguza uhamisho wa joto kwa mara nne, nk Athari kubwa ya kupunguza uhamisho wa joto na mionzi hupatikana wakati wa kutumia skrini iliyofanywa kwa chuma kilichosafishwa, basi.

(29-20)

ambapo C "pr ni uzalishaji uliopunguzwa kati ya uso na skrini;

Cpr ni uzalishaji uliopunguzwa kati ya nyuso.

Mionzi ya gesi

Mionzi miili ya gesi hutofautiana sana na mionzi ya miili imara. Gesi za monatomiki na diatomiki zina uwezo mdogo wa kufyonza na kunyonya. Gesi hizi huchukuliwa kuwa wazi kwa miale ya joto. Gesi za triatomic (CO 2 na H 2 O, nk) na gesi za polyatomic tayari zina uzalishaji mkubwa, na kwa hiyo uwezo wa kunyonya. Saa joto la juu mionzi ya gesi ya triatomic inayoundwa wakati wa mwako wa mafuta ina thamani kubwa kwa uendeshaji wa vifaa vya kubadilishana joto. Mtazamo wa utoaji wa gesi za triatomiki, tofauti na utoaji wa miili ya kijivu, una tabia iliyotamkwa ya kuchagua. Gesi hizi hufyonza na kutoa nishati inayong'aa tu katika safu fulani za urefu wa mawimbi zilizomo sehemu mbalimbali wigo (Mchoro 29-6). Gesi hizi ni wazi kwa miale ya urefu wa mawimbi mengine. Wakati boriti inakutana

Njiani, kuna safu ya gesi yenye uwezo wa kunyonya boriti na urefu uliopewa, basi boriti hii inafyonzwa kwa sehemu, inapita kwa unene wa gesi na inatoka kwa upande mwingine wa safu kwa nguvu chini ya saa. mlango. Safu nene sana inaweza kunyonya boriti kabisa. Kwa kuongeza, ngozi ya gesi inategemea shinikizo lake la sehemu au idadi ya molekuli na joto. Utoaji na ufyonzwaji wa nishati ya mionzi katika gesi hutokea kwa kiasi kizima.

Mgawo wa kunyonya gesi unaweza kuamuliwa na uhusiano ufuatao:

au mlingano wa jumla

Unene wa safu ya gesi s inategemea sura ya mwili na imedhamiriwa kama urefu wa wastani wa boriti kulingana na jedwali la majaribio.

Shinikizo la bidhaa za mwako kawaida huchukuliwa sawa na bar 1, kwa hiyo shinikizo la sehemu ya gesi ya triatomic katika mchanganyiko imedhamiriwa na equations p co2, = r co2, na P H 2 O = r H 2 O, ambapo r ni kiasi. sehemu ya gesi.

Joto la wastani la ukuta linahesabiwa kwa kutumia equation

(29-21).

ambapo T" st - joto la ukuta wa kituo kwenye mlango wa gesi; T"" c t - joto la ukuta wa kituo kwenye kituo cha gesi.

Joto la wastani la gesi limedhamiriwa na formula

(29-22)

ambapo T" g ni joto la gesi kwenye mlango wa chaneli;

T"" p - joto la gesi wakati wa kuondoka kutoka kwa kituo;

Ishara ya pamoja inachukuliwa katika kesi ya baridi, na ishara ya minus katika kesi ya kupokanzwa gesi kwenye chaneli.

Uhesabuji wa uhamisho wa joto na mionzi kati ya kuta za gesi na channel ni ngumu sana na hufanyika kwa kutumia idadi ya grafu na meza. Mbinu rahisi na ya kutegemewa kabisa ya kukokotoa ilitengenezwa na Shack, ambaye anapendekeza milinganyo ifuatayo ambayo huamua mnururisho wa gesi katika wastani na halijoto ya O°K:

(29-23)

(29-24) wapi p - shinikizo la sehemu gesi, bar; s - unene wa wastani wa safu ya gesi, m, T - wastani wa joto gesi na kuta, °K. Uchambuzi wa milinganyo hapo juu unaonyesha kuwa utovu wa gesi hautii sheria ya Stefan-Boltzmann. Utoaji wa mvuke wa maji ni sawia na T 3, na utoaji wa dioksidi kaboni ni sawia na T 3 "5.

