My Lofberg Handledare: Matthias Weiszog Amnesgranskare: Cecilia Gustavsson Examensarbete C i fysik, 15hp 9 juni 2017

Transkript

1 Visualisering av varmestralning med hjalp av varmekamera Konstruktion av en laborationsuppstallning for att underlatta studenters forstaelse av varmestralning My Lofberg Handledare: Matthias Weiszog Amnesgranskare: Cecilia Gustavsson Examensarbete C i fysik, 15hp 9 juni 2017 Examensarbete C Institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet

2 Sammanfattning Värmestrålning är ett fenomen som studenter har svårt att förstå[1]. Med detta som bakgrund kommer en laborationsuppställning konstrueras med syfte att visualisera värmestrålning med hjälp av en värmekamera. Fokus är att undersöka transmission och reflektion av värmestrålning i två olika typer av glas, ett fönsterglas och ett lågemissionsglas. Resultatet var lyckat och transmissionen och reflektionen av värmestrålningen visualiserades bra i de bilder värmekameran tog. Konstruktionen utformades i form av en låda som omslöt de uppställningar där mätningarna utfördes. Två experiment utfördes, ett för transmission och ett för reflektion. I varje experiment utfördes mätningar med respektive glas. Bilderna tagna för experimentet med transmission visade tydligt att transmission inte är möjlig för värmestrålning i något av glasen, att fönsterglaset absorberar och emitterar större delen av den inkommande värmestrålningen och att lågemissionsglaset reflekterar större delen av den inkommande värmestrålningen. Bilderna tagna för experimentet med reflektion visade tydligt att lågemissionsglaset reflekterar större delen av den inkommande värmestrålningen medan den strålning värmekameran registrerade för mätningen med fönsterglaset var en kombination av den reflekterande värmestrålningen och fönsterglasets egna emission. Abstract Heat radiation is a phenomenon that students find hard to understand[1]. In this report a laboratory setup has been designed with the purpose to visualize heat radiation using a thermal camera. The goal is to investigate transmission and reflection of heat radiation in two types of glass, window glass and low-emission glass. The result was successful and the pictures taken with the thermal camera showed the phenomena clearly. The construction where designed as a box which enclosed the setups used when doing the experiments. Two experiments were performed, one for reflection and one for transmission. In both experiments measurements with each glass was performed. For the experiment investigating transmission the images clearly showed that transmission is not possible for heat radiation in any of the two glasses, that the window glass absorbs and emits most of the incoming heat radiation and that the low-emission glass reflects most of the incoming heat radiation. For the experiment investigating reflection the images clearly showed that the low-emission glass reflects most of the incoming heat radiation while the radiation that the heat camera registered for the measurement with the window glass was a combination of the reflective heat radiation and the window glass own emission. 1

3 Innehåll 1 Inledning 2 2 Teori Elektromagnetisk strålning Strålning från kroppar Svartkroppstrålning Verkliga kroppar Strålningsfenomen Absorption Emission Kirchhoffs strålningslag Transmission Reflektion Metaller Glas Fönsterglas Lågemissionsglas Strålningslagar Plancks strålningslag Stefan-Boltzmanns lag Wiens förskjutningslag Metod Beskrivning av värmekamera, FLIR C Laborationsuppställning Experiment 1 - Transmission Experiment 2 - Reflektion Resultat Uppställning Uppställning av experiment 1 - Transmission Uppställning av experiment 2 - Reflektion Utförande av experiment Utförande av experiment 1 - transmission Utförande av experiment 2 - reflektion Resultat av experiment Resultat av experiment 1 - transmission Resultat av experiment 2 - reflektion Diskussion Analys av experiment 1 - transmission Analys av experiment 2 - reflektion

4 Analys av fönsterglas Analys av lågemissionsglas Slutsats 32 A Appendix 35 A.1 Bilder från experiment 1, fönsterglas A.2 Bilder från experiment 2, Lågemissionsglas

