Departamento de Ciencias ExactasCarrera de: Ingeniera ElectrnicaAsignatura: Fsica IIINFORME DE LABORATORIO No. 2.2

1. Tema:

LEY DE STEFAN-BOLTZMANN

Realizado por: Danilo Lara, Andrs Caldern NRC: 1820Fecha: 18-12-2014

Departamento de Ciencias Exactas Fsica, Escuela Politcnica del Ejrcito

Sangolqu Ecuador

Resumen

La prctica estuvo guiada en la demostracin de la ley de Stefan-Boltzmann acerca de la energa radiada por un cuerpo y su relacin de proporcionalidad con la temperatura, se realiza esta demostracin a travs de llevar a cabo mediciones con varios equipos para recolectar datos, los datos se tomaron bajo ciertos parmetros que debamos cumplir para obtener los resultados esperados al realizar el anlisis de los mismos.Cada tres minutos se realizaba la toma de los datos de tres variables, temperatura, corriente y termo tensin. Se repiti este proceso hasta el momento en que se alcanz la temperatura mxima de 350 (C).Una termocupla conectada a su respectivo medidor en grados centgrados nos indicaba la variacin de temperatura del horno en el tiempo, la termopila con la ayuda de una pared adiabtica y un iris conectada en serie con un galvanmetro tomaba la medida de la termo tensin que era reflejado en un amplificador de medida.

Palabras Claves: radiacin, cuerpo negro, termo tensin.

Abstract

The purpose of the practice was the demonstration of the Stefan-Boltzmanns law, for this we realize measurements of current and thermal stress of a body placed in a furnace until the temperature reached 350 were performed in thirty minutes.Once we review measurements were performed to match the data, the analysis of these data we can determine the relationship of proportionality between the energy radiated by a body and its temperature.

2. Objetivos Analizar y explicar a travs de la ley de Stefan-Boltzmann, el flujo emitido por un cuerpo negro.

3. Marco Terico

Ley de Stefan-BoltzmanEstablece que uncuerpo negroemiteradiacin trmicacon unapotencia emisiva hemisfrica total(W/m) proporcional a la cuarta potencia de su temperatura:

DondeTees latemperatura efectiva, es decir, latemperatura absolutade la superficie y sigma es la constante de Stefan-Boltzman:Esta potencia emisiva de un cuerpo negro (o radiador ideal) supone un lmite superior para la potencia emitida por los cuerpos reales.La potencia emisiva superficial de una superficie real es menor que el de uncuerpo negroa la misma temperatura y est dada por:

Donde epsilon () es una propiedad radiactiva de la superficie denominadaemisividad. Con valores en el rango 0 1, esta propiedad es la relacin entre la radiacin emitida por una superficie real y la emitida por el cuerpo negro a la misma temperatura. Esto depende marcadamente del material de la superficie y de su acabado, de la longitud de onda, y de la temperatura de la superficie.

Constante de Stefan-Boltzman:La constante de Stefan-Boltzmann, una constante fsica denotada por la letra griega s, es la constante de proporcionalidad de la ley de Stefan-Boltzmann: la energa total radiada por unidad de superficie de un cuerpo negro por unidad de tiempo es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura termodinmica.El valor de la constante de Stefan-Boltzmann se da en unidades SI pors = 5,67037310-8 W m-2 K-4.En unidades cgs la constante de Stefan-Boltzmann es:En las unidades de EE.UU. la constante de Stefan-Boltzmann es:El valor de la constante de Stefan-Boltzmann es derivable, as como experimentalmente determinable; vase la ley de Stefan-Boltzmann para ms detalles. Se puede definir en trminos de la constante de Boltzmann como:Dnde:kB es la constante de Boltzmann;h es la constante de Planck;h es la constante de Planck reducida;c es la velocidad de la luz en el vaco.El valor recomendado CODATA se calcula a partir del valor medido de la constante de los gases:Dnde:R es la constante universal de los gases;NA es la constante de Avogadro;R8 es la constante de Rydberg;Ar es la "masa atmica relativa" del electrn;Mu es la constante de la masa molar;a es la constante de estructura fina.Una constante relacionada con la radiacin es una constante que viene dada por:Una simple regla para recordar la constante de Stefan-Boltzmann es pensar "5-6-7-8", y tratar de no olvidar el signo negativo antes de los octavos de final.

Flujo de radiante considerando la temperatura ambiente:El flujo radiante [] se define como la cantidad de energa radiante que atraviesa una posicin espacial por unidad de tiempo. El flujo viene limitado por el ritmo de la corriente que conceptualmente corresponde al ritmo de una corriente de agua a lo largo de una tubera. La unidad de flujo radiante es Julio sobre segundo, ms conocido como Vatio [W]

=dQ/dt

Termopila de Moll: Para medicin de radiaciones, por ejemplo de radiacin trmica de un cuerpo negro, distribucin de intensidad en un espectro, desplazamiento de Wien.Carcasa metlica con varilla 10x156mm con cono de entrada de radiacin y bornes de 4mm.Consta de 17 termoelementos unidos a una superficie negra de 15 mm.Para la toma de medida se recomienda el electrmetro-microvoltmetro (cdigo 209115222)Sensibilidad aprox.:0,28mV/uW.Resistencia interna aprox.:1Ohm.Ajuste en 40s para el 95% del valor medido.

