Valguse neeldumine - infrapuna labor (0)

Tallinna Tehnikaülikool  _                                                                        Riski- ja ohutusõpetus 
LABORATOORNE TÖÖ NR 7: PINDADE SOOJUSKI RGUSE 
HINDAMINE IP TERMOMEETRI ABIL 
Kuupäev: 
Nimi: 
23.04 
Pindade soojuskiirguse hindamine IP 
Kellaaeg: 
termomeetri abil 
8:00 
(12:00) 
 
Kursus : 
 
 
TÖÖ EESMÄRGID 
1. Uurida  kombineeritud   infrapuna  ja kontakt-termomeetri tööd, infrapuna režiimis. 
2. Tutvuda valguse neeldumisega erinevat värvi  pindades . 
TÖÖVAHENDID 
Hõõglamp  võimsusega  vähemalt  10  W,  Fluke  kombineeritud  infrapuna  ja  kontakt- termomeeter , 
värvikaart  (konsentratsioonidega),  spektrivärvide  diagramm,  uuritavatele   pindadele   soojuslikku 
isolatsiooni pakkuv alus. 
TEOREETILINE OSA 
Heledus ja  tumedus  
Kõik kehad – nii  tahked , v
  edelad kui g
  aasilised – kiirgavad soojuskiirgust, kui n
  ende t emperatuur on 
suurem  absoluutsest  nullist,  st  T  >  0  K.  Soojuskiirguseks  ehk  infrapunakiirguseks  nimetatakse 
elektromagnetkiirguse seda  osa, mille  lainepikkus   jääb vahemikku  3·10-4 – 7,5·10-7 m  (piirid  pole 
päris täpsed). 
Keha  kiirgustegur  e  iseloomustab  keha materjali. Kui keha on musta värvi, siis  kiirgab ta  soojust 
väga  intensiivselt ning e on lähedane ühele. Läikiva  pinnaga kehadel on e ligikaudu 0. Järelikult on 
nende kehade  soojuskiirgus  praktiliselt olematu. S
  ama võib v
  äita k
  a s oojuskiirguse neeldumise kohta 
–  tumedad  kehad  neelavad  soojust väga hästi ning läikivad äärmiselt halvasti. 
1 
Tallinna Tehnikaülikool  _
                                                                         Riski­ ja ohutusõpetus 
 
Liitvalgus  
Liitvalguseks nimetatakse valgust, mis koosneb kõigist spektri värvidest. 
Värviliste pindade värvilisena  tajumine  
Liitvalguse  pinnale  suunamisel, peegeldab pind tagasi seda värvi valgust, mis värvi pind ise on, kõik 
ülejäänud  värvi   valgused   aga  neelduvad  pinnas.  Seega  näiteks  sinine  pind  peegeldab tagasi  sinise 
valguse, ent punane, roheline jt valgused neelduvad temas. 
Kui  mitme  uuritava  pinna  materjal  ja  tumedus  on  sama  (ei  saa  esineda seda, et mõni pind neelaks 
valgust  paremini  kui teine lähtudes  tema  tumedusest)  siis sõltub   valgusenergia   neeldumine   eelkõige 
pinna värvusest.  
Pinna  värvus  määrab  ära  antud  juhul  selle,  mis  värvi  valgust tagasi  peegeldatakse ehk  missuguse 
lainepikkusega  valgus  antud  värvuses  ei  neeldu.  Erinevat  värvi  valgustel  on  teatavasti  erinevad 
lainepikkused, mis on toodud tabelis 1 (andmeanalüüsi osas). 
Valguse energia 
Footoni1  energia  ja  sageduse  vahel  esineb seos: mida suurem  on sagedus, seda suurem on footoni 
energia. Iga footoni energia on seega määratud valemiga 
E = h ∙ ν,
(1) 
kus 
E – footoni energia [1 J] 
h – Plancki konstant (h = 6.626∙10­34 J∙s) 
ν ­ valguse sagedus [1 Hz] 
Lainepikkuse  ning sageduse  vahel  esineb  aga  seos:  mida  suurem  on  lainepikkus,  seda  väiksem on 
sagedus:
 
