Radiatia Termica Lab 3 PDF

RADIATIA TERMICA (Tema 1) Proiect Laborator Fizica II Ianuarie 2021 Teorie Orice corp din naturã cu temperatura peste 0 K emite radiatii in spatiu sub forrma de unde electromagnetice. Un corp incalzit poate emite radiatie electromagnetica cu un spectru cuprins intre...

RADIATIA TERMICA (Tema 1) Proiect Laborator Fizica II Ianuarie 2021 Teorie Orice corp din naturã cu temperatura peste 0 K emite radiatii in spatiu sub forrma de unde electromagnetice. Un corp incalzit poate emite radiatie electromagnetica cu un spectru cuprins intre lungimi de unda mari (10-100 µm), din domeniul IR si chiar microunde, si lungimi de unda mici din domeniul UV, numita radiatie termica. Daca corpul nu reflecta radiatia electromagnetica acesta este un corp negru ideal. In general, majoritatea corpurilor incalzite pot fi aproximate cu un corp negru ideal. Cu cât temperatura unui corp este mai mare cu atat cantitatea de radiație emisa la fiecare lungime de unda creste. Aceasta radiatie atinge o intensitate maximă la o anumită lungime de undă, care depinde de temperatura absoluta a corpului. De exemplu, la temperatura camerei (~ 300 K), un corp emite radiație termică, care este cea mai mare parte în infraroșu. La temperaturi mai mari crește cantitatea de radiații infraroșii care pot fi resimțite sub formă de căldură, iar corpul luminează vizibil roșu. La temperaturi si mai ridicate, un corp este galben strălucitor sau albastru-alb orbitor și emite cantități semnificative de radiații de lungime de undă scurtă, inclusiv raze ultraviolete. Suprafața soarelui (~ 6000 K) emite cantități mari de radiațiile infraroșii și ultraviolete; emisia sa atinge un punct de intensitate maxima în spectrul vizibil. Puteti vizualiza intensitatea radiatiei emise de un corp incalzit la diferite temperaturi, ca functie de lungimea de unda, accesand pagina https://phet.colorado.edu/sims/html/blackbody- spectrum/latest/blackbody-spectrum_en.html Pentru a descrie fizic emisia unui corp negru, in multe cazuri se foloseste termenul de radianta spectrala. Radianta spectrala este direct proportionala cu intensitatea radiatiei emise si reprezinta cantitatea de energie emisa in unitatea de timp (puterea), pe unitatea de suprafata a corpului emitent, per unitatea de lungime de unda. Unitatea de masura in SI a radiantei spectrale este deci W/m3. Cu alte cuvinte, radianta spectrala este o masura a numarului de fotoni cu diferite lungimi de unda (frecvente) emisi de unitatea de suprafata a unui corp negru. Dependenta radiantei spectrale de lungimea de unda a fost explicata teoretic de catre Max Plank si are forma analitica : 2𝜋ℎ𝑐 2 1 𝑅𝜆 (𝜆, 𝑇) = 5 × ℎ𝑐⁄𝜆𝑘 𝑇 𝜆 𝑒 𝐵 −1 Radianta totala a unui corp negru (radianta este energia emisa in unitatea de timp pe unitatea de suprafata) se poate afla integrand radianta spectrala pe tot domeniul de lungimi de unda: ∞ 𝑅 = ∫ 𝑅𝜆 𝑑𝜆 0 Integrala de mai sus reprezinta suprafata de sub curba radiantei spectrale, pentru diferite temperaturi ale corpului negru. Dependenta radiantei totale de temperatura absoluta se poate deduce analitic, si are forma :  𝑅 = 𝜎𝑇 4 unde 𝜎 se numeste constanta Stefan-Boltzmann. De asemenea, se poate deduce analitic si o dependenta intre lungimea de unda corespunzatoare maximului curbei radiantei spectrale si temperatura absoluta a coprului negru. Aceasta dependenta este cunoscuta sub numele de legea lui Wien si are forma : 𝜆𝑚𝑎𝑥 𝑇 = 𝑐𝑊 unde 𝑐𝑊 poarta numele de constanta lui Wien. Partea practica Scopul temei este de a determina numeric, in Excel, valorile constantei Stefan-Boltzmann si a constantei lui Wien. Veti gasi in folder o foaie de calcul intitulata R(Lambda). Aceasta contine date obtinute de un spectrometru (similar celui folosit in laborator) pentru un corp incalzit la diferite temperaturi (16 temperaturi, intre 300K si 6000K). Datele contin 1000 de valori are lungimii de unda si valorile radiantei spectrale inregistrate, in foi (Sheet) diferite pentru fiecare temperatura. Alegeti aleatoriu un numar de minim 3 (maxim 7) valori ale temperaturii si copiati coloanele cu datele 𝑅𝜆 (𝜆, 𝑇) in foaia de calcul atribuita individual. Instructiuni: 1. Trasati curbele 𝑹𝝀 (𝝀) pentru diferite temperaturi - Trasati, pe acelasi grafic, curbele 𝑅𝜆 (𝜆) pentru temperaturile alese. Daca ati ales 3 valori pentru T ar trebui sa aveti 3 curbe pe acelasi grafic. Puteti scala graficul dupa cum doriti. Recomand scala logaritmica pentru temperaturi foarte diferite. - Pentru care din temperaturile alese lumina cu lungime de unda de 600 nm are cea mai mare intensitate? Cat este lungimea de unda corespunzatoare maximului curbelor pentru fiecare T? La aceste intrebari raspundeti in foaia de calcul. 2. Aflati valoarei constantei Stefan-Boltzmann - Aflati numeric valoarea radiantei totale pentru fiecare din temperaturile alese. Pentru aceasta este nevoie sa rezolvati numeric integrala de mai sus (Eq. 2). Analitic, limita de sus a integralei este infinita. Numeric inseamna o valoare cat mai mare a lungimii de unda. - In speta trebuie sa aflati aria de sub fiecare curba 𝑹𝝀 (𝝀). In Excel aria de sub o curba (integrala numerica) se poate afla aproximand curba intre doua puncte cu o linie. Ceea ce obtineti va fi o serie de suprafete trapezoidale care adunate aproximeaza suprafata totala. - Aflati aria de sub fiecare curba (R pentru fiecare T)  - Trasati grafic, cu puncte, 𝑅(𝑇 4 ) - Pentru graficul 𝑅(𝑇 4 ) trasati si determinati ecuatia dreptei de regresie (dreapta care trece la cea mai mica distanta de toate punctele). Din panta dreptei aflati valoarea constantei Stefan-Boltzmann. 3. Aflati valoarei constantei lui Wien - Estimați valoarea lungimii de unda la care curba are un maxim pentru fiecare T - Trasati grafic, prin puncte 𝜆𝑚𝑎𝑥 (1⁄𝑇); Trasati si determinati ecuatia dreptei de regresie (dreapta care trece la cea mai mica distanta de toate punctele) din graficul 𝜆𝑚𝑎𝑥 (1⁄𝑇). Din panta dreptei aflati valoarea constantei lui Wien