Тепловые излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

излучение газоанализатор манометр тело

1. Параметры излучения. Основные законы излучения нагретых тел

2. Таблица: классификация газоанализаторов по принципу их работ

3. Классификация твердых тел по их способности пропускать излучения

4. Кроссворд: Электроконтактные манометры, тяго и напоромеры

1. Параметры излучения. Основные законы излучения нагретых тел

Тепловое излучение - это излучение электромагнитных волн атомами и молекулами тел за счет энергии теплового движения. Тепловое излучение, как и тепловое движение, существует при температуре выше абсолютного нуля. Тепловое излучение, в отличие от других видов излучения, например люминесценции, является равновесным. То есть при тепловом равновесии изолированной системы тел, они могут обмениваться тепловым излучением при одинаковой постоянной температуре сколь угодно долго без подвода энергии извне.

Параметры теплового излучения

1. Энергия излучения W - энергия, излучаемая телом со всей поверхности за время наблюдения. 2. Поток излучения - это мощность излучения со всей поверхности тела, равная энергии излучения в единицу времени. В системе СИ измеряется в ваттах (Вт). 3. Энергетическая светимость - мощность, излучаемая единицей площади поверхности тела. Единица измерения Вт/м2. 4. Спектральная плотность энергетической светимости . Другое её название - испускательная способность. Она характеризует распределение излучения по длинам волн и равна мощности излучения с единицы площади тела в единичном интервале длин волн. Единица измерения Вт/м3. 5. Тепловое излучение, падающее на непрозрачное тело, может отражаться от поверхности тела, либо поглощаться. Характеристикой поглощения служит поглощательная способность . Она равна отношению поглощенного потока к падающему на тело потоку. Согласно определению поглощательная способность не может быть больше единицы.

Особое место в теории теплового излучения занимает абсолютно черное тело, которое полностью поглощает падающее на него излучение, его поглощательная способность равна единице, а = 1 во всех диапазонах длин волн. Таких тел в природе нет. Даже у сажи а = 0,98. Моделью абсолютно черного тела может служить поверхность небольшого отверстия в полости, так как луч света, попав в полость, после многократных отражений исчезает. Если поглощательная способность тела одинакова во всем интервале длин волн и меньше единицы, то такое тело называется серым. Для зеркальной поверхности, а = 0. Для цветных тел поглощательная способность различна в разных диапазонах длин волн. Например, красное тело в большой степени поглощает синие -зеленые участки спектра, но отражает красные лучи.

Закон Планка. Интенсивности излучения абсолютно черного тела Isl и любого реального тела I l зависят от температуры и длины волны.

Абсолютно черное тело при данной температуре испускает лучи всех длин волн отl = 0 до l = Ґ. Если каким-либо образом отделить лучи с разными длинами волн друг от друга и измерить энергию каждого луча, то окажется, что распределение энергии вдоль спектра различно.

По мере увеличения длины волны энергия лучей возрастает, при некоторой длине волны достигает максимума, затем убывает. Кроме того, для луча одной и той же длины волны энергия его увеличивается с возрастанием температуры тела, испускающего лучи (рис.11.1).

Планк установил следующий закон изменения интенсивности излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры и длины волны:

Isl = с1 l-5 / (ес/(lТ) - 1), (11.5)

где е - основание натуральных логарифмов; с1 = 3,74*10-16 Вт/м2; с2 = 1,44*10-2 м*град; l - длина волны, м; Т -температура излучающего тела, К.

Из рис.11.1 видно, что для любой температуры интенсивность излучения Isl возрастает от нуля (при l=0) до своего наибольшего значения, а затем убывает до нуля (при l=Ґ). При повышении температуры интенсивность излучения для каждой длины волны возрастает.

Закон смещения Вина. Кроме того, из рис.11.1 следует, что максимумы кривых с повышением температуры смещаются в сторону более коротких волн. Длина волны lms, отвечающая максимальному значению Isl, определяется законом смещения Вина:

lms = 2,9 / T. (11.6)

С увеличением температуры lms уменьшается, что и следует из закона.

Пользуясь законом смещения Вина, можно измерять высокие температуры тел на расстоянии, например, расплавленных металлов, космических тел и др.

