Studiul radiatiei termice. Determinarea constantei lui Stefan-Boltzmann

Studiul radiatiei termice. Determinarea constantei lui Stefan-Boltzmann

Teoria lucrarii

Toate corpurile care au temperatura mai mare de 0K 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, foita de nichelina), a temperaturii T₀ a mediului ambiant si a puterii electrice consumate de la sursa de curent pentru incalzirera benzii de nichel.

Montajul experimental si modul de lucru

Montajul experimental contine urmatoarele elemente:

sursa de tensiune continua,

voltmetru,

foita de nichelina montata intr-un suport special,

ampermetru,

pirometru optic cu disparitie de filament (pentru masurarea temperaturii foitei 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.1) 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.1

Astfel, vizand cu obiectivul pirometrului foita de nichelina si inchizand circuitul filamentului se obtin cele doua imagini, ale filamentului si foitei, suprapuse. Regland intensitatea curentului din filament, se poate obtine ca filamentul sa capete exact aceeasi culoare ca si foita de nichelina si astfel sa obtinem disparitia filamentului pe fondul luminos dat de foita de nichelina.

Mentionam ca in ocularul pirometrului exista un filtru rosu care trebuie sa fie introdus in fasciculul de lumina.

In acest caz temperatura celor doua corpuri este aceeasi si o putem citi ( in e Celsius) pe scala gradata a pirometrului.

Temperatura T₀ a mediului ambiant se citeste la un termometru de camera.

Se realizeaza montajul experimental (fig2)

			Banda de nichel

Fig.2

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

Se fac trei masuratori si se completeaza tabelul:

Observatie. Experimentul se bazeaza pe echilibru 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, comparativ 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.