Il comportamento termico di oggetti in presenza di radiazione e.m. assorbita ed emessa: Esperimenti didattici
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- Luisa Manfredi
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1 Il comportamento termico di oggetti in presenza di radiazione e.m. assorbita ed emessa: Esperimenti didattici PLS 2017
2 In che modo i materiali possono interagire con la radiazione? assorbanza riflettanza trasmittanza ε emissività (λ lunghezza d'onda) LA CONSERVAZIONE DELL'ENERGIA IMPONE CHE:
3 Materiali e proprietà (*)?! Qualità oggetto Assorbanza (a) Trasmittanza (t) Riflettanza (r) Relazione di bilancio Nero (perfettamente) Bianco (perfettamente) Trasparente (perfettamente) a=1 t=0 r=0 a=1 a=0 0<t<1 0<r<1 t+r=1 a=0 t=1 r=0 t=1 Grigio 0<a<1 0<t<1 0<r<1 a+t+r=1 Opaco 0<a<1 t=0 0<r<1 a+r=1 Lucido a 0 t 0 r 1 r 1 (*)= ad una lunghezza d onda ( ) fissata
4 SPETTRO E.M.
5
6 Energia ENTRANTE Energia USCENTE Bilancio energetico che può essere messo in relazione con il primo principio della TD facendo alcune ipotesi: Il primo principio viene espresso in un modo da mettere in evidenza la legge di conservazione dell energia valida in ogni situazione (in cui l energia entrante nel sistema meno quella uscente dal sistema si ritrovano solo in termini di variazione di energia interna). La variazione di energia ( U=cm T) del sistema si manifesta solo in termini di variazione di T del sistema (non si considerano situazioni in cui ci siano passaggi di fase e/o reazioni chimiche interne). La modalità di scambio energetico tra sistema e ambiente avviene SOLO mediante radiazione. La condizione di equilibrio si esprime in termini di T=0 che implica, in termini di bilancio energetico, che tutta la radiazione che entra è uguale a tutta la radiazione che esce.
7 Bilancio energetico che pone l accento sulla radiazione entrante e stabilisce come si distribuisce la radiazione che incide su un oggetto: a = parte di radiazione assorbita r = parte di radiazione riflessa t = parte di radiazione trasmessa Da questa relazione è possibile definire le proprietà dei corpi
8 Legge sperimentale che pone l accento sulla radiazione uscente da un corpo e stabilisce che essa è proporzionale a: = emissività = costante di Stefan-Boltzmann T⁴ = quarta potenza della temperatura Questa E NON è un energia ma rappresenta la potenza emessa per unità di superficie [W/m 2 ].
9 L ESPERIMENTO MATERIALE ESPERIMENTO: - 1 lampadina - 2 cilindri di alluminio, stessa capacità termica e colori differenti - 2 sensori di temperatura - 1 interfaccia grafica - Software LP3 CARATTERISTICHE E IPOTESI FISICHE ALLA BASE DELL ESPERIMENTO: - ogni cilindro ha un foro centrale in cui viene inserito il sensore di T (si fa l ipotesi che la T sia uniforme in tutto il cilindro); - i cilindri sono fatti dello stesso materiale [alluminio, cₐ 900 J/(Kg K)], stessa massa (stesso volume) per meglio dire hanno stessa capacità termica (J/K) :
10 I protagonisti dell esperimento Lampadina a incandescenza Lucido- Bianco Lampadina a incandescenza Nero- Bianco Nero- Bianco - Lucido Lucido- Bianco Nero- Bianco Lampadina a fluorescenza Lampadina a fluorescenza
11 ESPERIMENTO in corso LAVORI DI GRUPPO!!!
12 I protagonisti del processo/fenomeno Oggetti Radiazion e Elettromagnetica
13 CHE TIPO DI GRAFICO PREVEDIAMO DI OTTENERE? COME LO SPIEGHIAMO?
14 Ein > Eout Ein = Eout Ein < Eout
15 L oggetto i cilindri Manteniamo fissa la radiazione e.m., quindi stessa lampadina. Lucido- Bianco Nero- Bianco Radiazione Elettromagnetica OGGETTO Lucido- Nero Nero- Bianco - Lucido
16 NERO - BIANCO
17 BIANCO - LUCIDO
18 NERO - LUCIDO
19 NERO BIANCO - LUCIDO
20 Manteniamo fissi gli oggetti, quindi stessa coppia di cilindri. La Radiazione le lampadine Oggetti Radiazione Elettromagnetica
21 Lampadina a Incandescenza
22 Lampadina Eco
23 Lampadina Alogena
24 Lampadina IR
25 uno strano risultato Grafico dei cilindri bianco e lucido esposti alla luce della lampada ad incandescenza. Grafico dei cilindri bianco e lucido esposti alla luce solare
26 Spettro della luce Spettro solare Spettro lampada incandescenza Ipotesi di lavoro proviamo ad esporre all IR proviamo a schermare l IR
27 Spettro delle lampadine
28 Cilindro in plexiglass trasparente? Aggiungiamo al nostro esperimento un nuovo cilindro in plexiglass. (Il cilindro in plexiglass ha la stessa capacità termica dei cilindri in alluminio) Cosa ci aspettiamo che succeda? Come reagirà il cilindro in plexiglass alle tre differenti radiazioni?... Cosa significa trasparente?
29
30
31 Tester Sensore di radiazione IR Lampadina IR Foglio plastica Tester Sensore di radiazione IR Lampadina IR IR (mv) Note 14.7 Radiazione IR rilevata a 100 cm dalla lampada IR 10.1 Interposizione di 1 foglio di plastica 7.7 Interposizione di 2 fogli di plastica 6.0 Interposizione di 3 fogli di plastica
32 La proprietà della trasparenza non è quindi una proprietà assoluta Ad esempio il cilindro di plexiglass è nera all infrarosso, mentre è trasparente al visibile Il comportamento ottico dipende dalla regione di spettro che si sta considerando Si può anche dire che: Il calore passa solo se scalda il materiale attraverso cui passa, la radiazione passa solo se non scalda.
33 Concetto di trasparenza Esercizio n. 1 (Guida esperimento cilindri ) Un oggetto opaco A (es. un blocco di legno o una pietra) e un oggetto trasparente B, aventi la stessa capacità termica e la stessa temperatura iniziale pari a Ti, sono esposti alla luce solare per un tempo t. La temperatura TA e TB dei due oggetti alla fine del tempo di esposizione sarà: a.ta = TB b.ta > TB c.ta < TB d.non so Giustifica la tua risposta. Come avete risposto a questa domanda? Come avete giustificato la vostra risposta?... Come rispondereste adesso?
34 Dagli ESPERIMENTI al MODELLO Dai cilindri al modello planetario
35 Grazie per l attenzione... Ai prossimi esperimenti
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