Sheria ya Planck. Nguvu ya mionzi ya mwili mweusi kabisa mimi sl na mwili wowote halisi ninategemea urefu wa wimbi.

Kabisa mwili mweusi kwa hili, hutoa miale ya urefu wote wa mawimbi kutoka l = 0 hadi l = ¥.

Ikiwa kwa namna fulani tunatenganisha mionzi ya urefu tofauti kutoka kwa kila mmoja na kupima nishati ya kila ray, inageuka kuwa usambazaji wa nishati kando ya wigo ni tofauti.

Wakati urefu wa wimbi unavyoongezeka, nishati ya mionzi huongezeka, kwa urefu fulani hufikia kiwango cha juu, kisha hupungua. Kwa kuongeza, kwa boriti ya urefu sawa, nishati yake huongezeka kwa ukubwa wa mwili unaotoa mionzi (Mchoro 11.1).

Planck alianzisha sheria ifuatayo ya mabadiliko katika ukubwa wa mionzi ya mwili mweusi kulingana na urefu wa wimbi:

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

Kubadilisha sheria ya Planck katika equation (11.7) na kuunganisha kutoka l = 0 hadi l = ¥, tunapata kwamba mionzi muhimu (mtiririko wa joto) wa mwili mweusi kabisa unalingana moja kwa moja na nguvu ya nne ya ukamilifu wake (sheria ya Stefan-Boltzmann) .

E s = С s (T/100) 4, (11.8)

ambapo C s = 5.67 W/(m 2 * K 4) - uzalishaji wa mwili mweusi

Akibainisha katika Mchoro 11.1 kiasi cha nishati sambamba na sehemu ya mwanga ya wigo (microns 0.4-0.8), ni rahisi kuona kwamba kwa chini ni ndogo sana ikilinganishwa na nishati ya mionzi muhimu. Wakati wa jua tu ~ 6000K nishati ya miale ya mwanga ni karibu 50% ya jumla ya nishati ya mionzi nyeusi. Miili yote halisi inayotumiwa katika teknolojia sio nyeusi kabisa na, kwa kiwango sawa, hutoa nishati kidogo kuliko mwili mweusi kabisa. Mionzi pia inategemea urefu wa wimbi. Ili sheria za mionzi ya mwili mweusi ziweze kutumika kwa miili halisi, dhana ya mwili na mionzi huletwa. Mionzi inaeleweka kama moja ambayo, sawa na mionzi ya mwili mweusi, ina wigo unaoendelea, lakini ukubwa wa mionzi kwa kila urefu wa wimbi I l kwa urefu wowote ni sehemu ya mara kwa mara ya ukubwa wa mionzi ya mwili mweusi I sl, i.e. kuna uhusiano:

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

Thamani e inaitwa kiwango cha hewa chafu. Inategemea mali za kimwili miili. Kiwango cha weusi wa miili daima ni chini ya moja.

Sheria ya Kirchhoff. Kwa mwili wowote, uwezo wa kutoa na kunyonya hutegemea urefu wa wimbi. Miili tofauti kuwa na maana tofauti E na A. Uhusiano kati yao umewekwa na sheria ya Kirchhoff:

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

Uwiano wa hewa chafu ya mwili (E) na uwezo wake wa kunyonya (A) ni sawa kwa miili yote katika hali sawa na ni sawa na utokaji wa mwili mweusi kabisa kwa wakati mmoja.

Kutoka kwa sheria ya Kirchhoff inafuata kwamba ikiwa mwili una uwezo mdogo wa kunyonya, basi wakati huo huo una hewa ya chini (iliyosafishwa). Mwili mweusi kabisa, ambao una uwezo wa juu wa kunyonya, pia una uzalishaji mkubwa zaidi.

Sheria ya Kirchhoff inabakia halali kwa mionzi ya monochromatic. Uwiano wa nguvu ya mionzi ya mwili katika urefu fulani mawimbi kwa uwezo wake wa kunyonya kwa urefu sawa wa wimbi ni sawa kwa miili yote ikiwa iko sawa, na ni sawa na nambari na ukubwa wa mionzi ya mwili mweusi kabisa kwa urefu sawa na, i.e. ni kazi ya urefu wa mawimbi pekee na:

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

Kwa hiyo, mwili unaotoa nishati kwa urefu fulani wa wimbi una uwezo wa kunyonya kwa urefu sawa wa wavelength. Ikiwa mwili hauingizi nishati katika sehemu fulani ya wigo, basi haitoi katika sehemu hii ya wigo.