Закон Стефана-Больцмана. Планк установил, что каждой длине волны соответствует определенная интенсивность излучения, которая увеличивается с возрастанием температуры. Тепловой поток, излучаемый единицей поверхности черного тела в интервале длин волн от l до l + dl, может быть определен из уравнения

dEs = Isl*dl. (11.7)

Элементарная площадка на рис.11.1, ограниченная кривой Т = const, основанием dl l ординатами l и l + dl (Isl) определяет количество лучистой энергии dEs и называется лучеиспускательной способностью абсолютно черного тела для длин волн dл. Вся же площадь между любой кривой Т = const и осью абсцисс равна интегральному излучению черного тела в пределах от l = 0 до l = Ґ при данной температуре.

Подставляя в уравнение (11.7) закон Планка и интегрируя от от l = 0 до l = Ґ, найдем, что интегральное излучение (тепловой поток) абсолютно черного тела прямо пропорционально четвертой степени его абсолютной температуры (закон Стефана-Больцмана).

Es = Сs (Т/100)4, (11.8)

где Сs = 5,67 Вт/(м2*К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела

Отмечая на рис.11.1 количество энергии, отвечающей световой части спектра (0,4--0,8 мк), нетрудно заметить, что оно для невысоких температур очень мало по сравнению с энергией интегрального излучения. Только при температуре солнца ~ 6000К энергия световых лучей составляет около 50% от всей энергии черного излучения.

Все реальные тела, используемые в технике, не являются абсолютно черными и при одной и той же температуре излучают меньше энергии, чем абсолютно черное тело. Излучение реальных тел также зависит от температуры и длины волны. Чтобы законы излучения черного тела можно было применить для реальных тел, вводится понятие о сером теле и сером излучении. Под серым излучением понимают такое, которое аналогично излучению черного тела имеет сплошной спектр, но интенсивность лучей для каждой длины волны Il при любой температуре составляет неизменную долю от интенсивности излучения черного тела Isl, т.е. существует отношение:

Il/ Isl = e = const. (11.9)

Величину e называют степенью черноты. Она зависит от физических свойств тела. Степень черноты серых тел всегда меньше единицы.

Большинство реальных твердых тел с определенной степенью точности можно считать серыми телами, а их излучение -- серым излучением. Энергия интегрального излучения серого тела равна:

Е = e*Es = С* (Т/100)4. (11.10)

Лучеиспускательная способность серого тела составляет долю, равную е от лучеиспускательной способности черного тела.

Величину С = e*Es называют коэффициентом излучения серого тела. Величина С реальных тел в общем случае зависит не только от физических свойств тела, но и от состояния поверхности или от ее шероховатости, а также от температуры и длины волны. Значения коэффициентов излучения и степеней черноты тел берут из таблиц.

Таблица 11.1

Степень черноты полного нормального излучения для различных материалов

Закон Кирхгофа. Для всякого тела излучательная и поглощательная способности зависят от температуры и длины волны. Различные тела имеют различные значения Е и А. Зависимость между ними устанавливается законом Кирхгофа:

Е = Еs*А или Е /А = Еs = Еs/Аs = Сs*(Т/100)4. (11.11)

Отношение лучеиспускательной способности тела (Е) к его поглощательной способности (А) одинаково для всех серых тел, находящихся при одинаковых температурах и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре.

Из закона Кирхгофа следует, что если тело обладает малой поглощательной способностью, то оно одновременно обладает и малой лучеиспускательной способностью (полированные металлы). Абсолютно черное тело, обладающее максимальной поглощательной способностью, имеет и наибольшую излучательную способность.

Закон Кирхгофа остается справедливым и для монохроматического излучения. Отношение интенсивности излучения тела при определенной длине волны к его поглощательной способности при той же длине волны для всех тел одно и то же, если они находятся при одинаковых температурах, и численно равно интенсивности излучения абсолютно черного тела при той же длине волны и температуре, т.е. является функцией только длины волны итемпературы:

Еl / Аl = Il / Аl = Еsl = Isl = f (l,T). (11.12)

Поэтому тело, которое излучает энергию при какой-нибудь длине волны, способно поглощать ее при этой же длине волны. Если тело не поглощает энергию в какой-то части спектра, то оно в этой части спектра и не излучает.

Из закона Кирхгофа также следует, что степень черноты серого тела е при одной и той же температуре численно равно коэффициенту поглощения А:

e = Il / Isl = Е/ Еsl = C / Csl = А. (11.13)

Закон Ламберта. Излучаемая телом лучистая энергия распространяется в пространстве по различным направлениям с различной интенсивностью. Закон, устанавливающий зависимость интенсивности излучения от направления, называется законом Ламберта.