(2) 
1
Footon – valgusosake ehk energiaportsjon, millel on olemas oma mass ning energia, mis sõltub sagedusest. 
Footonil puudub seisumass, liigub alati valguse kiirusega. 
2 
Tallinna Tehnikaülikool  _
                                                                         Riski­ ja ohutusõpetus 
kus 
λ – valguse lainepikkus [1 m] 
c – valguse kiirus (c = 3∙108 m/s) 
ν ­ valguse sagedus [1 Hz] 
Seega  suuremate  lainepikkustega  valgustel  on  väiksem  sagedus,  ning  seetõttu  on  neis  ka  energia 
väiksem. Seega teades valguse lainepikkust saab tema energia avaldada läbi valemi: 
(3) 
Siinkohal  tuleks aga kindlasti enne  arvutusi  veenduda kasutatavate suuruste mõõtühikuis. Töö lõpus 
lisas   1  on  toodud  elektromagnetlainete  skaala,  kust on võimalik kontollida arvutuste käigus saadud 
tulemuste suurusjärgu korrektsust. 
Värvilisse pinda neelduv energia 
Kuivõrd  kasutatavast  valgusallikast  tuleb  pidevalt  liitvalgust,  võib  eeldada,  et  keha  pinnale  langev 
valgusenergia  on  võrdne  pinnas   neeldunud   valgusenergia  ning  pinnalt  peegeldunud  valgusenergia 
summaga , lähtudes energia jäävuse seadusest: 
E  = E  + E , 
(4) 
L
N
P
kus
E  – Keha pinnale langev energia [1 J]  
L
E  – Pinnas  neeldunud energia [1 J] 
N
E  – Pinnalt peegeldunud energia [1 J] 
P
Olles  tutvunud  füüsikaga,  mis  käsitleb  valguse  energiat  ning  valguse  neeldumist­peegeldumist  on 
mõistetav,  et  näiteks  punaselt  pinnalt  peegeldub  väiksem  kogus  energiat  kui   siniselt   pinnalt.  Et 
mõlemale  pinnale  langeb  aga  sama  kogus  energiat,  siis  lähtudes  energia  jäävuse  seadusest,  peab 
neelduma punases pinnas rohkem energiat kui  sinises , seega p
  eaks punase k
  eha t emperatuur tõusma 
rohkem. 
TÖÖ KÄIK 
I OSA: SEADISTAMINE 
3 
Tallinna Tehnikaülikool  _
                                                                         Riski­ ja ohutusõpetus 
Tutvuge  infrapuna  termomeetriga  mõõtmisega.  Termomeeter  on  mõeldud  mõõtmaks   temperatuure  
vahemikus ­40...+550 oC. 
NB! Mõõtmine toimub  laserkiire  abil, vältige laserkiire sattumist nahale või silma. 
Andmete kogumiseks  tuleb  alla vajutada päästik. Päästiku vabastamise järel püsib seadme ekraanil 
viimane mõõtetulemus kuni u
  ue m
  õõtmiseni või s
  eadme v
  äljalülitumiseni. Termomeeter on seadistatud 
mõõtma  temperatuuri  Celsiuse  skaalal,  seda  tähistab  ekraanil märk o
  C. Kui  seadistus  peaks olema 
muutunud, paluge juhendajal see taastada. 
Uuritavad värvilised pinnad asetatakse päikese kätte või hõõglambi valgusesse.  
II OSA: MÕÕTMINE 
Uuritavatele  pindadele  peaks  valgus  langema  võimalikult  ühtlaselt.  Seega 
tuleks hoida pidevalt sama distantsi h
  õõglambi p
  inna p
  oolseima külje (st kolvi 
tipu)  ja  uuritava  pinna  vahel.  Vahetades  uuritavat  värvipinda,  reguleerida 
lambi  kõrgus  sobivaks  –  hõõglambi  kolvi  tipp  peab  olema samal  kõrgusel 
uuritava  pinna  tsentriga.  Ka  peaksid  olema  pinnad  soojuslikult  isoleeritud 
esemetest,  mis  võiksid  neid  jahutada  (nt  betoonsein)  mõõtmiste  ajal  ning 
rikkuda katsetulemusi.  
Iga  individuaalse  mõõtmisperioodi  jooksul  tuleks  vältida  nii  hõõglambi  kui 
ka  uuritavate  pindade liigutamist. Termomeetriga t uleb l ugeda näitu võimalikult uuritava p
  inna lähedalt 
(sest uuritavad t estpinnad o
  n v
  äikesed ning n
  t 30 cm kauguselt on mõõdetava p
  inna  diameeter  ca 3,8 
cm).   
Lähedalt  mõõtmise  korral  tuleb  samas  jälgida,  kas  sensori  ette  jääv  reaalne  mõõdetav  pind  ja 
indikaatorlaseriga   markeeritud   mõõtmisala   tsenter   ühtivad  omavahel.  Kui  ei  ühti,   korrigeerida  
temomeetri sensori asukohta uuritava pinna suhtes! 
4 
Tallinna Tehnikaülikool  _
                                                                         Riski­ ja ohutusõpetus 
Mõõta igal pinnal võimalikult s
  amas p
  unktis k
  ogu m
  õõteseeria jooksul. Kindlasti v
  ältida mõõtmist ü
  le 
hõõglambi,  sest  sellisel  juhul  kuumutab  hõõglamp  termomeetrit  ning  näidud  tulevad  ebatäpsed. 
Lisaks võib sellise väära metoodika kasutamise korral mõõteseadme rikkuda. 
 
