русс | укр

Языки программирования

ПаскальСиАссемблерJavaMatlabPhpHtmlJavaScriptCSSC#DelphiТурбо Пролог

Компьютерные сетиСистемное программное обеспечениеИнформационные технологииПрограммирование

Все о программировании


Linux Unix Алгоритмические языки Аналоговые и гибридные вычислительные устройства Архитектура микроконтроллеров Введение в разработку распределенных информационных систем Введение в численные методы Дискретная математика Информационное обслуживание пользователей Информация и моделирование в управлении производством Компьютерная графика Математическое и компьютерное моделирование Моделирование Нейрокомпьютеры Проектирование программ диагностики компьютерных систем и сетей Проектирование системных программ Системы счисления Теория статистики Теория оптимизации Уроки AutoCAD 3D Уроки базы данных Access Уроки Orcad Цифровые автоматы Шпаргалки по компьютеру Шпаргалки по программированию Экспертные системы Элементы теории информации

Короткі теоретичні відомості


Дата добавления: 2015-09-15; просмотров: 1135; Нарушение авторских прав


Загальна фізика

Квантова фізика

Методичні вказівки

до лабораторних робіт для студентів денної форми навчання факультету інформатики та обчислювальної техніки

 

Затверджено Методичною радою НТУУ „КПІ”

 

 

Київ

НТУУ”КПІ”


Загальна фізика. Квантова фізика :методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів денної форми навчання факультету інформатики та обчислювальної техніки / Уклад.: В.П.Бригінець, О.О.Гусева, І.В. Лінчевський, Н.О.Якуніна. - К.: НТУУ ”КПІ”, 2009.- 60 с.

 

Гриф надано Методичною радою НТУУ „КПІ”

(Протокол № від 2009 р.)

 

 

Навчальне видання

 

Загальна фізика

Квантова фізика

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт

для студентів денної форми навчання

факультету інформатики та обчислювальної техніки

 

Укладачі: Бригінець Валентин Петрович, к.ф.-м.н, доцент

Гусєва Ольга Олександрівна, к.ф.-м.н, доцент

Лінчевський Ігор Валентинович, к.т.н, доцент

Якуніна Ольга Олександрівна, к.ф.-м.н, доцент

 

Відповідальний редактор В.М.Локтєв, д-р фіз.-мат.наук, акад.

 

Рецензент: В.І.Ужва, канд. фіз.-мат. наук., доцент

Лабораторна робота № 3-08

Вивчення законів теплового випромінювання

Мета роботи:експериментальне дослідження закону Стефана- Больцмана.

Прилади та обладнання: лампа розжарення з вольфрамовою спіраллю в захисному кожуху, блок живлення, оптичний пірометр.

Короткі теоретичні відомості

 

Тепловим випромінюванням називається випромінювання тілами електромагнітної енергії за рахунок їх внутрішньої енергії.

На відміну від інших видів випромінювання, котрі потребують зовнішніх джерел енергії, теплове випромінювання існує завжди, в тому числі, коли тіло перебуває в тепловій рівновазі з навколишнім середовищем. У цьому випадку теплове випромінювання називається рівноважним. За таких умов утрати енергії тіла на випромінювання компенсуються за рахунок енергії падаючого на нього випромінювання зовнішніх тіл. Тому інтенсивність рівноважного випромінювання залишається незмінною. Температура тіла також лишається незмінною й рівною температурі зовнішніх тіл.



Кількісною інтегральною характеристикою випромінювання є енергетична світність R, яка визначається енергією, що випромінюється за одиницю часу з одиниці площі поверхні тіла по всіх напрямках назовні:

 

(Вт/м2) , (1)

 

де Ф - енергія, що випромінюється тілом за одиницю часу (потік енергії), S - площа випромінюючої поверхні тіла.

У тепловому випромінюванні присутні всі можливі довжини хвиль. Його спектральний склад, тобто, розподіл енергії випромінювання по довжинах хвиль l при заданій температурі Т, визначається випромінювальною здатністю r( , Т):

r( , Т) = ,

де - енергетична світність тіла в спектральному інтервалі .

Енергетична світність і випромінювальна здатність тіла пов’язані очевидним співвідношенням:

R = , (2)

 

Тіла не лише випромінюють, а й поглинають падаюче на них випромінювання інших тіл. Поглинання тілом випромінювання з даною довжиною хвилі l і при заданій температурі Т, визначається поглинальною здатністю :

 

,

 

де dФlпог - енергія з довжинами хвиль в заданому інтервалі , що поглинається тілом за одиницю часу, dФlпад - те саме для падаючої на тіло енергії. Інакше кажучи, показує, яка частка енергії, що падає на тіло в спектральному інтервалі , поглинається.

Названі характеристики теплового випромінювання залежать від температури, довжини хвилі (крім R) та властивостей речовини тіла. Останнє, зокрема, спричинює те, що поглинальна здатність різних тіл не однаково залежить від довжини хвилі. Цим зумовлені кольори тіл - тіло має колір, якому відповідає довжина хвилі, що поглинається слабше, ніж інші. Але в теорії провідну роль відіграє так зване абсолютно чорне тіло (АЧТ), поглинальна здатність якого на всіх довжинах хвиль і при всіх температурах дорівнює одиниці:

.