5 1 Inledning Värmestrålning är ett område inom fysiken som studenter har svårt att förstå[1]. Genom att använda en värmekamera som verktyg underlättas denna förståelse eftersom värmekameran visualiserar fenomen som annars är osynliga för ögat[1]. Med detta som bakgrund kommer en laborationsuppställning konstrueras med syfte att visualisera värmestrålning med hjälp av en värmekamera. Fokus är att undersöka transmission och reflektion av värmestrålning. För att få ett brett våglängdsområde att undersöka i det infraröda spektrumet kommer laborationsuppställningen bestå av ett temperaturvarierande objekt för att undersöka reflektion samt en värmekälla med konstant temperatur för att undersöka transmission. Målet med konstruktionen är att underlätta förståelsen av värmestrålning för studenter på universitetsnivå. Experimenten med laborationsuppställningen kommer utföras med två olika typer av glas, ett fönsterglas och ett lågemissionsglas. Valet att undersöka värmestrålning i två olika typer av glas görs för att skapa en diskussion hos studenter om hur fenomenen inom värmestrålning förändras beroende på material och hur fenomenen förändras när materialet utsätts för olika våglängder. Glas är nämligen ett material vars egenskaper förändras påtagligt från det synliga ljuset till det infraröda området. 2 Teori 2.1 Elektromagnetisk strålning Elektromagnetisk strålning är en elektromagnetisk våg där energi överförs genom växelverkan mellan de magnetiska och elektriska fält som vågen består av. Energin hos den elektromagnetiska vågen avgör dess frekvens och våglängd[2]. Utifrån våglängd eller frekvens kan de elektromagnetiska vågorna delas in i ett antal olika områden[2]. Dessa visas i Figur 1. Figur 1: Det elektromagnetiska spektrumet med dess olika strålningsområden (bilden är egenkonstruerad). 2

6 I Figur 1 visas uppdelningen av det elektromagnetiska spektrumet i följande ordning: radiovågs-, mikrovågs-, infraröd-, synligt ljus, ultraviolett-, röntgen- samt gammastrålning[2]. All elektromagnetisk strålning från en punktkälla sprids sfäriskt vilket medför att dess intensitet avtar omvänt proportionellt mot avståndet i kvadrat[3]. Denna rapport behandlar det infraröda våglängdsområdet. Den teknik som används för att undersöka den infraröda strålningen kallas termografi, med vars hjälp mätningar av strålningen på föremål kan utföras utan att föremålen i fråga berörs[2]. Detta kan förslagsvis utföras med hjälp av en värmekamera. Strålning i det infraröda våglängdsområdet kallas för värmestrålning och utgörs av våglängder mellan 780nm upp till 1mm[2]. 2.2 Strålning från kroppar Svartkroppstrålning En kropp som absorberar all inkommande strålning kallas för en svart kropp. Strålning den svarta kroppen absorberar, emitterar den också. Alla kroppar med en temperatur, T, över noll Kelvin avger elektromagnetisk strålning, där en svart kropp definierar den maximala emissionen[2]. Verkliga kroppar I verkligheten finns inga svarta kroppar vilket innebär att verkliga föremål inte absorberar all inkommande strålning. Verkliga kroppar kan närma sig en svart kropps egenskaper vid vissa våglängdsområden men de blir aldrig en ideal svart kropp. Endast en del av den totala inkommande strålningen absorberas. Resterande strålning reflekteras och/eller transmitteras[4]. För dessa kroppar delas den inkommande strålningen upp i tre kvoter. En för absorption, en för reflektion och en för transmission. Dessa kvoter summerar alltid till ett, där ett är den totala inkommande strålningen, eftersom energin bevaras. De tre kvoterna är alla våglängds- och temperaturberoende (deras värden kan förändras då den inkommande strålningens våglängder förändras eller om kroppens struktur förändras på grund av temperaturen) och har värden från noll till och med ett[2]ḟöljande ekvation beskriver denna summa[4]: α λ + ρ λ + τ λ = 1 (1) där λ är våglängden, α är kvoten mellan den strålning som kroppen absorberar och den totala inkommande strålningen, ρ är kvoten mellan den strålning som kroppen reflekterar och den totala inkommande strålningen och τ är kvoten mellan den strålning som kroppen transmitterar och den totala inkommande strålningen. Exempelvis har kroppar som är ogenomskinliga värdet τ = 0 och ekvationen 1 kan då förenklas till α λ + ρ λ = 1 α, ρ och τ kallas ofta för absorptions-, reflektions- och transmissionskoefficient. 3