Pia inafuata kutoka kwa sheria ya Kirchhoff kwamba kiwango cha hewa chafu cha mwili e ni sawa na kihesabu cha mgawo A:

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

Sheria ya Lambert. Nishati ya kung'aa inayotolewa na mwili huenea angani kwa mwelekeo tofauti kwa nguvu tofauti. Sheria ambayo huanzisha utegemezi wa nguvu ya mionzi kwenye mwelekeo inaitwa sheria ya Lambert.

Sheria ya Lambert inasema kwamba kiasi cha nishati ya mionzi iliyotolewa na kipengele cha uso dF 1 katika mwelekeo wa kipengele dF 2 ni sawia na bidhaa ya kiasi cha nishati iliyotolewa pamoja na dQ ya kawaida n kwa thamani ya angle ya anga dш na cosс. , iliyojumuishwa na mwelekeo wa mionzi na kawaida (Mchoro 11.2):

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

Kwa hiyo, kiasi kikubwa cha nishati ya mionzi hutolewa kwa mwelekeo perpendicular kwa uso wa mionzi, yaani saa (j = 0). J inapoongezeka, kiasi cha nishati ya mionzi hupungua na kwa j = 90 ° ni sifuri. Sheria ya Lambert ni halali kabisa kwa mwili mweusi kabisa na kwa miili yenye mionzi iliyoenea kwa j = 0 - 60 °.

Sheria ya Lambert haitumiki kwa nyuso zilizosafishwa. Kwao, utoaji wa mionzi katika j itakuwa kubwa zaidi kuliko katika mwelekeo wa kawaida kwa uso.

Kusudi la kazi

Kufahamiana na mbinu ya kufanya majaribio ya kuamua kiwango cha weusi wa uso wa mwili.

Maendeleo ya ujuzi wa majaribio.

Zoezi

Amua kiwango cha hewa ε na utokezi kutoka kwa nyuso za 2 nyenzo mbalimbali(shaba iliyopakwa rangi na chuma iliyosafishwa).

Anzisha utegemezi wa mabadiliko katika kiwango cha moshi kwenye joto la uso.

Linganisha maadili meusi ya shaba iliyopakwa rangi na chuma iliyosafishwa na kila mmoja.

Utangulizi wa kinadharia

Mionzi ya joto ni mchakato wa kuhamisha nishati ya joto kupitia mawimbi ya umeme. Kiasi cha joto kinachohamishwa na mionzi inategemea mali ya mwili wa mionzi na joto lake na haitegemei joto la miili inayozunguka.

Kwa ujumla, tukio la joto la joto kwenye mwili linafyonzwa kwa sehemu, linaonyeshwa kwa sehemu, na linapita kwa mwili (Mchoro 1.1).

Mchele. 1.1. Mchoro wa usambazaji wa nishati ya radiant

(2)

Wapi - tukio la mabadiliko ya joto kwenye mwili;

- kiasi cha joto kufyonzwa na mwili,

- kiasi cha joto kinachoonyeshwa na mwili;

- kiasi cha joto kinachopita kupitia mwili.

Tunagawanya sehemu za kulia na kushoto kwa mtiririko wa joto:

Kiasi
huitwa kwa mtiririko huo: ngozi, kutafakari na uhamisho wa mwili.

Kama
, Hiyo
, i.e. tukio zima la mtiririko wa joto kwenye mwili humezwa. Mwili kama huo unaitwa nyeusi kabisa .

Miili hiyo
,
hizo. tukio zima la joto la joto kwenye mwili linaonyeshwa kutoka kwake, linaloitwa nyeupe . Zaidi ya hayo, ikiwa kutafakari kutoka kwa uso kunatii sheria za optics, mwili unaitwa iliyoakisiwa - ikiwa kutafakari kunaenea – nyeupe kabisa .

Miili hiyo
,
hizo. tukio zima la mtiririko wa joto kwenye mwili hupita ndani yake huitwa diathermic au uwazi kabisa .

Miili kamili haipo kwa maumbile, lakini wazo la miili kama hiyo ni muhimu sana, haswa juu ya mwili mweusi kabisa, kwani sheria zinazosimamia mionzi yake ni rahisi sana, kwa sababu hakuna mionzi inayoonyeshwa kutoka kwa uso wake.