Mõõtmine toimub kahes osas:  
1.
Uurige  valguse  neeldumist  värvikaardil,  kus  on  antud  erinevad  värvused  erinevate 
tumedusastmetega.  Mõõtmiste  käigus  vaadelge  erinevaid  värvusi,  millel  on  sama  tumedusaste 
(märgitud  %).  Esimene  mõõtmine viige läbi ajahetkel  t  =  0  s. Esimese mõõtmise ajal mõõtke ära 
kõikide  uuritavate  pindade  algtemperatuurid.  Seejärel  registreerige  ettenähtud  ajavahemike  järel 
üksiku värviruudu (nt punase) temperatuurid. Seejärel l aske p
  indadel j ahtuda a
  lgtemperatuurini, enne 
uue värvuse juurde liikumist. Korrake mõõtmisi järgmiste värvidega. Tulemused märkida tabelisse 2. 
2.
Enne  spektrivärvide   diagrammi   mõõtmist  oodake  kuni  värvikaardi  pinnad  on  saavutanud 
algtemperatuuri   (siis  ilmselt on jõudnud jahtuda ka diagramm algtemperatuurini, mis paratamatult on 
eelnevalt  soojenenud  värvikaardiga  läbiviidud  katsete  ajal).  Korrigeerige  lambi  asendit  diagrammi 
suhtes.  Korrake  mõõtmisi  sarnaselt  eelmise  mõõtmise  metoodikale.  Valige  kolm  testvärvi  ja 
sooritage  esmased  mõõtmised,  ilma  pindu  hõõglambiga  soojendamata.  Seejärel  hakake  pindu 
soojendama ning mõõtke tulemused sarnaselt esimesele katseosale. Tulemused kandke tabelisse 3. 
NB!  Esimene  mõõtmine  viige  läbi  ilma  pindu  soojendamata,  mõõtes  nende  temperatuuri 
enne hõõglambi sisselülitamist. 
ANDMETE ANALÜÜS 
Töös  kasutatava  lambi võimsus on …..150.... W.  
Töös kasutatava IP termomeetri laseri võimsus on ……….. (märgi ka ühikud). 
Lambi kaugus testpindadest on …25… cm. 
 
 
Täiendada 
tabelit 
1 
5 
Tallinna Tehnikaülikool  _
                                                                         Riski­ ja ohutusõpetus 
kasutades 
valemit (3).  
 
NB!  Energiate  arvutamisel jälgi ühikuid! 
 
 1 nm = 10−9m 
 
Footoni energia ühikuks on 1 eV 
 
 1 eV = 1,6×10­19 J 
 
Tabel 1. Seosed värvuste ja valguse lainepikkuse vahel vaakumis. 
Keskmine 
Lainepikkus 
Energia 
Energia 
Värvus 
lainepikkus 
[1 nm] 
[1 J] 
[1 eV] 
[1 m] 
Punane 
760…..630 
0,000000695 
2,9*10^ ­19 
1,79 
Oranž 
630…..600 
0,000000615 
3,2*10^ ­19 
2,02 
Kollane 
600…..570 
0,000000585 
3,4*10^ ­19 
2,12 
Roheline 
570…..520 
0,000000545 
3,6*10^ ­19 
2,28 
Helesinine 
520…..470 
0,000000495 
4,0*10^ ­19 
2,51 
Sinine 
470…..420 
0,000000445 
4,5*10^ ­19 
2,79 
Violetne 
420…..380 
0,0000004 
5,0*10^ ­19 
3,11 
Tabel 2. Valguse neeldumine värvikaardil, pindade temperatuurid. 
Värvus 
Temp [1 oC]  Temp [1 oC]  Temp [1 oC]  Temp [1 oC]  Temp [1 oC] 
(tumedus: 100%) 
(t = 0 s) 
(t = 20 s) 
(t = 40 s) 
 (t = 60 s) 
 (t = 80 s) 
Punane 
23,7 
27,5 
28 
28,5 
28,8 
Roheline 
23,3 
27,1 
27,8 
28,3 
28,8 
Sinine 
23,8 
27,0 
28,0 
28,5 
29,6 
Tabel 3. Valguse neeldumine spektrivärvide  diagrammil , pindade temperatuurid. 
Temp [1 oC]  Temp [1 oC]  Temp [1 oC]  Temp [1 oC]  Temp [1 oC] 
Värvus 
(t = 0 s) 
(t = 20 s) 
(t = 40 s) 
 (t = 60 s) 
 (t = 80 s) 
Kollane 
23,5 
27,0 
27,8 
28,3 
28,6 
Roheline (tume) 
23,6 
28.6 
29,2 
30,4 
30,6 
Punane (tume) 
23,5  
26,8 
26,9 
27,4 
27,8 
6 
Tallinna Tehnikaülikool  _
                                                                         Riski­ ja ohutusõpetus 
 
KÜSIMUSED 
Arvutused  ja  vastused  küsimustele  esitada  lisalehel.  Graafikute  esitamisel  kasuta  teljestiku  pinda 
maksimaalselt ära, et graafikute järgi oleks võimalikult mugav järeldusi teha 
1. Täiendage  teljestikku  1  nii,  et  sellel  esitatud   graafikud   kirjeldaksid  värvikaardi  pindade 
soojenemist  aja  jooksul.  Sõnastage,   missugust   tendentsi  on  märgata  graafikul?  Kas  see  on 
vastavuses teooriaga?  
2. Täiendage  teljestikku  2  nii,  et  sellel  esitatud  graafikud  kirjeldaksid  spektrivärvide  diagrammi 
soojenemist  aja  jooksul?  Sõnastage,  missugust  tendentsi  on  märgata  graafikul?  Kas  seos, mis 
tekib on sama mis eelmisel graafikul? Selgitage miks? 
3. Selgitage, mis seos  on  valgusel ja  pinna värvusel,  mida kujutavad endast musta ja valget värvi 
pinnad? Miks ei toodud lainepikkusi nende värvuste  kohta? 
4. Miks  tuleb  katsete  käigus  hoida   distants   hõõglambi  kolvi  ja  uuritavate  pindade  vahel 
konstantsena ent lambi kõrgust lauast tuleb pidevalt muuta? 
5. Miks  on  oluline  laserite  kasutamisel  (seda  isegi  nii  madalate  võimsuste  korral  nagu  on   laser  
kaardikepil  ehk  pointeril  
2 ja  ka  antud  töös  kasutatava  IP  termomeetri  indikaatorlaseril) 
juhinduda  ohutusnõuetest?  
5.1. Mis võimsusega on töös kasutatav IP termomeetri laser?  
5.2. Kui  võimsaid lasereid   teaduses /tööstuses jms kasutatakse? Mida tuleb nendega töötamisel 
silmas pidada? 
5.3. Missugused võivad olla laserite väärkasutamise tagajärjed? Too näiteid erinevate v
  õimsuste 
kohta? 
6. Formuleerige järeldus saadud tulemuste kohta. 
 