7 2.3 Strålningsfenomen Absorption När en kropp utsätts för elektromagnetiskstrålning kan kroppen komma att absorbera strålningen. Mer specifikt innebär absorption att vissa beståndsdelar (t.ex. atomkärnor, atomer eller molekyler) i en kropp hamnar i ett exciterat tillstånd när kroppen tar upp den inkommande energin[5]. Den inkommande strålningen kan absorberas på olika sätt beroende på kroppens inre struktur. Exempelvis kan strålning absorberas som vibrationsenergi, rotationsenergi och/eller elektronenergi[5]. Vibrationsenergi innebär att strålningen absorberas av molekylerna i en kropp vilket resulterar i att atomerna i en molekyl sätts i vibration i förhållande till varandra. Rotationsenergi innebär att strålningen absorberas av molekylerna i en kropp och de sätts då i rotation runt en eller flera axlar. Elektronenergi innebär att strålningen absorberas genom att elektroner exciteras[5]. Alla material har olika typer av struktur, vissa är mer lika än andra. Beroende på materialets struktur kan det absorbera vissa våglängder men inte andra[5]. Absorptionskoefficienten, α λ, är våglängdsberoende och anger hur bra ett material absorberar strålning [6]. Emission Emissionen innebär den strålning som en kropp sänder ut, det vill säga den strålning en kropp emitter. En kropp som absorberat strålning har vissa beståndsdelar (t.ex. atomkärnor, atomer eller molekyler) i ett exciterat tillstånd. I dessa exciterade tillstånd sker emission vilket innebär att beståndsdelarna i det exciterade tillståndet i kroppen återgår till sitt grundtillstånd och därmed emitterar strålning[5]. Emissivitet är den kvot mellan den strålning som en godtycklig kropp sänder i jämförelse med en svart kropp då våglängden och temperaturen är densamma. Precis som för α λ, ρ λ och τ λ är emissiviteten, ɛ λ, våglängds- och temperaturberoende och har ett värde från noll till ett. För svarta kroppar är ɛ λ = 1 och för andra kroppar är ɛ λ < 1[4]. Kirchhoffs strålningslag Kirchhoffs strålningslag beskriver det samband som finns mellan en kropps absorption och dess emissivitet. Lagen säger att absorptionskoefficienten och emissiviteten är densamma för en kropp vid en given temperatur och våglängd. Detta kan skrivas som α λ = ɛ λ [2]. 4

8 Transmission Om en kropp som saknar absorptionsmekanism, för en viss våglängd, utsätts för elektromagnetisk strålning kommer denna strålning släppas igenom utan att påverka kroppen i fråga. Detta fenomen kallas transmission[2]. Kroppen kan därmed, för en viss våglängd, transmittera den elektromagnetiska strålningen men för en annan våglängd inte transmittera strålningen. Transmissionskoefficienten är således våglängdsberoende och kallas τ λ. Transmission beror på tjockleken av ett material om det finns en absorptionsmekanism i materialet för en viss våglängd (eller våglängdsområde)[2]. Reflektion Fenomenet reflektion innebär att den inkommande elektromagnetiska strålningen träffar ytskiktet på en kropp för att sedan spridas bort från materialet. Den inkommande strålningen påverkar därmed inte kroppens egenskaper, utan studsar endast på ytan av kroppen. Det finns två olika typer av reflektion, spekulär och diffus reflektion. Spekulär reflektion uppfyller att den inkommande strålningens infallsvinkel är lika stor som den reflekterade strålningens utfallsvinkel. Detta är reflektionslagen och beskrivs som α = β vilket visas i Figur 2a [2]. Spekulär reflektion sker om en yta är slät. Diffus reflektion är när strålningen sprids i alla möjliga riktningar och sker när en yta är ojämn. I de flesta material sker en kombination av spekulär och diffus reflektion[2]. De två varianterna av reflektion representeras i Figur 2. Figur 2: a) Spekulär reflektion, b) Diffus reflektion (bilderna är egenkonstruerade). Reflektionen och reflektionskoefficienten, ρ λ, är våglängdsberoende. 5

9 2.4 Metaller Metaller är ämnen med hög reflektionskoefficient i såväl det synliga ljuset som i det infraröda våglängdsområdet. När, däremot, strålningen når det ultravioletta våglängdsområdet minskar reflektionen drastiskt. En drastisk minskning sker vid en gränsfrekvens som för metaller ligger i det ultravioletta våglängdsområdet, den så kallade plasmafrekvensen. Orsaken till reflektion i metaller beror på att de innehåller fria elektroner som rör sig fritt inne i materialet, vilket resulterar i att inte strålningen inte kan tränga sig igenom materialet. [7]. 2.5 Glas Glas är en isolator och ett material som endast reflekterar en liten del av den inkommande strålningen. I glas är det andra mekanismer som orsakar reflektionen än de för metaller. Dessa mekanismer är komplicerade och kommer därför inte förklaras i denna rapport. Det räcker därför att känna till att reflektion kan ske i glas men hur det går till lämnas ute. Fönsterglas För frekvenser i det synliga ljuset saknas en absorptionsmekanism hos fönsterglas och strålningen kan därmed transmitteras[4]. Eftersom det inte finns någon absorptionsmekanism för fönsterglas i det synliga ljuset spelar inte tjockleken någon roll för att transmission ska vara möjlig, se sektion 2.3. I det infraröda området har glas en absorptionsmekanism vilket innebär att transmission inte är möjlig inom detta våglängdsområde. Mer specifikt innebär det att då fönsterglaset utsätts för värmestrålning kommer strålningen absorberas av molekylerna i fönsterglaset och deras atomer börjar vibrera[7]. Fönsterglas har en mycket hög emissivitet i det infraröda området, ungefär 0,90[4]. Lågemissionsglas Lågemissionsglas består av fönsterglas samt en beläggning av ett värmereflekterande skikt. Beläggningen släpper igenom synligt ljus, är inte tjockare än 1µm och består av ett metalliskt material vilket innebär att det reflekterar värmestrålning bra, se sektion 2.4. Det metalliska materialet baseras vanligen på tennoxid eller silver[8]. Lågemissionsglas har en emissivitet < 0, 2 i det infraröda våglängdsområdet[9]. 6

