Studiul radiatiei termice. Determinarea constantei lui Stefan-Boltzmann.

Studiul radiatiei termice. Determinarea constantei lui Stefan-Boltzmann.

Toate corpurile care au temperatura mai mare de 0 kelvin emit radiatie termica, adica unde electromagnetice, ca urmare a miscarii termice a moleculelor si atomilor lor. Lungimea de unda a radiatiei termice emisa de un corp depinde de temperatura corpului. De exemplu, la 300˚C, predominante sunt radiatiile infrarosii, la 800˚C, cele vizibile in rosu, iar la 3000˚C - temperatura filamentului unui bec cu incandescenta- radiatia termica contine suficient de multe lungimi de unda in vizibil (intre 400 nm si 700 nm), incat lumina emisa apare alba, apropiata de lumina emisa de Soare.

Una dintre marimile fizice care caracterizeaza radiatia termica este exitanta energetica M_e definita ca energia radiata in unitatea de timp de unitatea de suprafata radianta pe directie perpendiculara pe acea suprafata.

. Unitatea de masura pentru M_e in S.I. este W/m².

Una dintre legile radiatiei termice este legea lui Stefan-Boltzmann, lege valabila numai pentru corpul negru, adica un corp ideal care absoarbe radiatia de toate lungimile de unda. Stefan si Boltzmann au gasit ca exitanta energetica a corpului negru este proportionala cu puterea a patra a temperaturii absolute a corpului:

M_e ~ T⁴.

Astfel,  , unde σ este constanta lui Stefan-Boltzmann .

Sau daca se tine cont si de temperatura T₀ a mediului in care se gaseste corpul relatia de mai sus se scrie:

.

Scopul acestei lucrari este determinarea constantei σ, masurand experimental temperatura T a corpului (o banda subtire de nichelina), a temperaturii T₀ a mediului ambiant si a puterii electrice consumate de la sursa de curent pentru incalzirera benzii de nichelina.

Notiunea de temperatura necesita o intelegere corecta a unor fenomene legate de starea energetica a corpurilor, a mediilor. In acest sens reamintim ca energia este masura comuna a diferitelor procese si forme de interactiuni. Exista astfel, diferite tehnici de masurare a temperaturii. In mod traditional exista doua mari catgorii de metode : de contact si fara contact. Cele de contact se bazeaza pe anumite proprietati ale substantelor care variaza cu temperatura - dilatare termica, variatii de presiune, fenomene termoelectrice ( variatia rezistentei electrice cu temperatura, aparitia tensiunii electromotoare),etc. Metodele de contact, in principiu, pot fi folosite pana la aproximativ 600 ⁰C. Masuratori de temperaturi joase (criogenice) precum si a tempeaturilor foarte mari necesita o abordare speciala.

Indiferent de starea materiei, a corpurilor, atomii si moleculele constituente sunt in continua agitatie  si interactiune (ciocniri, excitari,dezexcitari) ceea ce duce la emisie de unde electromagnetice. Spectrul radiatiei electromagnetice depinde de natura atomilor si moleculelor, a interactiunilor dintre ele si deci, de temperatura. Prin urmare, pe baza masurarii caracteristicilor radiatiei emise de corpuri, se poate determina temperatura acestuia. Metodele corespunzatoare se numesc pirometrice. Masuratorile pirometrice sunt metode la distanta, fara contact intre aparatul de masura si corpul supus masurarii. Aparatele folosite in aceste metode se numesc pirometre. La baza masuratorilor de temperatura stau legile radiatiei termice si in primul rand formula lui Planck pentru densitatea spectrala de energie a corpului negru.

Exista doua tipuri de pirometre: pentru radiatia din domeniul infrarosu si pentru radiatia in domeniul vizibil- pirometrul optic folosit in lucrare. Acest pirometru functioneaza pe baza temperaturii de culoare.

Temperatura de culoare este parametrul folosit pentru descrierea aproximativa a distributiei radiatiei termice emisa de un corp gri ( carbune, metale, oxizi, etc).

