Valguse neeldumine praktikum (0)

Tallinna Tehnikaülikool                                                                            Riski- ja ohutusõpetus 
LABORATOORNE TÖÖ NR 7: PINDADE SOOJUSKIIRGUSE 
HINDAMINE IP TERMOMEETRI ABIL 
Kuupäev: 
Nimi:  Joonas Hallikas 
Pindade soojuskiirguse hindamine IP 
06.05.2014 
 
Kellaaeg : 
termomeetri abil 
Kursus : MAHB-41 
10.00 
 
TÖÖ EESMÄRGID 
  Uurida kombineeritud infrapuna  ja kontakt-termomeetri tööd, infrapuna režiimis. 
  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 ,  vedelad  kui   gaasilised   –  kiirgavad  soojuskiirgust,  kui  nende 
temperatuur  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.  Sama  võib  väita  ka 
soojuskiirguse 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 = 6.626·10-34 J·s) 
 
ν - valguse sagedus [1 Hz] 
Lainepikkuse ning sageduse vahel esineb aga seos: mida suurem on lainepikkus, seda väiksem 
on  sagedus:   
 
 
 
 c
    
 
 
 
 
 
(2) 
kus  
λ – valguse lainepikkus [1 m] 
 
c – valguse kiirus (c = 3·108 m/s) 
 
ν - valguse sagedus [1 Hz] 
                                                 
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 
Seega  suuremate  lainepikkustega  valgustel  on  väiksem  sagedus,  ning  seetõttu  on  neis  ka 
energia väiksem. Seega teades valguse lainepikkust saab tema energia avaldada läbi valemi: 
h  c
E    
 
 
 
 
 
(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: 
EL = EN + EP,   
 
 
 
 
(4) 
kus 
EL – Keha pinnale langev energia [1 J]  
 
EN – Pinnas  neeldunud energia [1 J] 
 
EP – Pinnalt peegeldunud energia [1 J] 
Olles tutvunud füüsikaga, mis käsitleb valguse energiat ning valguse neeldumist-peegeldumist 
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  peaks  punase 
keha temperatuur tõusma rohkem. 
TÖÖ KÄIK 
I OSA: SEADISTAMINE 
Tutvuge  infrapuna  termomeetriga  mõõtmisega.  Termomeeter  on  mõeldud  mõõtmaks 
temperatuure  vahemikus -40...+550 oC. 
NB! Mõõtmine toimub  laserkiire  abil, vältige laserkiire sattumist nahale või silma. 
3 
Tallinna Tehnikaülikool                                                                            Riski- ja ohutusõpetus 
Andmete  kogumiseks  tuleb  alla  vajutada  päästik.  Päästiku  vabastamise  järel  püsib  seadme 
ekraanil   viimane  mõõtetulemus  kuni  uue  mõõtmiseni  või  seadme  väljalülitumiseni. 
Termomeeter  on  seadistatud  mõõtma  temperatuuri  Celsiuse  skaalal,  seda  tähistab  ekraanil 
märk oC. 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  hõõglambi pinna poolseima 
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.  
Joonis 1. Värvikaardi soojendamine 
Iga  individuaalse  mõõtmisperioodi  jooksul  tuleks  vältida  nii 
hõõglambi  kui  ka   uuritavate   pindade  liigutamist.  Termomeetriga  tuleb  lugeda  näitu 
võimalikult  uuritava  pinna  lähedalt  (sest  uuritavad  testpinnad  on  väikesed  ning  nt  30  cm 
kauguselt on mõõdetava pinna 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! 
Mõõta  igal  pinnal  võimalikult  samas  punktis  kogu  mõõteseeria  jooksul.  Kindlasti  vältida 
mõõtmist  üle  hõõglambi,  sest  sellisel  juhul  kuumutab  hõõglamp  termomeetrit  ning  näidud 
tulevad  ebatäpsed.    Lisaks  võib  sellise  väära  metoodika  kasutamise  korral  mõõteseadme 
rikkuda. 
 
Mõõtmine toimub kahes osas:  
4 
Tallinna Tehnikaülikool                                                                            Riski- ja ohutusõpetus 
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   laske   pindadel 
jahtuda  algtemperatuurini,  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 1mW 
Lambi kaugus testpindadest on 25 cm. 
 
Täiendada tabelit 1 kasutades valemit (3).  
 
NB! Energiate arvutamisel jälgi ühikuid!                  
 1 nm = 10−9m         
Footoni energia ühikuks on 1 eV                                 
 1 eV = 1,6×10-19 J 
 
Tabel 1. Seosed värvuste ja valguse lainepikkuse vahel  vaakumis . 
5 
Tallinna Tehnikaülikool                                                                            Riski- ja ohutusõpetus 
Keskmine 
Värvus
Lainepikkus 
Energia 
Energia 
 
lainepikkus 
[1 nm] 
[1 J] 
[1 eV] 
[1 m] 
Punane 
760…..630  695*10^-9 
2,86*10^-19 
1,79 
Oranž 
630…..600  615*10^-9 
3,23*10^-19 
2,02 
Kollane 
600…..570  585*10^-9 
3,40*10^-19 
2,12 
Roheline 
570…..520  545*10^-9 
3,65*10^-19 
2,28 
Helesinine 
520…..470  495*10^-9 
4,02*10^-19 
2,51 
Sinine 
470…..420  445*10^-9 
4,47*10^-19 
2,79 
Violetne 
420…..380  400*10^-9 
4,97*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] 
 
(t = 0 s) 
(t = 20 s) 
(t = 40 s) 
 (t = 60 s) 
 (t = 80 s) 
(tumedus: 80 %) 
Punane 
23,2 
26,6 
27,9 
28,5 
28,8 
Roheline 
23,3 
27,3 
28,0 
29,1 
29,2 
Sinine 
23,2 
25,6 
26,0 
26,2 
26,4 
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 
22,9 
26,6 
27,8 
28,1 
28,5 
Tumelilla 
23,1 
26,9 
27,9 
28,7 
29,1 
Tumeroheline 
22,8 
30,3 
31,3 
31,7 
32,7 
 
 
 
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?  
On  näha,  et  alguses  soojenevad  pinnad  järsku  ning  mingist   piirist   temperatuuritõus 
aeglustub. Teooria järgi soojeneb ka punane kiiremini kui sinine. 
 
30
29
28
r 
27
Punane
eratuu
26
Roheline
p
m
Sinine
Te
25
24
23
0
20
40
60
80
aeg 
 
 
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? 
Tõesti tumedamad vävid soojenevad kiiremini, sest nad neelavad rohkem valgust. 
7 
Tallinna Tehnikaülikool                                                                            Riski- ja ohutusõpetus 
34
32
30
28
Kollane
r 
Tumelilla
26
eratuu
Tumeroheline
p
m
24
Te
22
0
20
40
60
80
aeg 
 
 
3.  Selgitage,  mis  seos  on  valgusel  ja  pinna  värvusel,  mida  kujutavad  endast  musta  ja 
valget värvi pinnad? Miks ei toodud lainepikkusi nende värvuste  kohta? 
Valge  pind  on  pind,  mis  peegeldab  tagasi  kõiki  värvi  valguseid  ühtlaselt.  Must  neelab 
enamuse  valgusest  ja  seega  peegeldab  väga  vähe  valgust  tagasi.  Mõlemal  juhul 
peegeldavad kõiki lainepikkusi ühtaselt. 
 
4.  Miks  tuleb  katsete  käigus  hoida   distants   hõõglambi  kolvi  ja  uuritavate  pindade 
vahel konstantsena ent lambi kõrgust lauast tuleb pidevalt muuta? 
Selleks, et valguse  langemine  kõikidele pindadele oleks sama kaugelt ja sama nurga alt. 
 
5.  Miks on oluline laserite  kasutamisel  (seda isegi nii madalate võimsuste korral nagu 
on   laser   kaardikepil  ehk  pointeril2  ja  ka  antud  töös  kasutatava  IP  termomeetri 
indikaatorlaseril) juhinduda ohutusnõuetest?  
Tuleb 
arvestada, 
et 
isegi 
nõrga 
võimsusega 
laserid  
(mõni 
millivatt) 
võivad  silmale  ohtlikud  olla.  Isegi  nõrk   laser   võib  lühikese   ajaga   põhjustada  silmale 
püsivat kahju. 
 
                                                 
2 Üldiselt on laserpointerid vähem kui 1 - 5 mW, ent võimalik soetada ka võimsamaid. 
8 
Tallinna Tehnikaülikool                                                                            Riski- ja ohutusõpetus 
5.1. Mis võimsusega on töös kasutatav IP termomeetri laser?  
1mW 
5.2. Kui  võimsaid  lasereid   teaduses /tööstuses  jms  kasutatakse?  Mida  tuleb  nendega 
töötamisel silmas pidada? 
Kasutatakse kuni 3000W lasereid laserlõikuseks ja kuni 100W kirurgilisi lasereid.  
5.3. Missugused  võivad  olla  laserite  väärkasutamise  tagajärjed?  Too  näiteid 
erinevate võimsuste kohta? 
Kuni 5 mW kaasneb mõningane vigastuse oht. Kui  kiirt  vaadata mitmeid sekundeid, 
siis on vigastus tõenäoline. 
Klass  IIIb/3B  võib  põhjustada  kohest  vigastust  juba  hetkelisest  kiire  langemisest 
silma. 
Klass IV/4 laserid võivad kahjustada nahka. Mõnikord piisab lausa hajunud  kiirest , et 
nahka või silma vigastada. Paljud tööstuslikud laserid kuuluvad sellese klassi. 
6.  Formuleerige järeldus saadud tulemuste kohta. 
Tulemus oli ettearvatav: tumedamad pinnad soojenevad kiiremini kui heledad. 
 
Lisa 1 
Elektromagnetlainete skaala (allikas:  Kiisk , V., “Spektroskoopia alused”, loengukonspekt täiendatud 2012) 
 
Kasutatud materjale: 
http://et.wikipedia.org/wiki/Laser 
9