10 2.6 Strålningslagar Plancks strålningslag Plancks strålningslag, eller Plancks lag, beskriver fördelningen av strålningen för en svart kropp. Då Max Planck skulle förklara hålrumsstrålning, det vill säga strålning ut genom ett hål i en volym, antog han att strålningen hade kvantegenskaper då det inte var, eller är, möjligt att teoretiskt förklara detta med den klassiska fysiken. Detta antagande medförde att Planck kunde förklara spektralfördelningen för en svart kropp[4]. Planck fördelningen för strålningstätheten ges av ekvation 2. u(f, T ) = 8πf 3 c 3 1 e hf kt 1 (2) Där u(f, T ) är strålningstätheten [W/m 2 ], h är Plancks konstant som är 6, [Js], f är frekvensen [Hz], c är ljusets hastighet som är 2, [m/s], k är Boltzmanns konstant som är [J/K] och T är den termodynamiska temperaturen i [K]. Alla värden är tagna ur Physics Handbook [10]. Den spektrala fördelningen av frekvenserna för en svart kropp bestäms av den termodynamiska temperaturen[4]. Varje temperatur motsvaras således av en specifik strålningskurva i Planckfördelningen, högre temperaturer medför en högre total strålning, som visas i Figur 3. I Figur 3 motsvarar kurvan T = 6000K ungefär temperaturen hos solens yta[10]. I Figur 3 representerar de lodräta, streckade, linjerna det synliga ljuset spektrum. Som syns i bilden ligger en del av solens strålningskurva i det synliga ljusets område. Som Figur 3 visar innehåller solen fler våglängdsområden men dessa kan inte människor se med ögat. 7

11 Figur 3: Energitätheten för svartkroppsstrålning som funktion av frekvensen vid olika temperaturer. Bilden är egenkonstruerad. Stefan-Boltzmanns lag Stefan-Boltzmanns lag är ϕ = σ T 4 [W/m 2 ] (3) Ekvationen anger ett samband mellan temperaturen och strålningstätheten. T, anges i Kelvin [K] och σ är Stefan-Boltzmanns konstant som är 5, [W/m 2 K 4 ][4, 10]. För en icke-svartkropp tillkommer emissiviteten och ekvation 3 kan då skrivas som: ϕ = ɛ σ T 4 [W/m 2 ] (4) Grafiskt är Stefan-Boltzmanns lag arean under kurvan som motsvaras av den temperatur kroppen har, det vill säga den temperatur som anges i Plancks strålningslag, se sektion 2.6. Lagen härleds fram genom att integrera Planck-kurvan[4]. Den totala strålningstätheten kan även uttryckas i total strålningseffekt genom att multiplicera med arean, A, på båda sidor i formeln. 8

12 Wiens förskjutningslag Vid jämförelser av olika strålningskurvor i Planckfördelningen, se sektion 2.6, förskjuts maximum mot högre frekvenser (kortare våglängder) när temperaturen stiger. Detta förhållande kallas Wiens förskjutningslag. Lagen visas genom att hitta maximum av Planckfördelningen för olika temperaturer[4]. Wiens förskjutningslag ges av[4]: hf max kt (5) där f max är den maximala frekvensen[10]. 3 Metod Frågeställningen enligt sektion 1 var att konstruera en laborationsuppställning som ska visualisera värmestrålning hos två olika typer av glas, fönsterglas och lågemissionsglas. De fenomen som kommer att undersökas är absorption, emission, reflektion samt transmission. Detta kommer att göras genom att använda termografi, i form av en värmekamera, som verktyg. 3.1 Beskrivning av värmekamera, FLIR C2 Värmekameran som kommer att användas är en FLIR C2 och har en noggrannhet på ±2 C. Det är den emitterade strålningen från ett objekt som värmekameran samlar upp och omvandlar till en temperatur [11]. För att kunna avbilda den inkommande strålningen tar kameran hjälp av Stefan-Boltzmanns lag och den totala strålningseffekten, enligt sektion 2.6. Kameran är intresserad av hela strålningsspektrumet men behöver inte hela strålningsspektrumet för att kunna göra en avbildning med en korrekt temperatur[2]. FLIR C2 har ett spektralområde på 7, 5µm - 14µm, vilket ligger i det infraröda våglängdsområdet[11]. Objekten kameran mäter på får ha temperaturer mellan 10 C och 150 C där 10 C motsvarar strålningsmaximum i 11, 012µm och 150 C i 6, 848µm. Temperaturerna kameran beräknar avbildas i form av olika färger på kamerans skärm. Kameran har en lins som kan skapa en infraröd bild samt en lins som kan skapa en synlig bild. Det finns olika typer av färgskalor som kan användas och den valda skalan vissas bilden[11]. 9

