ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Рассмотрим важнейшие применения законов теплового излучения.

Тепловые источники света. Большинство искусственных источников света является тепловыми излучателями (электрические лампы накаливания, обычные дуговые лампы и т. д.). Однако эти источники света не являются достаточно экономичными.

В § 2 было сказано, что глаз обладает чувствительностью только к очень узкому участку спектра (от 380 до 770 нм); все остальные волны не оказывают зрительного ощущения. Максимальная чувствительность глаза соответствует длине волны

Исходя из этого свойства глаза, следует требовать от источников света такого распределения энергии в спектре, при котором максимальная спектральная плотность излучения падала бы на длину волны или около нее. Если в качестве такого источника взять абсолютно черное тело, то по закону смещения Вина можно вычислить его абсолютную температуру:

Рис. IV.80

Таким образом, наиболее выгодный тепловой источник света должен иметь температуру 5200 К, что соответствует температура солнечной поверхности. Такое совпадение является результатом биологического приспособления человеческого зрения к распределению энергии в спектре солнечного излучения. Но и у этого источника света коэффициент полезного действия (отношение энергии видимого излучения к полной энергии всего излучения) будет невелик. Графически на рис. IV.80 этот коэффициент выражается отношением площадей и площадь выражает энергиюизлучения видимой области спектра, всю энергию излучения.

Расчет показывает, что при температуре около 5000—6000 К световой к. п. д. равен всего 14—15% (для абсолютно черного тела). При температуре же существующих искусственных источников света 3000 К) этот к. . п. д. составляет всего около 1—3%.

Такая невысокая «световая отдача» теплового излучателя объясняется тем, что при хаотическом движении атомов и молекул возбуждаются не только световые (видимые), но и другие электромагнитные волны, которые не оказывают светового воздействия на глаз. Поэтому невозможно избирательно заставить тело излучать только те волнык которым чувствителен глаз: обязательно излучаются и невидимые волны.

Важнейшие из современных температурных источников света — это электрические лампы накаливания с вольфрамовой нитью. Температура плавления вольфрама равна 3655 К. Однако нагрев нити до температур выше 2500 К опасен, так как вольфрам при этой температуре очень быстро распыляется и нить разрушается. Для уменьшения распыления нити было предложено наполнять лампы инертными газами (аргон, ксенон, азот) при давлении около 0,5 атм. Это позволило поднять температуру нити до 3000—3200 К. При этих температурах максимум спектральной плотности излучения лежит в области инфракрасных волн (около поэтому все современные лампы накаливания имеют к. п. д., немногим больший 1%,

Оптическая пирометрия. Изложенные выше законы излучения черного тела позволяют определять температуру этого тела, если известна длина волны соответствующая максимуму (по закону Вина), или если известна величина интегральной плотности излучения (по закону Стефана-Больцмана). Эти методы определения температуры тела по его тепловому излучению называются оптической пирометрией; они особенно удобны при измерении очень высоких температур. Так как упомянутые законы применимы только к абсолютно черному телу, то оптическая Пирометрия, основанная на них, дает хорошие результаты только при измерении температур тел, близких по своим свойствам к абсолютно черному. На практике таковыми являются заводские печи, лабораторные муфельные печи, топки котлов и т. п. Рассмотрим три способа определения температуры тепловых излучателей:

1. Метод, основанный на законе смещения Вина. Если нам известна та длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности излучения, то температура гела может быть вычислена по формуле (2.71).

Рис. IV.81

В частности, таким способом определяется температура на поверхности солнца, звезд и т. д.

Для нечерных тел этот способ не дает истинную температуру тела; если в спектре излучения имеется один максимум и мы рассчитаем по формуле (2.71), то расчет дает нам температуру абсолютно черного тела, имеющего почти такое же распределение энергии в спектре, как и испытуемое тело. При этом цветность излучения абсолютно черного тела будет одинакова с цветностью исследуемого излучения. Такая температура тела называется цветовой температурой. Цветовая температура нити лампы накаливания равна 2700—3000 К, что очень близко к ее истинной температуре.

2. Радиационный способ измерения температур основан на измерении энергетической светимости тела и вычислении его температуры по закону Стефана-Больцмана. Соответствующие приборы называются радиационными пирометрами.

Естественно, что если излучающее тело не является абсолютно черным, то радиационный пирометр не дает истинной температуры тела, а покажет ту температуру абсолютно черного тела, при которой энергетическая светимость последнего равна энергетической светимости испытуемого тела. Такая температура тела называется радиационной или энергетической температурой.

Из недостатков радиационного пирометра укажем на невозможность его применения для определения температур небольших объектов, а также на влияние среды, находящейся между объектом и пирометром, которая поглощает часть излучения.

3. Яркостный метод определения температур. Принцип действия его основан на визуальном сравнении яркости раскаленной нити лампы пирометра с яркостью изображения накаленного испытуемого тела. Схема прибора дана на рис. IV.81. Он представляет собой зрительную трубу с помещенной внутри электрической лампой, питаемой от аккумулятора. На рисунке — объектив, лампа, светофильтры с узкой полосой пропускания (в области длины волны реостат, шкала. Равенство яркостей, наблюдаемое через монохроматический фильтр, определяется по исчезновению изображения нити на фоне изображения раскаленного тела. Накал нити регулируется реостатом, а температура определяется по шкале амперметра, градуированного прямо на температуру.

Если температура тела очень велика, то на пути лучей помещается дымчатый фильтр