 

У природі таких тіл не існує, це є фізична модель. Непоганим наближенням до АЧТ є тіло, вкрите сажею, поглинальна здатність якої близька до одиниці в широкому діапазоні довжин хвиль аж до далекої інфрачервоної області. Серед звичайних тіл стрічаються й такі, в яких поглинальна здатність менша від одиниці, але практично не залежить від довжини хвилі : ат = const < 1. Такі тіла називаються сірими.

Теплове випромінювання належить до квантових оптичних явищ, тобто, до явищ, які принципово неможливо пояснити, виходячи з положень класичної фізики, зокрема, - з уявлення про випромінювання як про електромагнітний хвильовий процес. Правильну теорію теплового випромінювання створив Планк у 1900 р. на основі висунутої ним квантової гіпотези, згідно з якою електромагнітне випромінювання випускається не безперервно, а окремими порціями - квантами. При цьому енергія кванта визначається тільки частотою випромінювання:

,

 

де - частота випромінювання (Гц); - стала Планка, котра є однією з універсальних фізичних констант.

Невдовзі квантова гіпотеза була підтверджена і в інших явищах, пов’язаних із процесами випускання випромінювання та його взаємодією з речовиною, і відтак стала наріжним каменем квантової фізики.

Основним завданням теорії є встановлення виду функції випромінювальної здатності , оскільки з неї можна отримати всі інші властивості теплового випромінювання, що спостерігаються в експерименті. Виходячи із квантової гіпотези, Планк вивів наступний вираз для рівноважного випромінювання абсолютно чорного тіла (формула Планка):

, (3)

 

де с – швидкість світла у вакуумі, - довжина хвилі випромінювання, - абсолютна температура тіла (К), k – стала Больцмана.

Рис. 1 Спектри випромінювання АЧТ
На рис. 1 показано вид спектрів випромінювання АЧТ (графіків функції (3)) для декількох температур.

З формули Планка (3) випливають установлені експериментально ще до створення теорії закони теплового випромінювання АЧТ.

1. Підстановка в (2) виразу (3) після інтегрування дає закон Стефана- Больцмана, згідно з яким енергетична світність АЧТ є прямо пропорційною четвертому степеню температури:

 

, (4)

де - стала Стефана- Больцмана.

2. Закон зміщення Віна полягає в тому, що довжина хвилі, на якій випромінювальна здатність АЧТ максимальна, є обернено пропорційною температурі тіла:

Рис. 1
,

де b=2.9 - стала Віна. Отже, при підвищенні температури максимум випромінювання зсувається в бік коротших хвиль. Проте, навіть при досить високих температурах 1000¸2000 К, які використовуються в роботі, тільки незначна частка випромінювання потрапляє у видиму область (l < 0.8 мкм), як це добре видно з рис.1.

Закон Віна теж можна отримати з формули Планка (3), якщо продиференціювати її по l і прирівняти похідну до нуля. Тоді з отриманого рівняння виходить:

,

при чому,

3. Закон Кірхгофа. У стані термодинамічної рівноваги в системі різні тіла випромінюють і поглинають різні енергії, але кожне окреме тіло при заданій температурі Т у будь-якому інтервалі довжин хвилі dl повинно випромінювати стільки енергії, скільки воно поглинає в цьому інтервалі. Звідси випливає закон Кірхгофа, згідно з яким відношення випромінювальної здатності до поглинальної здатності (r(l,Т)/а(l,Т)) для всіх тіл визначається однією й тією ж (універсальною) функцією довжини хвилі та температури.

Для абсолютно чорного тіла , отже, вказаною універсальною функцією є випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла rачт(l,Т). Тому для довільного тіла

 

(5)

 

Для сірих тіл поглинальна здатність практично не залежить від довжини хвилі й при заданій температурі Т дорівнює сталій величині ат < 1. Тому сіре тіло при кожній температурі має спектр теплового випромінювання такої ж форми, що й АЧТ, але меншу енергетичну світність R. Згідно з (2), (5) і (4),

(6)

 

Цей вираз можна розглядати як закон Стефана-Больцмана для сірих тіл. Але слід зауважити, що коли поглинальна здатність тіла залежить від температури (ат = f(Т)), то енергетична світність уже не є прямо пропорційною четвертому степеню температури.

 



<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Определение рыночной стоимости и доходности ценных бумаг | Експеримент


Карта сайта Карта сайта укр


Уроки php mysql Программирование

Онлайн система счисления Калькулятор онлайн обычный Инженерный калькулятор онлайн Замена русских букв на английские для вебмастеров Замена русских букв на английские

Аппаратное и программное обеспечение Графика и компьютерная сфера Интегрированная геоинформационная система Интернет Компьютер Комплектующие компьютера Лекции Методы и средства измерений неэлектрических величин Обслуживание компьютерных и периферийных устройств Операционные системы Параллельное программирование Проектирование электронных средств Периферийные устройства Полезные ресурсы для программистов Программы для программистов Статьи для программистов Cтруктура и организация данных


 


Не нашли то, что искали? Google вам в помощь!

 
 

© life-prog.ru При использовании материалов прямая ссылка на сайт обязательна.

Генерация страницы за: 0.005 сек.