13 3.2 Laborationsuppställning I sektion 1 framgår det att två olika typer av experiment kommer att utföras med den framtagna laborationsuppställningen. I det första experimentet undersöks transmission hos två olika typer av glas och i det andra experimentet undersöks reflektion hos två olika typer av glas. Glasen är som nämnts tidigare ett fönsterglas och ett lågemissionsglas. Laborationsuppställningen bör därför innehålla delar som kan undersöka dessa fenomen. Här följer en övergripande beskrivning av vad laborationsuppställningen bör innehålla för att kunna uppfylla frågeställningen. För att visualisera fenomenen så tydligt som möjligt bör experimenten utföras omslutna av ett isolerande material för att minimera inverkan av värmestrålning utifrån. Materialet bör även vara matt och icke slätt då detta minimerar oönskad reflektion. Trä är ett material som uppfyller detta [11]. Genom att ha det omslutande materialet i rumstemperatur kommer man vid utförande av experimenten veta hur mycket strålningen från materialet som påverkar mätningarna. Av samma anledning bör kameran omslutas av ett liknande material eftersom kameran består av elektriska komponenter, vilket innebär att den har en högre temperatur än rumstemperatur vid användning. Kameran bör kopplas till förslagsvis en dator för att undvika knapptryckningar vid bildtagning, vilket kommer störa experimenten. Till båda experimenten behövs två olika typer av glas, ett fönsterglas och ett lågemissionsglas samt en ställning där glasen kan fästas. Uppställningen till experiment 1 som ska undersöka transmission i glas bör bestå av en värmekälla med en konstant hög temperatur för att kunna möjliggöra en eventuell visualisering av transmission samt absorption och emission. Uppställningen till experiment 2 som ska undersöka reflektion i glas bör bestå av ett temperaturvarierande objekt för att kunna undersöka vad som händer i respektive glas då den inkommande strålningens våglängd förändras. Nedan följer en mer detaljerad beskrivning av vad uppställningarna till respektive experiment bör innehålla. Experiment 1 - Transmission Experimentet fokuserar på att undersöka om transmission sker för värmestrålning genom två olika typer av glas men även hur mycket glasen absorberar och emitterar. Två olika mätningar kommer att utföras i denna uppställning, ett för respektive glas. Till detta experiment behövs följande delar: Ett fönsterglas och ett lågemissionsglas, en värmekälla som kan få en konstant temperatur, ca 70 C varmare än rumstemperatur och temperatursensorer som mäter temperaturerna på värmekällan och glasen. Uppställningen ska utformas så att värmekällan placeras på ena sidan av glaset och kameran på andra sidan glaset riktad så att kameran ser värmekällan enligt Figur 4. 10

14 Figur 4: Skiss över hur uppställningen för experiment 1 ska se ut. Bilden är egenkonstruerad. Experiment 2 - Reflektion Experimentet fokuserar på att undersöka reflektion hos de två glasen. Även absorption och emission kommer att undersökas. Två olika mätningar kommer att utföras i denna uppställning, ett för respektive glas. Till detta experiment behövs följande delar: Ett fönsterglas och ett lågemissionsglas (samma glas som används i experiment 1), ett temperaturvarierande objekt vars temperatur inte går utanför kamerans objektstemperatur enligt sektion 3.1 och temperatursensorer som mäter temperaturerna på det temperaturvarierande objektet och glasen. Uppställningen ska utformas så att det temperaturvarierande objektet och kameran är placerade på samma sida av glaset, i höjd med varandra. Kameran ska riktas mot objektets reflektion enligt Figur 5 Figur 5: Skiss över hur uppställningen för experiment 2 ska se ut. Bilden är egenkonstruerad. 11