 
 
2 Üldiselt on laserpointerid vähem kui 1 ­ 5 mW, ent võimalik soetada ka võimsamaid. 
7 
Tallinna Tehnikaülikool  _
                                                                         Riski­ ja ohutusõpetus 
 
Graafik  1. Valguse neeldumine värvikaardil 
 
 
Graafik 2. Valguse neeldumine spektrivärvide diagrammil. 
Lisalehel on graafikud. 
 
 
 
 
 
 
8 
Tallinna Tehnikaülikool  _
                                                                         Riski­ ja ohutusõpetus 
Lisa 1 
Elektromagnetlainete skaala (allikas:  Kiisk , V., “Spektroskoopia alused”, loengukonspekt täiendatud 2012) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9 
Tallinna Tehnikaülikool  _
                                                                         Riski­ ja ohutusõpetus 
Lisaleht 
 
1.  Joonis 1 ( teljestik ) 
Kõrgemaid lainepikkusi neelav pind peaks kiiremini soojenema. Punast ja rohelist võrreldes  
see nii ongi. 100% see teooriaga siiski vastavuses pole, ilmselt on süüdi printer, kuna siniste  
toonide tumendamiseks kasutatakse musti täppe mis põhjustavad energia suurema neeldumise  
võrreldes puhta sinise tooniga. 
 
2.  Joonis 2 (teljestik) 
Tendets on sama, sest üldine reeglistik lainepikkuste neeldumise ja nende energiate vahel  
kehtib ka siin. 
 
3.  Valgus ja pinna värvus on seotud valguse spektrist.  
Pinna  värvus  määrab  ära  antud  juhul  selle,  mis  värvi  valgust tagasi  peegeldatakse ehk  missuguse 
lainepikkusega  valgus  antud  värvuses  ei  neeldu.  Erinevat  värvi  valgustel  on  teatavasti  erinevad 
lainepikkused.  
 
10 
Tallinna Tehnikaülikool  _
                                                                         Riski­ ja ohutusõpetus 
Valget ja musta värvi pinnad kujutavad endast neutraalvärve, ehk värvituid värve.  
Valge ja m
  usta k
  ohta e
  i ole t oodud lainepikkused, s
  est k
  ui keha o
  n m
  usta v
  ärvi, s
  iis kiirgab ta s
  oojust 
väga  intensiivselt  ning  e  on  lähedane  ühele. Läikiva  pinnaga  kehadel,  nt  kui valget  värvi, siis  on  e 
ligikaudu  0.  Järelikult  on  nende  kehade  soojuskiirgus  praktiliselt  olematu.  Must  neeldub,  valge 
peegeldab.  
4.Katsete  käigus tuleb hoida  distants  hõõglambi kolvi ja  uuritavate pindade vahel konstantselt ning 
kõrgust  tuleb  pidevalt  muuta  sest  energia  hajub  distantsil,  värvipinnad  aga  paiknevad  erinevatel 
kõrgustel, seega tuleb  langemisnurka samana hoidmiseks lambi kõrgust muuta. 
 
5. Oleline on laserite kasutamisel juhinduda o
  hutusnõuetest s
  est i nimese s
  ilm ei o
  le kohanenud otsese 
valgusega  ning laseri valgse puhul on tegemist tugevalt konsentreeritud valgusenergiaga. 
5.1