Kwa kuongeza, dhana ya mwili mweusi kabisa hufanya iwezekanavyo kuthibitisha kwamba katika asili hakuna miili ambayo hutoa joto zaidi kuliko nyeusi.

Kwa mfano, kwa mujibu wa sheria ya Kirchhoff, uwiano wa emissivity ya mwili na uwezo wake wa kunyonya ni sawa kwa miili yote na inategemea joto tu, kwa miili yote, pamoja na nyeusi kabisa, kwa joto fulani:

(3)

Tangu uwezo wa kunyonya wa mwili mweusi kabisa
A Na nk. daima ni chini ya 1, basi kutoka kwa sheria ya Kirchhoff inafuata kwamba uzalishaji wa juu zaidi ana mwili mweusi kabisa. Kwa kuwa hakuna miili nyeusi kabisa katika maumbile, wazo la mwili wa kijivu huletwa, kiwango chake cha weusi ε, ambayo ni uwiano wa kutokwa kwa kijivu na mwili mweusi kabisa:

Kufuatia sheria ya Kirchhoff na kuzingatia hilo
inaweza kuandikwa
wapi
hizo . kiwango cha weusi ni sifa ya uwezo wa kufyonza na kunyonya wa mwili . Sheria ya msingi ya mionzi, inayoonyesha utegemezi wa kiwango cha mionzi
inayohusiana na safu hii ya urefu wa mawimbi (mnururisho wa monokromatiki) ni sheria ya Planck.

(4)

Wapi - urefu wa mawimbi, [m];

;

Na ni ya kwanza na ya pili ya Planck constants.

Katika Mtini. 1.2 mlinganyo huu umewasilishwa kwa michoro.

Mchele. 1.2. Uwakilishi wa picha Sheria ya Planck

Kama inavyoonekana kwenye grafu, mwili mweusi kabisa hutoa mionzi kwa halijoto yoyote juu ya anuwai ya urefu wa mawimbi. Kwa kuongezeka kwa joto, kiwango cha juu cha mionzi hubadilika kuelekea mawimbi mafupi. Jambo hili linaelezewa na sheria ya Wien:

Wapi
- urefu wa wimbi sambamba na kiwango cha juu cha mionzi.

Pamoja na maadili
Badala ya sheria ya Planck, mtu anaweza kutumia sheria ya Rayleigh-Jeans, ambayo pia inaitwa "sheria ya mionzi ya mawimbi marefu":

(6)

Nguvu ya mionzi inayohusiana na safu nzima ya mawimbi kutoka
kwa
(mionzi muhimu), inaweza kuamuliwa kutoka kwa sheria ya Planck kwa kuunganishwa:

mwili mweusi upo wapi. Usemi huo unaitwa sheria ya Stefan-Boltzmann, ambayo ilianzishwa na Boltzmann. Kwa miili ya kijivu, sheria ya Stefan-Boltzmann imeandikwa kama:

(8)

- kutokwa kwa unyevu wa mwili wa kijivu. Uhamisho wa joto kwa mionzi kati ya nyuso mbili huamua kulingana na sheria ya Stefan-Boltzmann na ina fomu:

(9)

Kama
, basi kiwango cha kupunguzwa cha uzalishaji kinakuwa sawa na kiwango cha uchafu wa uso , i.e.
. Hali hii ni msingi wa njia ya kuamua upungufu na kiwango cha utoaji wa miili ya kijivu ambayo ina vipimo vidogo ikilinganishwa na miili inayobadilishana. nishati ya kuangaza

(10)

(11)

Kama inavyoonekana kutoka kwa fomula, azimio la kiwango cha utoaji na utoaji NA mwili wa kijivu unahitaji kujua joto la uso mwili kupimwa, joto mazingira na mtiririko wa joto kutoka kwa uso wa mwili
. Halijoto Na inaweza kupimwa kwa njia zinazojulikana. Na flux ya joto ya radiant imedhamiriwa kutoka kwa masuala yafuatayo.

Joto huenea kutoka kwenye uso wa miili hadi kwenye nafasi inayozunguka kwa njia ya mionzi na uhamisho wa joto wakati wa convection ya bure. Mtiririko kamili kutoka kwa uso wa mwili kwa hivyo itakuwa sawa na: