Жылулық сәулеленудің негізгі ұғымдары мен заңдары

Жұмыс мақсаты: температурадан және беттік сипаттамалардан тәуелділіктегі электрөткізгіш материалдың сәуле шығару коэффициентін эксперименттік анықтау (кедір бұдырлық пен тотығу дәрежесінен)

Жұмысты өткізу тәртібі:

1.Жұмыстың теориялық бөлімімен танысу.

2.Зертханалық стендте эксперимент жүргізу.

3.Сымның жұмыс бөлігінің қызу қуатын және омдық кедергісін есептеу.

4.Сәулелену коэффициентін және қаралық дәрежесін есетеу.

5.Температурадан сәулелену коэффициентінің тәуелділік графигін тұрғызу.

6.Сәулелену коэффициентіне бет сапасының әсерін есептеу мен талдау

Теориялық негізі. Барлық қызған денелер вакуумда С=299,ж8*10⁶ м/с жарық жылдамдығымен таралатын электр-магниттік толқындар түрінде энергия шығарады.

Толқын ұзындығынан сәуленің бір затқа түсуі кезінде оның әсері тәуелді болады.(1-кесте).

1- кесте

Электр-магниттік тербелістердің үлгідегі жіктелуі.

Сәулелену түрлері	Сәуле толқындарының ұзындығы
Космостық ν-сәлулену Рентгендік Ультракүлгін Көрінетін Жылулық (инфрақызыл) Электромагниттік толқын	0,05*10-12 шамада 0,5*10-12- 0,1*10-12 1*10-12-20*10-9 20*10-9- 0,4*10-6 0,4*10-6- 0,8*10-6 0,8*10-6-0,8*10-3 0,2*10-3- 103

Көпшілік қатты және сұйық денелер λ мен 0 – ден ∞ дейін сәулеленің тұтас спектріне ие болатын толқындардың энергиясын сәулелендіреді. Мұндай денелерге өткізбейтіндер және электрдің жартылай өткізгіштері, сонымен қатар тотыққан кедір – бұдыр беттік металдар жатады. Беті ажарланған таза металдар, газдар мен булар үзік спектрге ие болатын толқындардың белгілі аралықтарында энергияны дискреті шағылады. Қатты және сұйық денелер едәуір сіңіру және шағылту қабілеттеріне ие болады. Бұл процестер, оларда қабаттардың жұқа беттерінде жүреді.

Сәулелену қарқыны дененің табиғатына, оның жылулық күйіне (температурасына), толқын ұзындығына, бет күйіне байланысты, ал газдар мен булар үшін қабат қалыңдығы мен қысымна байланысты, себебі олардың сәуле шығаруы және сіңіруі зат көлемінің барлық бөлшектерімен жүзеге асады.

Денелер арасындағы сәулелік жылуалмасу процесі - бұл жылу энергиясының сәулелікке айналу процесі және керсінше. Сәуле шығару абсолютті нольден өзге температураларда барлық денелерге тән. уаќыт бірлігіне ерікті бет Q арқылы берілетін сәуле энегиясының мөлшерін сәуле ағысы деп аталады. абсолюттік қара дененің сәуле энергиясынан шыққан сәулелік энергия басқа денеге түседі Q₀, нәтижесінде бір бөлігі Q_A сіңіріледі, Q_R екінші бір бөлігі шағылады және бір бөлігі Q_D өтеді.

(4.1)

мұнда A,R,D- дененің сіңіру, шағылту және өткізу қабілеттері сәйкес:

Бұдан:

A+D+R=1 (4.2)

Табиғатта идеалды денелер болмайды. А=1 абсолютті қара дене, -R=1 абсолютті ақ дене, -D=1 абсолютті мөлдір дене (диатермикалық) болмайды.

Кіріспеде идеалды дене процестерін қарастыру қажет, себебі олар шынайы денелермен жетпейтін қасиеттердің шекті мәндерін береді. шынайы денелер арасында сәулемен жылу тасмалдауда олардың әрбіреуіне:

A+R+D≠1, (4.3)

Бірақ жалпы жағдайда (2) қатынас дұрыс.

A, R және D мәндері дене табиғатына, бет күйіне, температураға және сәуле толқындарының ұзындығына тәуелді. Мысалға, кәдімгі шыны көзге байқалатын сәулені өткізеді және ультракүлгін сәулені өткізбейді, жылу сәулелерін өте аз дәрежеде өткізеді.

Жылулық сәуле шығару заңдары идеалды абсолютті қара денеге және термодинамикалық тепе-теңдікке сәйкес алынған. тепе-тең жылулық деп тұйықталған изотермиялық жүйелердегі денелердің жылулық сәуле деп атайды. жылулық сәуле динамикалық сипатқа ие болады. термодинамикалық тепе-тең жүйеде денелер бір уақытта сәуле шығарады және энергияны бірдей мөлшерде сіңіреді, ал нәтижелеуші энергия ағысы нольге тең (Q_нәт=0).

Толқын ұзындығының шексіз кіші аралығында шықан сәуле ағысының тығыздығы, толқын ұзындығының осы аралығының шамасына қатынасын сәуле ағысының спектрлік тығыздығы деп атайды Е_λ. абсолютті қара дененің толқын ұзындығы мен температураға байланысты сәуле ағысының спектрлік тығыздығы Планк заңымен айқындалады (2,4,5)

(4.4)

мұнда: Е_оλ- абсолютті қара дененің сәуле ағысының спектрлік тығыздығы (сәуленің спектрлік қарқыны), (Е_оλ)=1 Вт;

е-натуралды лагорифмдер негізі; С₁=3,74*10^-16 Вт/м² и С₂=1,438*10^-2м.

К - Планк заңының тұрақтысы; λ- толқын ұзындығы, (λ)=1м; Т- абсолюттік температура, Т=1К.

абсолютті қара дененің сәулелену тұтас спектрге ие болады және тек температура мен толқын ұзындығына тәуелді. λ=0 мен λ=∞ толқын ұзындығында сәулеленудің спектрлік тығыздығы нольге тең. Берілген толқын ұзындығында температураның жоғарлауымен Е_оλ үлкейеді. ағысының спектрлік тығыздығы Е_оλ сәулеленудің әрбір температурасында өзінің максималды мәніне ие болады. абсолютті қара дененің температурасы жоғарлауымен максимум қысқа толқындар жағына ығысады.

берілген температурада Т, максимум сәйкес келетін толқын ұзындығы λ_max, келесі түрде анықталады:

(4.5)

(5) қатынасы Вин заңының мазмұнын құрайды.

Стефан- Больцман заңы абсолютті қара дененің Е_о температурадан интегралды жарты шарлы сәулелік ағысының тығыздық тәуелділігін айқындайды:

(4.6)

мұнда: Е_о- абсолюттік қара дененің интегралды жартылай шар тәрізді сәуле ағысының тығыздығы, (Е_о)=1 Вт/м²; С_о – абсолюттік қара дененің сәулелену коэффициенті; С_о=5,6687 Вт/(м²К⁴), Т- дененің абсолюттік температурасы.

әрбір сұр денеге сәулеленудің спектрлік тығыздығы Е_λ толқынның барлық ұзындықтарына Е_оλ абсолюттік қара дененің сәулесінің спектрлік тығыздығынан бірдей температураны құрайды, яғни

(4.7)

ε_λ шамасы қаралықтың спектрлік дәрежесі деп аталады (спектрлік салыстырмалы шығару қабілеті), оның сандық мәні физикалық қасиеттерден, сол немесе басқа сұр дененің бет сапасына тәуелді.

Бәлкім, сұр дененің сәулесін анықтаушы шартқа сәйкес, сұр және абсолюттік қара дененің сәулелену спектрлері бірдей температураларда бір біріне ұқсас, ал қаралықтың интегралды дәрежесі ε спектрлікке ε_λ тең:

и ε=ε_λ. (4.8)

Стефан - Больцман заңы сұр дененің интегралды жартылай шар тәрізді сәуле ағысының тығыздығын анықтау үшін (1,5) түрде жазылады

(4.9)

мұнда С=εС_о сұр дененің сәулелену коэффициенті, (С)=1Вт/(м²К⁴).

сұр және абсолюттік қара дененің интегралды сәулеленуінің энергиясын салыстырып (8), сұр түстің қаралық дәрежесін ε сәулелену коэффициентінің қатынастары арқылы беруге болады

(4.10)

сұр дене үшін ε сәулелену 0 ден 1 дейінгі шектерде жатыр, ал сәулелену коэффициент 0 ден 5,6687 Вт/(м²К⁴) дейін.

Кирхгоф заңы (2,4) сіңіруші энергия, сол сияқты сәулелендіруші сияқты дене қасиеттері арасында байланыс орнатады және тұжырымдалады: дененің сәуле шашу қабілетінің сіңіру қасиетіне қатынасы бір температурадағы барлық денеге бірдей және сол температурадағы абсолюттік қара дененің сәуле шығару қабілетіне тең.

(4.11)

(11) теңдеуді мына түрге келтіруге болады:

ε = яғни ε = А (4.12)

Демек, қандайда бір дененің ε қаралық дәрежесі қаралық сәулеленудің бүкіл аралығында дәл сол температурадағы бір дененің сіңіру қабілетіне тең.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: