Речь пойдёт не о настоящих врагах, а о двух приборах, приняв принцип работы одного, мы должны отказать в верности законам природы другому.
Итак: Инфракрасный бесконтактный термометр против радиометра Крукса.
Почему они враги "по природе"?
Потому, что принцип работы инфракрасного термометра основан на законе Стефана-Больцмана, который гласит: Мощность излучения любого тела пропорциональна четвёртой степени его абсолютной температуры.
(Абсолютная температура, это температура, выраженная в единицах абсолютной шкалы температур Кельвина. За нуль в ней принятa температурa минус 273.4 градуса по Цельсию, называемая абсолютным нулём!)
Это означает, что нельзя ПРИНЦИПИАЛЬНО охладить любое вещество ниже этой температуры! Например до минус трёхсот по Цельсию. НЕТ ТАКОЙ МИНУСОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ. Нагревать можно хоть до миллиарла граулдусов, а, вот, охладить ниже абсолютного нуля - нельзя. Не по причинам техническим, а просто в природе НЕТ такой температуры!
Читал в детстве идиотский рассказ советского "писателя-фантаста". Герои, конечно же, СОВЕТСКИЕ люди, отправляются в центр Солнца благодаря гениальному, конечно же, СОВЕТСКОМУ изобретению: Охлаждать корпус своего космического корабля в точности до наружней температуры. На поверхности Солнца температура 6000 градусов Цельсия, и герои запросто, поворотом некого выключателя, охлаждают корпус корабля до МИНУС 6000 градусов!
КОМФОРТ!
В центре Солнца - 10-20 миллионов градусов. Нам, СОВЕТСКИМ героям, всё нипочём, ибо корпус нашего корабля тоже охлаждаем до минус 10-20 миллионов градусов.
Такую безграмотную чушь печатают "для отрочества и юности"!!!
Не помню автора и журнальчика или газетёнки, где был опубликован этот блистающий невежеством рассказик.
Но, наверно, по следам этого "изобретения" некий Б.З Фрадкин написал повесть, тоже "научно-фантастическую", "Пленники пылающей бездны". Там задача чуть поскромней: На неком абиссмобиле - бездноходе пройти сквозь земной шар. И охлаждение там тоже ускоренное протонно-нейтронное с одновременным сопротивлением давлению в сотни тысяч атмосфер.
"И вечный бой, покой нам только снится;
Сквозь твердь летит,
Ломит, крушит абиссоколесница,
И мнёт гранит,"
А.Блок, "На поле Куликовом".
(В стих внесены незначительные изменения.)
И, знаете, издана повесть тиражом в 90.000 экземпляров "Молодой гвардией"! Не каким-нибудь захудалым провинциальным издательством.
Автор - ровесник Октябрьской Революции, инженер-конструктор (а значит знаток "СОПРОМАТА"), известный писатель-фантаст!!!
В соответствии с законом Стефана-Больцмана работают и инфракрасные термометры:
Их чувствительный элемент, сенсор -- это тончайшая пластиночка из константана-манганина (в один микрон толщиной), покрытая платиновой чернью, которая улавливает тепловое излучение измеряемого объекта и преобразует его в термолектрическое напряжение. Чувствительность -- не ниже 5 микровольт на один микроватт мощности падающего на сенсор излучения. Усилитель увеличивает амплитуду этого напряжения и затем оно преобразуется (аналого-цифровым преобразователем) в цифровой сигнал на экране термометра.
Снова, он измеряет МОЩНОСТЬ теплового излучения!
Теперь известная физическая игрушка - радиометр Крукса. Ставим приборчик под солнечные лучи и его крыльчатка начинает вертеться. Другое название "Солнечная мельница". Это НЕ давление света, открытое П.Н.Лебедевым в 1899 году. Как раз Лебедеву пришлось немало поизобретать, чтобы избавиться от влияния этого мешающего влияния, которое во много раз больше давления света и называется "радиометрический эффект".
(Давление света 0.4 - 0.8 мг/кв.метр.)
У крыльчатки допатки окрашены в два цвета: с одной стороны - зачернённые, с другой блестящие, почти зеркальные. В стекляном баллончике воздух разряжён до такой степени, что оставшиеся молекулы могут БЕЗ СТОЛКНОВЕНИЙ с другими пролетать всё расстояние от одной стенки до противоположной. Это называется "длина свободного пробега".
Зачернённая сторона крылышек нагревается солнечными лучами гораздо больше, чем зеркальная. Молекулы, с ней сталкивающиеся, благодаря нагреву приобретают дополнительную скорость. За счёт реакции (они как бы отталкиваются от горячей стороны) они толкают крылышко и оно поворачивается. Крыльчатка начинает вращаться.
В начале объяснения радиометра я сказал, что зачернённая сторона поглощает тепло сильней, чем зеркальная. Это соответствует закону Кирхгофа, который гласит, что зачернённая поверхность и ИЗЛУЧАЕТ тепло больше, чем зеркальная, то есть и поглощение и излучение зачернённой поверхности намного больше, чем у зеркальной. Так называемый "коэффициент поглощения" в случае излучения плавно переименовывается в "излучательную способность тела". (Точнее было бы назвать "ПОВЕРХНОСТИ").
Как наглядное доказательство последнего проведём с радиометром такой фокус: Подставим его под струю холодной воды. Что будет?
Солнца нет, вокруг - холод воды и баллон сильно ею охлаждается.
Крылышки начнут вертеться в ПРОТИВОПОЛОЖНОМ "обычному" направлении. То есть так, как будто теперь зеркальная сторона, а не зачернённая, толкают крылышки вперёд!
Почему? Именно по закону Кирхгофа. Холодные (отражённые от стекла баллона) молекулы подлетают к зачернённой и к зеркальной сторонам. Но зачернённая быстрее потеряла свою температуру (ибо излучала тепло сильней!), а зеркальная сторона всё ещё нагрета! Она теперь сообщает бОльшую кинетическую энергию молекулам и те силой реакции толкают её!
Инфракрасные термометры учитывают закон Кирхгофа и программируются на вычисление температуры 90-95% коэффициентом поглощения, то есть исходят из того, что закон Стефана-Больцмана соблюдается на 90-95 процентов.
Но мы же мерим температуру у разного цвета поверхностей! Не зеркальные, но белые, жёлтые, розоватые, синие и все прочие, "в клеточку и в горошек". А термометр неизменно показывает одну и ту же температуру. НЕЗАВИСИМО ОТ ЦВЕТА поверхности. Но мощность-то излучения должна быть разной и сильно разной. Значит термометр должен показывать разную температуру у одинаково нагретых тел, в зависимости от цвета их поверхности. Металл, дерево, пластмасса, вода, керамика, все предметы в комнате показывают по термометру одну и ту же температуру. И правильную! Если бы наш прибор измерял не мощность, а длину волн инфракрасного излучения, он бы именно так и показывал, у всех одинаковую, коль скоро все действительно имеют одну температуру. Но термометр измеряет не длину волн, а мощность излучения, которая, в отличие от длины волны, ЗАВИСИТ от цвета поверхности!!!
Второй вопрос.
Если термометр находится в комнате и средняя температура воздуха в ней, скажем, 23 градуса тепла по Цельсию, значит и все его части, включая и чувствительный термоэлектричекий сенсор имеют ту же температуру.
Достанем из морозильника кусок льда с температурой, допустим, минус 15 градусов по Цельсию. Он, конечно, тоже излучает. Но его излучение во много раз слабей теплового излучения самого сенсора! Он НЕ МОЖЕТ нагреть сенсор! Он может только охладить его, не, конечно же, "лучами холода", таких лучей в природе нет! Но он может поглощать собственное излучение сенсора и тем охлаждать его.
(Школьный опыт: Стоят два больших параболических зеркала друг напротив друга так, что их оптические оси совпадают. В фокусе одного - термометр. В фокусе другого - кусочек льда. Термометр начнёт показывать более низкую температуру, чем температура окружающего воздуха. "Лучи холода"? Нет! Просто термометр сам тоже излучает энергию в виде инфракрасных лучей, но они поглощаются кусочком льда. То есть тепловая энергия термометра начинает уменьшаться и он показывает понижение температуры. Но даже в этом случае наш термометр НЕ ОХЛАДИТСЯ до температуры кусочка льда!)
Так ЧТО показывает инфракрасный термометр, указующий лучик которого направлен на кусок льда?