15 4 Resultat I denna sektion presenteras konstruktionen av laborationsuppställningarna, utförandet av experimenten samt resultaten av experimenten. 4.1 Uppställning En låda konstruerades av spånskivor och planhyvlade furulister. Lådan fick innermåtten 50cm 50cm 100cm. I mitten av lådan fästes planhyvlade furulister på ett sådant sätt så att glasskivorna kunde föras ner och stå i lådan. Lådans mått valdes ut efter glasen vars mått var 50cm 50cm. Genom att placera glasen i mitten av lådan kunde lådan användas till båda experimenten. Då lådan är gjord av trä uppfyller den kraven nämnda i sektion 3.2. Till kameran konstruerades en låda av cellplast, utan tak och baksida, och ett hål skars ut i cellplasten för kameralinsen. Cellplast har en matt och ojämn yta och uppfyller därav också kraven i sektion 3.2. Temperatursensorer användes för att läsa av temperaturer på de olika materialen och dessa lästes av manuellt på en display. För att fästa sensorerna användes kaptontejp som tål hög värme. Kaptontejpens emissivitet uppmättes till 0,95. Kameran kopplades samman med en dator för att kunna spela in mätningarna och ta bilder. Ett hål borrades i lådan, stort nog för att rymma sladden mellan kameran och datorn. Alla hål i lådan täcktes för med svart eltejp för att undvika att oönskad strålning skulle påverka mätningarna. Figur 6 visar lådan utifrån tillsammans med datorn som kopplats ihop med kameran. Figur 6: Låda till uppställning sett utifrån. 12

16 Uppställning av experiment 1 - Transmission En kokplatta valdes som värmekälla. I experimentet placerades en kokplatta uppställd 5cm från glaset på ena sidan för att strålningens intensitet skulle avta så lite som möjligt på vägen till glaset 2.1. Detta visas i Figur 7 Kokplattan hade inga reglage och kopplades därför till en transformator med en spänning som kunde varieras mellan 0V och 250V. Kokplattans syfte var att i båda mätningarna stråla mot glaset med en konstant, hög temperatur för att visualisera absorption, emission och transmission bra. Valet av en hög temperatur var också för att hålla nere tiden på mätningarna. Med transformatorn kunde strålningen regleras och temperaturen kunde hållas någorlunda konstant. Ett hål borrades för kokplattans sladd så att denna kunde kopplas in utanför lådan. 30cm på andra sidan om glaset placerades kameran, riktad mot kokplattan i en sned vinkel för att undvika att se kameralinsen i bilden, enligt reflektionslagen 2.3. Uppställningen illustreras i Figur 7, Figur 8 och Figur 9. Figur 7: Avstånd mellan kokplatta och glas sett uppifrån Figur 8: Bild av kokplatta och glas sett ur värmekamerans perspektiv 13

17 Figur 9: Uppställning till experiment 1 sett uppifrån Temperatursensorerna placerades på glasets fram- och baksida mittemot varandra, på den yta dit kokplattan var riktad. Syftet med detta var att se hur kokplattan påverkar glaset. En sensor placerades på kokplattan för att på så sätt hålla koll på kokplattans temperatur. Detta ses i Figur 10. Figur 10: Temperatursensorernas placering i experiemt 1. Lågemissionsglaset placerades med beläggningen mot kokplattan. Om beläggningen placerats mot kameran skulle fönsterglasets värmas upp av kokplattan och värmen skulle ledas till beläggning 2.5. Beläggningen skulle då värmas upp trots att ingen strålning gick igenom. Detta vore missvisande och visualiseringen skulle bli otydlig. 14

18 Uppsta llning av experiment 2 - Reflektion I detta experiment placerades ett temperaturvarierande objekt parallellt och 30cm fra n glaset. Att placera objektet parallellt med glaset var fo r att stra lningen skulle tra ffa glaset ja mnt. Syftet med ett temperaturvarierande objekt var att underso ka vad som ha nder i glaset da stra lningen fo ra ndras. Objektet bestod av en kopparplatta som sprejats i en matt, svart fa rg. Detta medfo rde att objektet fick en ho g emissivitet som uppma ttes till 0,98 och da rmed blev det framfo rallt stra lning fra n objektet och inte annan reflekterad stra lning som tra ffade glaset. En kopparpla t valdes eftersom denna leder va rme bra. Med hja lp av ett system med vatten va rmdes och kyldes objektet. Vattnet va rmdes upp med en vattenkokare fo r att sedan kylas med hja lp av va rmeo verfo ring till omgivningen. Da objektet na rmades sig rumstemperatur tillfo rdes is fo r att fortsa tta sa nka temperatu ren. Objektet hade en starttemperatur pa cirka 60 C och en sluttemperatur pa cirka 5 C. Dessa temperaturer valdes efter begra nsningar i utrustningen och de temperaturer kameran kunde hantera 3.1. Ma let var att fo rso ka ha lla en sa konstant minskning av temperaturen som mo jligt. Tva ha l borrades fo r att kunna ha objektet inuti la dan men utrustningen utanfo r. Bilder pa objektet ses i Figur 11 och Figur 12. Figur 11: Objektet sett fra n glaset. Figur 12: Vattensystemet fo r objektet. Kameran placerades pa samma sida glaset i linje med objektet (20cm avsta nd) och 30cm fra n glaset. Den riktades in mot objektets reflektion, i en sned vinkel fo r att undvika kameran ska se sig sja lv i glaset och da rmed synas i bilden enligt reflektionslagen, sektion 2.3. Uppsta llningen sett uppifra n visas i Figur 13 och kamerans riktning mot glaset visas i Figur

