Що таке абсолютне чорне тіло

Щоб розповісти максимально докладно про особливості вимірювання потужності потоку теплової енергії безконтактно і при цьому без зайвих технічних подробиць, ми спеціально підготували абетку пірометрів. Твір досить об'ємний, читати потрібно можна частинами, і можливо навіть перечитувати не зрозумілі місця за чашкою кави.
Одним із таких "містичних термінів" може бути чорне тіло. Розповімо про чорне тіло, а також ще раз закріпимо пройдений раніше матеріал і розширимо його, поринувши в те, як покроково сприймають інфрачервоне випромінювання пірометри. Якщо повтори і будуть, то вони тільки позитивно вплинуть на якість розуміння.
Можливо ті, хто цікавиться космосом, чули про чорні діри. Це масивні об'єкти, що мають настільки потужну гравітацію, що поглинають навіть промені світла. Чорними їх називають тому, що самої чорної діри не видно. Але її можна виявити за непрямими ознаками, зокрема по наявності акреційного диска, який вже можна спостерігати у телескопи.

Акреційний диск це розпечена суміш із пилу та газу, які засмоктує чорна діра.

Але це все далеко (тисячі світлових років) і ми безпосередньо з цим ніколи не будемо мати справу.
А ось чорне тіло, про яке ми говоритимемо сьогодні, воно цілком земне і має 2 теоретичне підгрунтя і практичну реалізацію.
По-перше, це гіпотетичний об'єкт, який має ідеальні властивості, якого ми побіжно торкнулися в нашій абетці, посилання на яке дали в перших рядках.
По-друге, це реальний еталонний калібрувальний прилад, який максимально близький за своїми характеристиками до ідеального чорного тіла.

Тим, хто використовує пірометр як засіб виміру на виробництві або в побуті, чорне тіло ні до чого. Не всі навіть знають про його існування. І ми цю прогалину візьмемо на себе сміливість заповнити. А ось для метрології, лабораторій, для цілей перевірки, калібрування, налаштування інфрачервоних термометрів, без чорного тіла нікуди.

Що таке чорне тіло

Чорне тіло — це ідеалізована фізична модель об'єкта, яке:

• повністю поглинає електромагнітне випромінювання, що все на нього падає (коефіцієнт поглинання α = 1, відображення немає — ρ = 0),
• не пропускає випромінювання крізь себе (τ = 0),
• саме випромінює енергію лише за рахунок своєї температури — і робить це максимально ефективно (коефіцієнт випромінювання ε = 1).

Тобто чорне тіло — це об'єкт, який нічого не відбиває, нічого не пропускає, все поглинає і випромінює найбільшу можливу кількість теплової енергії при даній температурі.
Якщо говорити просто - це недосяжна мрія дистанційного вимірювача температури.

Якби всі оточуючі тіла були б чорними, пірометри вимірювали б не гірше контактних термометрів, і при цьому мали б повний спектр своїх переваг (миттєвий результат, безпечний вимір на відстані та ін.)

Чому його називають «черним»?

Тому що у видимому діапазоні світла, воно поглинає весь світ (прямо як чорна діра) !) → виглядає абсолютно чорним (не відбиває жодного кванта світлової енергії). Але в інфрачервоному та інших діапазонах воно випромінює.

Основні характеристики чорного тіла (закон Планка + Стефан-Больцман)

1. Спектральна щільність випромінювання описується законом Планка:
   B(λ, T) = (2hc² / λ⁵) / (e^(hc/λkT) − 1)
   Це дає криву випромінювання залежно від довжини хвилі λ та температури T.
2. Повна потужність випромінювання (інтеграл по всіх довжинах хвиль) — закон Стефана–Больцмана:
   M = σ × T⁴ где σ = 5.670374419 × 10⁻⁸ Вт/(м²·К⁴)

Приклади наскільки реальні об'єкти близькі до чорного тіла

Практичне застосування

Оскільки навколишній світ не ідеальний і не існує предметів (як ми бачили в наведеній таблиці) з коефіцієнтом випромінювання ε = 1.0 (за винятком ідеального чорного тіла - що в житті не досяжно), у пірометрах, в першу чергу для відповідальних завдань у промисловості, необхідне налаштування - компенсатор, що "роз'яснить" пірометру, що він має справу не зі справжнім чорним тілом, а з предметом з іншим коефіцієнтом випромінювання.
І одразу до показового прикладу. Який дасть величезну помилку без попереднього налаштування. Візьмемо рядок із таблиці [Шліфована сталь (чиста)]. Коефіцієнт випромінювання 0.20–0.40. Тобто потужність випромінювання (або потік енергії), пропорційна температурі (формула, наведена вище M = σ × T⁴) з точки зору пірометра буде занижена.
Що означає "з точки зору" ? У пірометра є розум? Ну хібо що примітивний, електронний мікроконтролерний. Але він має датчик. І це конвертатор теплової енергії в електричну напругу. Із заводу всі пірометри зазвичай налаштовані на коефіцієнт емісії 0,95. А отже, якщо лежить поруч пластина, покрита кіптявою (коефіцієнт випромінювання 0.94–0.98) і друга з шліфованої сталі, то в першому випадку ми отримаємо майже ідеальний результат (все ж похибки ніхто не скасовував), а в другому температура буде занижена.
Чому? Якщо подивитися спереду на пірометр, побачимо лінзу. Її завдання – фокусувати вхідне випромінювання на датчику. Датчик розташований далі, усередині і ми його не бачимо. І датчик нагрівається пропорційно до вхідної температури.

Фактично те саме відбувається, якщо в спекотний літній день збільшувальне скло направити на папір, тобто сфокусувати енергію сонця на вузькій ділянці. Папір почорніє або навіть загориться.
Тобто у випадку із закопченою заготовкою, теплова енергія, що надходить від неї, нагріє датчик більше, а ось шліфована сталь - менше. При однаковій температурі кожної! Тому отримавши різні дані від датчика, цифрова схема обробки пірометра чесно видасть на екран різні цифри температури. Що звичайно є нісенітницею.
Як виправити ситуацію? Потрібно "підказати" пірометру, як правильно вимірювати різні матеріали. Зрозуміло, що на шляху {об'єкт - лінза - датчик} ми не в змозі щось змінити, але оскільки все-таки пірометр має якісь "мізки" у вигляді можливості налаштування (якщо, звичайно, у вас модель з цією опцією), це наш шанс на цьому, наступному етапі, ми можемо внести корективи.

Налаштування в ідеалі нескладне. Якщо шліфована сталь має коефіцієнт емісії 0.3, це значення ми і набираємо на пірометрі. І ... невже?! Отримуємо близьке до реальності значення температури.

Датчик не став нагріватися більше чи менше. Пірометр завдяки нашим манупіляціям став по-іншому інтерпретувати сигнал від нього.

Якщо доводиться працювати з різними матеріалами, для кожного з них потрібно записати пари "матеріал" - "коефіцієнт випромінювання". Існують готові таблиці. Але по-перше, вони усереднені. Тієї ж сталі є безліч різновидів (конструкційна, нержавіюча, легована, сплави і т.д.). По-друге, навіть якщо ви не знайшли потрібного матеріалу або хочете отримати коефіцієнт ідеально точний, саме під ваш матеріал, є рішення. Виміряйте температуру предмета в інший спосіб. Наприклад, контактним термометром. І підлаштовуйте коефіцієнт емісії пірометра до досягнення максимально близької температури. І запишіть цей емпірично знайдений коефіцієнт, поставивши його у відповідність типу матеріалу.