Sbírka fyzikálních pokusů

Pohlcování tepelného záření vzduchem

Pokus číslo: 1761

• Cíl pokusu

  Cílem experimentu je demonstrovat skutečnost, že vzduch kolem nás pohlcuje tepelné infračervené záření emitované okolními předměty, což může zkreslovat výsledky termografických měření jejich teploty.

• Teorie

  Při bezkontaktních termografických měřeních teploty, která jsou založena na vyhodnocení intenzity elektromagnetického záření emitovaného měřeným předmětem, je třeba mít na paměti různé vlivy, které mohou výsledně naměřenou teplotu ovlivnit. Kromě emisivity měřeného povrchu, které je zcela zásadním parametrem termografických měření, patří mezi nejpodstatnější vlivy také vzdálenost mezi termovizní kamerou a měřeným objektem.

  Pojďme nyní využít vztah (5) z pokusu Pohlcování tepelného záření plastovými filtry, který byl odvozen ve tvaru:

  \[T(d)\,=\,T_0e^{-\frac{1}{4}\beta d}\tag{1}\]

  V tomto vztahu představuje \(T(d)\) teplotu měřenou termovizní kamerou, jestliže je předmět emitující záření od kamery oddělen materiálem tloušťky \(d\); \(T_0\) je teplota měřená bez vloženého materiálu a \(\beta\) tzv. absorpční koeficient.

  Ve výše uvedeném pokusu bylo záření pohlcováno postupně přidávanými plastovými filtry (pohlcování vzduchem jsme neuvažovali), nyní si místo filtrů můžeme představit jednotlivé „bloky vzduchu“ – pohlcujícím materiálem bude nyní vzduch a jeho tloušťku \(d\) ztotožníme se vzdáleností mezi emitujícím předmětem a termovizní kamerou. S rostoucí vzdáleností \(d\) budeme tedy očekávat exponenciální pokles měřené teploty.

  Je ale zřejmé, že při zvyšování vzdálenosti k nekonečnu se měřená teplota rozhodně nebude blížit hodnotě 0 K, jak by teoretický model napovídal. S rostoucí vzdáleností se bude více projevovat vlastní tepelné záření pohlcujícího materiálu (v našem případě vzduchu), které způsobí, že exponenciála popisující teplotní vývoj se bude asymptoticky blížit nikoliv absolutní nule, ale pokojové teplotě. Pro běžné vzdálenosti (desítky metrů) ale není třeba brát asymptotické chování závislosti v potaz.

• Pomůcky

  Termovizní kamera; předmět o stálé, znatelně vyšší teplotě, než je teplota okolí; délkové měřidlo (svinovací metr, pásmo).

  V konkrétním vzorovém experimentu byla jako předmět emitující tepelné záření použita žárovka o výkonu 100 W, jejíž povrch se po cca 20 minutách provozu téměř ustálil na teplotě kolem 230 °C.

• Postup

  1. Po zapnutí žárovky vyčkáme, až se její teplota ustálí (kontrolu její teploty musíme termovizní kamerou provádět ze stálé vzdálenosti).

  2. Po ustálení změříme teplotu žárovky ze vzdálenosti 10 cm a zapíšeme ji.

  3. S krokem 10 cm zvětšujeme vzdálenost termovizní kamery od žárovky; zaznamenáme alespoň 15 hodnot.

• Vzorový výsledek

  Ve vzorovém měření bylo zaznamenáno celkem 18 bodů pro vzdálenosti v intervalu 10 cm až 180 cm. Sebraná data byla zpracována do grafu na obr. 1 a je jimi proložena exponenciální závislost (jež se v dané situaci velmi blíží závislosti lineární):

  

  Při proměřování výše zpracovaných hodnot byla použita termovizní kamera FLIR i7 pracující v režimu maximálních hodnot, kdy udávala vždy nejvyšší teplotu naměřenou v graficky vymezené oblasti – více o tomto režimu lze najít v pokusu Pohlcování tepelného záření plastovými filtry.

• Technické poznámky

  • Pokud chceme používat při experimentování stejně jako ve vzorovém pokusu žárovku, je třeba nechat ji cca 20 minut před začátkem měření svítit, aby se její povrchová teplota přibližně ustálila – při měření potřebujeme ideálně těleso s konstantní povrchovou teplotou. Rozhodně není možné zahájit měření krátce po rozsvícení žárovky, kdy její teplota ještě strmě roste.

• Metodické poznámky

  • Pro ještě didaktičtějí pojetí experimentu může být vhodné použití takového studovaného předmětu, který nevydává viditelné světlo – aby bylo studentům skutečně jasné, že to, co termokamerou detekujeme a filtry zeslabujeme, je právě tepelné infračervené záření. Předmětem, který viditelné světlo nevydává a současně si drží přibližně konstantní teplotu výrazně vyšší než je teplota okolí, může být například rychlovarná konvice s vroucí vodou a otevřeným víkem (to zajistí, že se konvice navzdory varu vody nevypne).

  • Můžeme se studenty diskutovat o tom, zda není problémem to, že jsme vztah (1) odvodili pro termodynamickou teplotu, ale graf na obr. 1 je vynesen pro teplotu Celsiovu. Studenti poměrně snadno přijdou na to, že v případě termodynamické teplotní stupnice by se celý graf pouze posunul po svislé ose.

  • Je třeba vnímat vztah (1) skutečně jen jako první přiblížení skutečné situace – v reálu termovizní kamery pracují s komplikovanějším matematickým vztahem, filtry část záření odrážejí atd.

• Rozšíření experimentu

  Zajímavé může být zamyšlení nad tím, jak by vypadala zjišťovaná závislost ve chvíli, kdy bychom pozorovali nikoliv těleso s vyšší než pokojovou teplotou, ale naopak předmět výrazně chladnější – například o teplotě −20 °C. Úvahou dospějeme k závěru, že pokud mezi takovýto předmět a kameru budeme „umisťovat“ silnější vrstvu vzduchu, bude růst role jeho vlastního záření a s rostoucí vzdáleností bude tedy měřená teplota růst, až se v limitě nekonečné vzdálenosti asymptoticky přimkne k teplotě pokojové.

  Tuto úvahu můžeme samozřejmě potvrdit pokusem. Podle návodu popsaného v experimentu Chladicí směs vody, ledu a soli si připravíme směs vody, ledu a soli o teplotě blízké −20 °C a proměříme její teplotu z různých vzdáleností. Ilustraci výsledku ukazuje obr. 2, který potvrzuje, že nyní s rostoucí vzdáleností měřená teplota roste. Při přípravě obr. 2 byla opět použita termovizní kamera FLIR i7, teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu −15°C až 24 °C, emisivita ε = 0,95. Kamera přitom pracovala v režimu minimálních hodnot, kdy udávala vždy nejnižší teplotu naměřenou v bíle orámovaném čtverci.

  

• Základy práce s termovizní kamerou - odkaz na PDF

  Tento experiment využívá termografické měření. Dokument Experimentujeme s termovizní kamerou shrnuje teorii termografie a základní doporučení a postupy, které mohou napomoci k přesnějším a nezkresleným výsledkům měření.