Temperatura de culoare este o caracteristica a radiatiei electromagnetice din domeniul vizibil ce are aplicatii importante in iluminare, foto- si videografie, etc. Temperatura de culoare a unui corp gri adus la incandescenta se determina comparand culoarea sa cu cea a unui radiator ideal (corp negru). Temperatura (masurata in kelvini) pentru care culoarea corpului negru este la fel cu cea a corpului gri incandescent, este temperatura de culoare a corpului gri. Amintim ca, pentru corpul negru temperatura de culoare este data de legea lui Planck si de legea de deplasare a lui Wien. Contrar bunului simt comun, culori pentru care temperatura de culoare are valori mari ( 5000 K ) sunt culori " reci" deoarece corespund lungimilor de unda mici din spectrul vizibil (verde, albastru), pe cand temperaturile de culoare cu valori mai mici (2700 - 3000 K) sunt pentru culori "calde" ( galben, portocaliu, rosu).

Fig.1. Montajul experimental

Montajul experimental contine urmatoarele elemente:

sursa de tensiune continua cu afisaj digital al tensiunii si curentului din circuit.

banda de nichelina montata intr-un suport special,

pirometru optic cu disparitie de filament (pentru masurarea temperaturii benzii de nichelina),

sursa de tensiune pentru alimentarea pirometrului optic.

Principiul de masura cu pirometrul optic cu disparitie de filament se bazeaza pe constatarea ca doua corpuri (rezistente) prin care trece curent electric au aceeasi temperatura daca au aceeasi culoare (grad de inrosire).

In interiorul pirometrului (fig.2) se gaseste un bec etalon cu filament; atunci cand trece curent electric prin filament, acesta se coloreaza de la rosu inchis la galben stralucitor in functie de valoarea curentului electric care poate fi variata cu un reostat inclus in aparat.

Fig.2. Schema pirometrului optic cu disparitie de filament

Astfel, vizand cu obiectivul pirometrului banda de nichelina si inchizand circuitul filamentului se obtin cele doua imagini, ale filamentului si benzii, suprapuse. Regland intensitatea curentului din filament, se poate obtine ca filamentul sa capete exact aceeasi culoare ca si banda de nichelina si astfel sa obtinem disparitia filamentului pe fondul luminos dat de banda de nichelina. In acest caz temperatura celor doua corpuri este aceeasi si o putem citi ( in grade Celsius) pe scala gradata a pirometrului.

Se realizeaza montajul experimental (fig. 1)

Se variaza treptat tensiunea aplicata pana cand banda de nichelina se inroseste.

Se citesc valorile intensitatii curentului si tensiunii corespunzatoare.

Se masoara temperatura benzii de nichelina cu pirometrul optic cu disparitie de filament.

Se citeste temperatura aerului din laborator la un termometru de camera.

Se calculeaza constanta Stefan-Boltzmann din relatia: , unde S este suprafata totala a benzii de nichelina.

Observatie. Experimentul se bazeaza pe echilibrul termodinamic, adica puterea consumata pentru incalzirea benzii de nichel este egala cu puterea radiatiei emisa de aceasta banda. In acest sens, banda de nichel trebuie ferita de curentii de aer, care strica echilibrul termodinamic. Avand in vedere ca rezistenta benzii incalzite este mica, in comparatie cu a ampermetrului, voltmetrul se leaga paralel cu banda.  Suprafata benzii este S = 2.a.b, unde a este lungimea iar b latimea ( energia este radiata de toata suprafata benzii de nichel )

Prin corp negru se intelege acel corp care absorbe toate radiatiile pe care le poate emite. Nichelul pur incalzit in aer este foarte aproape de un corp negru. Deci corpul negru nu trebuie confundat cu un corp de culoare neagra. Este adevarat, de exemplu, ca negrul de fum are caracterstici apropiate de un corp negru.

Se fac trei masuratori si se completeaza tabelul:

Ce este radiatia termica?

Ce este corpul negru?

Cum se defineste exitanta energetica?

Ce prevede legea lui Stefan-Boltzmann pentru exitanta energetica a corpului negru?

Ce tehnici de masurare a temperaturii exista?

Ce este temperatura de culoare?

Pe ce se bazeaza functionarea pirometrului optic cu disparitie de filament?

Ce se masoara experimental, in lucrare, si ce se calculeaza?