19 Figur 13: Uppsta llning till experiment 2 sett uppifra n Figur 14: Bild av objekt och glas sett ur va rmerkamerans perspektiv. Temperatursensorer placerades pa glasets fram- och baksida mittemot varandra och i objektets reflektion i glaset. Pa sa sa tt kan en underso kning av hur glaset pa verkas, hur det absorberar och/eller reflekterar, utfo ras. En sensor placerades a ven pa objektets baksida fo r att kunna ja mfo ra dess temperatur med vad kameran uppma tte. Orsaken till detta var dels fo r att se till att temperaturen sjo nk konstant men ocksa fo r att veta skillnaden mellan vad kameran la ste av fo r temperatur fra n reflektionen och vad objektet hade fo r temperatur. Sensorernas placering illustreras i Figur 15 16

20 Figur 15: Temperatursensorernas placering i experiment Utförande av experiment Fönsterglasets emissivitet uppmättes till 0,95. Lågemissionsglasets emissivitet antogs ha en emissivtet < 0, 2 då det var en metallbeläggningen 2.5. I båda experimenten startade glasen i rumstemperatur. Samma inställningar på kameran användes vid båda experimenten. Avståndet ställdes in på 0, 25m då detta passade in bäst med utformningen av uppställningen. Emissiviteten valdes till 0,95. Detta eftersom fönsterglaset hade den emissiviteten och objektet nästan samma, 0,98. Eftersom objektets reflektion skulle undersökas i lågemissionsglaset som reflekterar bra passade även inställningen 0,95 bra in här. Emissiviteten är våglängds- och temperaturberoende, enligt sektion 2.3, men approximeras att vara konstant i alla experiment. Den reflekterade skenbara temperaturen sattes till 22 C som motsvarar den omgivande strålningen (rumstemperatur) men då emissiviteten valdes till ett högt värde spelade inte den parameter en så stor roll. En regnbågsfärgad skala valdes för den infraröda avbildningen och skalan låstes i båda experimenten för att bilderna skulle bli lättare att jämföra med varandra. Utförande av experiment 1 - transmission Innan mätningarna startade kopplades kokplattan in för att nå en starttemperatur runt 90 C. Då kokplattan uppnått denna temperatur fördes fönsterglaset ner, locket sattes på plats, filminspelningen sattes igång och mätningarna påbörjades. En gång i minuten lästes temperaturerna av och en bild togs. När mätningen med fönsterglaset avslutats utfördes mätningen med lågemissionsglaset med beläggningen riktad mot kokplattan. Utförande av experiment 2 - reflektion Inledningsvis sattes systemet för det temperaturvarierande objektet igång för att nå starttemperaturen 60 C. Därefter fördes lågemissionsglaset ner med beläggningen mot kameran, locket sattes på plats, filminspelningen sattes igång och mätningarna startade. Som för experiment 1, lästes temperaturerna av en gång i minuten. Bilder togs enligt Tabell 4 och Tabell 5. När mätningen för lågemissionsglaset avslutats utfördes mätningen med fönsterglaset. 17

21 4.3 Resultat av experiment Resultat av experiment 1 - transmission Här presenteras tabeller samt bilder tagna av värmekameran i experiment 1. Tabell 1 redovisar de temperaturer som lästs av från temperatursensorerna fästa på fönsterglaset och kokplattan. Tabell 2 redovisar de temperaturer som lästs av från temperatursensorerna fästa på lågemissionsglaset och kokplattan. Tabell 1: Visar temperaturerna på fönsterglasets båda sidor samt temperaturen på kokplattan vid olika tidpunkter Tid [min] Glas mot kamera [ C] Glas mot kokplatta [ C] På kokplatta [ C] Tabell 2: Visar temperaturerna på lågemissionsglasets båda sidor samt temperaturen på kokplattan vid olika tiderpunkter. Tid [min] Glas mot kamera [ C] Glas mot kokplatta [ C] På kokplatta [ C] För att se hur temperaturerna hos de olika objekten förändrades över tid under de två olika mätningarna i experiment 1 har fyra olika grafer tagits fram. Beskrivningen av de olika graferna står i samband med varje graf och är skapade utifrån Tabell 1 och Tabell 2. 18