Cuerpo negro: Uncuerpo negroes un objeto terico o ideal que absorbe toda laluzy toda laenergaradiante que incide sobre l. Nada de la radiacin incidente se refleja o pasa a travs del cuerpo negro. A pesar de su nombre, el cuerpo negro emite luz y constituye unsistema fsicoidealizado para el estudio de la emisin deradiacin electromagntica. El nombreCuerpo negrofue introducido porGustav Kirchhoffen1862. La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiacin de cuerpo negro.Todo cuerpo emite energa en forma deondas electromagnticas, siendo esta radiacin, que se emite incluso en el vaco, tanto ms intensa cuando ms elevada es la temperatura del emisor. La energa radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde alongitudes de ondasuperiores a las de la luz visible (es decir, de menor frecuencia). Al elevar la temperatura no slo aumenta la energa emitida sino que lo hace a longitudes de onda ms cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas lasfrecuenciaso longitudes de onda, sino que siguen laley de Planck.A igualdad de temperatura, la energa emitida depende tambin de la naturaleza de la superficie; as, una superficie mate o negra tiene unpoder emisormayor que una superficie brillante. As, la energa emitida por un filamento de carbn incandescente es mayor que la de un filamento de platino a la misma temperatura. Laley de Kirchhoffestablece que un cuerpo que es buen emisor de energa es tambin buen absorbente de dicha energa. As, los cuerpos de color negro son buenos absorbentes.Dispositivo experimental: El dispositivo experimental consta de una lmpara incandescente que produce la radiacin y una termopila de Moll que mide la intensidad de la radiacin producida por la lmpara.Se conecta una fuente de alimentacin alterna a la lmpara. La f.e.m. de la fuente de alimentacin se incrementa de voltio en voltio hasta un mximo de 8 voltios. Un ampermetro mide la intensidad de la corriente en el circuito formado por la fuente de alimentacin y la resistencia del filamento de la lmpara.La termopila tiene forma cilndrica, hueca, que contiene un termopar en su interior. Las paredes interiores son cnicas y plateadas para que reflejen la radiacin incidente y la enfoquen en el termopar. La radiacin absorbida calienta el termopar produciendo un f.em. Termoelctrica de unos pocos milivoltios.

4. Materiales y Equipos

Horno elctrico. Soporte para el horno. Cuerpo negro. Termmetro digital. Termocupla. Acceso para cuerpo negro. Termopila de Moll. Galvanmetro. Diagrama de iris. Amplificador de voltaje. Milivoltmetro. Fuente de tensin. Banco ptico. Conductores.

5. Procedimiento de la Prctica

5.1.- Disponga sobre el banco ptico, el soporte que contiene el horno elctrico, introduzca en este el cuerpo negro. Coloque delante, el accesorio respectivo, de tal manera que circule agua a travs de l.

5.2.- Luego anteponga el diagrama de iris con una abertura cuya rea ha sido previamente calculada, y posteriormente la termopila de Moll.

5.3.- Caliente el horno con la ayuda del transformador de tensin, definiendo previamente la tensin con la que se va a trabajar.

5.4.- La temperatura del cuerpo negro radiante determnese con termmetro digital y la termocupla.

5.5.- Esta energa radiante emitida por el cuerpo negro que pasa a travs de la abertura del diagrama de iris, cptela con la termopila de Moll, la misma que podr ser medida con la ayuda del amplificador de voltaje en el milivoltmetro y con el galvanmetro conectado en serie.

5.6.- Determine la temperatura ambiente To, y luego cada cinco minutos, determine la temperatura del horno T, su respectiva tensin termoelctrica U y la corriente elctrica generada (I).

5.7.- Registre los daros en la hoja tcnica de datos.

6. Anlisis de Resultados Tabulacin:

Temperatura ambiental (K) = 288 = 6879707136 rea de radiacin= 2.04 X10-4

Tiempot(s)Temperatura del hornoTensinU(V)CorrienteI (A)Flujo radiante

Densidad de Flujo radiante (W.m-2)

T (K)T4 (K)T4- To4 (K4)

0288687970713602.5 X10-500.025390.08

1803051.50X101017739434895 X10-51.00 X10-60.050490.66

3603461.43X101074522135209 X10-53.00 X10-60.090812.62

5403972.48X10101.79X10101.6 X10-45.00 X10-60.161408.46

7204453.92X10103.23X10102.4 X10-47.00 X10-62223.43

9004865.58X10104.89 X10103.5 X10-41.2 X10-53163.21

10805257.59X10106.90 X10104.5 X10-41.5 X10-54307.45

12605589.69X10109.01 X10106 X10-42.1 X10-55496.93

14405881.19X10111.12 X10117 X10-42.5 X10-56964.42

16206151.43 X10111.36 X10118.5 X10-42.8 X10-58111.17

7. PreguntasPara construir los siguientes grficos, primero ajustar los datos obtenidos experimentalmente, en base a cualquiera de los mtodos conocidos y desarrolle los anlisis fsicos y matemticos correspondientes.

A.- Realice un grfico Temperatura de horno-TiempoB.- Grafique Tensin Temperatura del hornoC.- Linealice el grafico anterior, en papel logartmico D.- Realice un grfico U-(T4-To4) E.- Como justifica que la relacin U-(T4-To4) representa la ley de Stefan-Boltzmann

Bibliografa http://es.wikipedia.org/wiki/LeyStefann http://es.wikipedia.org/wiki/Cuerpo_negro http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/stefan.html http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Stefan-Boltzmann