Что такое абсолютное черное тело

Дабы рассказать максимально подробно об особенностях измерения мощности потока тепловой энергии бесконтактно и при этом без излишних технических подробностей, мы специально подготовили азбуку пирометров. Произведение достаточно объемное, читать нужно можно в несколько присестов, а то и перечитывать не понятные места.
Одним из таких мистически не понятных мест может быть черное тело. Расскажем о самом черном теле, а также еще раз закрепим пройденный ранее материал и расширим его, погрузившись в то, как пошагово воспринимают инфракрасное излучение пирометры. Если повторы и будут, то они - только во благо.
Возможно те, кто интересуется космосом, слышали о черных дырах. Это массивные объекты, обладающие настолько мощной гравитацией, что поглощают даже лучи света. Черными их называют потому, что саму черную дыру не видно. Но ее можно обнаружить по косвенным признакам, в частности по наличию аккреционного диска, который уже наблюдаем.

Аккреционный диск это раскаленная смесь из пыли и газа, которые засасывает черная дыра. Он виден в телескопы.

Но это все далеко (тысячи световых лет) и абстрактно.
А вот черное тело, о котором мы будем говорить сегодня, оно вполне земное и имеет 2 облика.
Во-первых, это гипотетический объект, который обладает идеальными свойствами, которого мы вскользь коснулись в нашей азбуке, ссылку на которую дали в первых строках.
Во-вторых, это реальный эталонный калибровочный прибор, который максимально близок по своим характеристикам к идеальному черному телу.

Тем, кто использует пирометр как средство измерения, черное тело ни к чему. Не все даже знают о его существовании. И мы этот пробел возьмем на себя смелось заполнить. А вот для метрологии, лабораторий, для целей проверки, калибровки, настройки, отбраковки инфракрасных термометров, без черного тела никуда.

Что такое черное тело

Чёрное тело — это идеализированная физическая модель объекта, который:

• полностью поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение (коэффициент поглощения α = 1, отражения нет — ρ = 0),
• не пропускает излучение сквозь себя (τ = 0),
• сам излучает энергию только за счёт своей температуры — и делает это максимально эффективно (коэффициент излучения ε = 1).

То есть чёрное тело — это объект, который ничего не отражает, ничего не пропускает, всё поглощает, и излучает самое большое возможное количество тепловой энергии при данной температуре.
Если говорить просто - это недостижимая мечта дистанционного измерителя температуры.

Если бы все окружающиеся тела были бы черными, пирометры измеряли бы не хуже контактных термометров, и при этом обладали бы полным спектром своих преимуществ (скорость получения результата, безопасное измерение на расстоянии и др.)

Почему его называют «чёрным»?

Потому что в видимом диапазоне света, как мы отметили, оно поглощает весь свет (прям как черная дыра !) → выглядит абсолютно чёрным (не отражает ни фотона). Но в инфракрасном и других диапазонах оно излучает.

Основные характеристики чёрного тела (закон Планка + Стефан–Больцман)

1. Спектральная плотность излучения описывается законом Планка:
   B(λ, T) = (2hc² / λ⁵) / (e^(hc/λkT) − 1)
   Это даёт кривую излучения в зависимости от длины волны λ и температуры T. Не заморачивайтесь особо над этой многоэтажной функцией двух переменных. Из нее вам нужно вынести только понимание: тело излучает тепло (T) на разных длинах волн (λ). Из нашего опыта, 99% всех пирометров, продаваемых в Украине, измеряют  температуру на длинах волн 8-14 мкм, в чем легко убедиться, ознакомившись с характеристиками. Этот показатель не настраивается и просто примите его как данность.
2. Полная мощность излучения (интеграл по всем длинам волн) — закон Стефана–Больцмана:
   M = σ × T⁴ где σ = 5.670374419 × 10⁻⁸ Вт/(м²·К⁴). А это уже более "приземленно", поскольку зависимость понадобится нам очень скоро, когда мы будем разбирать, как разная мощность излучения объекта влияет на нагрев датчика инфракрасного термометра и как разную излуательную способность компенсировать настройками прибора.

Примеры, насколько реальные объекты близки к чёрному телу

Практическое применение

Поскольку окружающий нас мир не идеален и не существует предметов (как мы видели в только что приведенной таблице) с коэффициентом излучения ε = 1.0 (за исключением идеального черного тела - что на практике не достижимо), в пирометрах, в первых очередь для ответственных задач в промышленности, необходима настройка - компенсатор, что "разъяснить" пирометру, что он имеет дело не с настоящим черным телом, а предметом с другим коэффициентом излучения.
И сразу к показательному примеру. Который даст огромную ошибку без предварительной настройки. Возьмем строку из таблицы [Шлифованная сталь (чистая)]. Коэффициент излучения 0.20–0.40. То есть мощность излучения (или поток энергии), пропорциональная температуре (формула, приведенная выше M = σ × T⁴) с точки зрения пирометра будет занижена
Что значит "с точки зрения" ? У пирометра есть разум ? У него есть датчик. И он арбитр. С завода все пирометры как правило настроены на коэффициент эмисии 0,95. А значит если лежит рядом заготовка покрытая копотью (коэффициент излучения 0.94–0.98) и вторая из шлифованной стали, то в первом случае мы получим почти идеальной результат (погрешности никто не отменял), а во втором температура будет занижена.
Почему ? Если посмотреть спереди на пирометр, то увидим линзу. Ее задача - фокусировать входящее излучение на датчике. Датчик же "спрятан" дальше, внутри и не видим. Но он нагревается пропорционально входящей температуре.

Фактически то же самое происходит, если в жаркий летний день увеличительное стекло направить на бумагу, то есть сфокустировать энергию солнца на узком участке. Бумага обуглится или даже загорится.
То есть в случае с закопченной заготовкой, тепловая энергия поступающая от нее, нагреет датчик больше, а вот шлифованная сталь - меньше. При одинаковой температуре каждой ! Поэтому, получив разные данные от датчика, цифровая схема обработки пирометра честно выдаст на экран разные цифры температуры. Что конечно же никуда не годится.
Как исправить ситуацию ? Надо "подсказать" пирометру, как правильно измерять разные материалы. Понятно, что на пути {объект - линза - датчик} мы не в силах что-то изменить, но поскольку все-таки пирометр имеет какие никакие "мозги" в виде возможности настройки (если конечно у вас модель с этой опцией), это наш шанс на этом следующем этапе мы можем внести коррективы.

Настройка в идеале несложная. Если шлифованная сталь имеет коэффициент эмисии 0.3, то это значение мы и набираем на пирометре. И ... о чудо ! Получаем верное значение температуры.

Датчик не стал нагреваться больше или меньше. Пирометр благодаря нашей настройке стал по-другому интерпретировать его сигнал.

Если приходится работать с разными материалами, для каждого из них нужно записать пары "материал" - "коэффициент излучения". Существуют готовые таблицы. Но во-первых, они усредненные. Той же стали есть множество разновидностей (конструкционная, нержавеющая, легированная, сплавы и т.д.). Во-вторых, даже если вы не нашли нужного материала или хотите получить коэффициент идеально точный, именно под ваш материал, есть решение. Измерьте температуру предмета другим способом. Например контактным термометром. И подстраивайте коэффициент эмиссии пирометра до достижения максимально близкой температуры. И запишите этот эмпирически найденный коэффициент, поставив его в соответствие типу материала.