Закон Ламберта устанавливает, что количество лучистой энергии, излучаемое элементом поверхности dF1 в направлении элемента dF2, пропорционально произведению количества энергии, излучаемой по нормали dQn, на величину пространственного угла dщ и cosц, составленного направлением излучения с нормалью (рис.11.2):

d2Qn = dQn*dw*cosj. (11.14)

Следовательно, наибольшее количество лучистой энергии излучается в перпендикулярном направлении к поверхности излучения, т. е. при (j = 0). С увеличением j количество лучистой энергии уменьшается и при j = 90° равно нулю. Закон Ламберта полностью справедлив для абсолютно черного тела и для тел, обладающих диффузным излучением при j = 0 - 60°.

Для полированных поверхностей закон Ламберта неприменим. Для них лучеиспускание при угле j будет большим, чем в направлении, нормальном к поверхности.

2. Таблица: классификация газоанализаторов по принципу их работ

Газоанализаторы - это измерительные устройства для измерения концентрации определенных газов в атмосфере, дымовых или других смесях. По принципу действия газоанализаторы можно разбить на восемь групп

Термомагнитные газоанализаторы предназначены для измерения концентрации кислорода в дымовых газах и воздухе. Известно, что кислород, оксид и диоксид азота (О2, NO, NO2) обладают парамагнитными свойствами, т. е. втягиваются магнитным полем. Остальные газы - парамагнетики. На этом различии свойств основан принцип действия газоанализатора на О2.

Термокондуктометрические газоанализаторы предназначены для измерения концентрации оксида, диоксида углерода в газах.

Струйные газоанализаторы осуществляют измерение динамического напора струи газа, который вытекает из сопла.

Лазерный газоанализатор предназначен для анализа содержания примесных газов в воздушных пробах.

Принцип действия ультрафиолетовых газоанализаторов основан на избирательном поглощении молекулами газов и паров излучения в диапазоне 200-450 нм.

Инфракрасные газоанализаторы измеряют концентрацию СО, или СО2, или СН4 в горючих газах, например в колошниковом газе и в продуктах сгорания. Электрохимические газоанализаторы предназначены для определения токсических газов в помещениях или на рабочих зонах. Отличительной чертой данного устройства, является возможность применять его во взрывоопасных зонах.

Газоанализатор оптико-абсорбционный ОАС-3750-3 предназначен для измерения молярной доли оксида азота [NO], диоксида азота [NO2], аммиака [NH3] в бинарных газовых смесях состава NO/N2, NO2/N2 и NH3/N2 (воздух) в баллонах под давлением.

3. Классификация твердых тел по их способности пропускать излучения

Все реальные тела в природе способны отражать, поглощать и пропускать электромагнитное излучение.

1) Абсолютно чёрное тело (АЧТ) - тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение

Классической моделью абсолютно-чёрного тела является воображаемая поверхность отверстия в замкнутой полости, зачернённой изнутри печной сажей (самое известное в середине прошлого века «чёрное» вещество.

2) Абсолютно отражающее тело - тело, отражающее всё падающее на него излучение. Для такого тела

При этом различают два случая:

- абсолютно зеркальное тело, отражающее падающее на него излучение по закону «угол отражения равен углу падения»;

- абсолютно матовое тело, поверхность которого отражает падающее на него излучение диффузно, т.е. во всех направлениях.

3) Абсолютно прозрачное тело - тело, пропускающее всё падающее на него излучение, т.е. тело, совершенно не поглощающее и не отражающее падающее на него излучение

Сплошные среды с такими свойствами называются диатермическими. Примерами диатермических сред являются вакуум, неионизованные одно- и двухатомные газы.

4) Абсолютно серое тело (АСТ) - тело, оптические свойства которого не зависят от длины волны (частоты) излучения, т.е. для абсолютно серых тел

Естественно, тел с абсолютными оптическими свойствами (как впрочем и с любыми другими) в природе не существует (даже «чёрные дыры» оказываются не абсолютно чёрными вследствие квантовых эффектов). В частности, непрозрачные в оптическом диапазоне тела оказываются вполне прозрачными для рентгеновского и тем более гамма-излучения. Тем не менее, в приложении к энергетической практике, где значимый частотный диапазон излучения сравнительно узок, приведённая выше классификация вполне допустима.

4. Кроссворд: Электроконтактные манометры, тяго и напоромеры

1) Принцип работы электроконтактного манометра?

2) Манометры - типы?

3) Тяго и напоромеры:

напоромер, тягометр, тагонапоромер, дифманометр-тягомер - чувствительный элемент?

По горизонтале: 1; 7; 8; 9; 10

По вертикали: 2; 3; 4; 5; 6;

Размещено на Allbest.ru