22 Figur 16: Graf över hur temperaturerna förändras över tiden vid mätning med fönsterglas enligt Tabell 1. Sensor 1 visar kokplattans temperatur, sensor 2 visar temperaturen på glasytan som är riktad mot kokplattan och sensor 3 visar temperaturen på glasytan riktad mot kameran. Figur 17: Graf över hur temperaturerna förändras över tiden vid mätning med lågemissionsglas enligt Tabell 2. Sensor 1 visar kokplattans temperatur, sensor 2 visar temperaturen på glasytan som är riktad mot kokplattan och sensor 3 visar temperaturen på glasytan riktad mot kameran. Tabell 3 visar de bilder som tagits i experiment 1. 19

23 Tabell 3: Visar alla bilder tagna av värmekameran i experiment 1 Tid [min] Lågemissionsglas Fönsterglas t = 0 t = 1 t = 2 t = 3 t =4 20

24 Tabell 3: Visar alla bilder tagna av värmekameran i experiment 1 Tid [min] Lågemissionsglas Fönsterglas t = 5 t = 6 t = 7 t = 8 t = 9 Resultat av experiment 2 - reflektion Här presenteras tabeller samt bilder tagna av värmekameran i experiment 2. 21

25 Tabell 4 redovisar de temperaturer som lästs av från temperatursensorerna fästa på fönsterglaset och objektet. Tabell 4: Visar temperaturerna på fönsterglasets båda sidor samt temperaturen på objektet vid olika tidpunkter. Tid [min] Baksida glas [ C] Glas mot kamera [ C] På objekt [ C]

26 Tabell 4: Visar temperaturerna på fönsterglasets båda sidor samt temperaturen på objektet vid olika tidpunkter. Tid [min] Baksida glas [ C] Glas mot kamera [ C] På objekt [ C] Tabell 5 redovisar de temperaturer som lästs av från temperatursensorerna fästa på lågemissionsglaset och objektet. 23

27 Tabell 5: Visar temperaturerna på lågemissionglasets båda sidor samt temperaturen på objektet vid olika tidpunkter. Tid [min] Baksida glas [ C] Glas mot kamera [ C] På objekt [ C]

28 Tabell 5: Visar temperaturerna på lågemissionglasets båda sidor samt temperaturen på objektet vid olika tidpunkter. Tid [min] Baksida glas [ C] Glas mot kamera [ C] På objekt [ C] I Tabell 6 visas de bilder som tagits i experiment 2. 25

29 Tabell 6: Visar utvalda bilder tagna med värmekamera i experiment 2. T 1 är temperaturen på objektet med lågemissionsglaset och T 2 är temperaturen på objektet med fönsterglaset. För att se alla bilder, se Appendix T 1 [ C] Lågemissionsglas T 2 [ C] Fönsterglas T = 60.4 C T = 59.8 C T = 37.4 C T = 37.9 C T = 22 C T = 22.9 C T = 11 C T = 11.1 C T = 5.2 C T = 5.1 C 26

30 5 Diskussion Innan en mer detaljerad diskussion om de båda experimenten utförs kommer det några kommentarer gällande själva konstruktionen och mätningarna. Temperaturerna avlästes manuellt och det finns en osäkerhet i utrustningen vilket påverkar resultaten. Då det är visualiseringen av fenomenen som är i fokus behöver inte mätvärdena vara exakta för att fenomenen ska bli synliga och illustreras tydligt. Fönsterglaset och lågemissionsglaset har en slät yta vilket innebär att reflektionen till större del kommer vara spekulär 2.3. Fönsterglaset har en emissivitet på 0,95 och en reflektion på 0,05 eftersom transmission inte är möjlig inom det infraröda våglängdsområdet 2.5, 4.2. Reflektionen hos fönsterglaset kommer vara tydlig i kameran tack vare den spekulära reflektionen. Lågemissionsglaset har en hög reflektionskoefficient som skapar en nästintill fullständig reflektion och som även den kommer vara tydlig tack vare den spekulära reflektionen 2.5. Figur 18 illustrerar strålningskurvorna för några av de temperaturer kameran uppnått under experimenten samt kamerans spektralområde. Den högsta temperaturen som uppnåddes av kameran var 60 C och detta representeras av strålningskurvan för 60 C. Den lägsta temperaturen som uppnåddes av kameran var 6.3 C och detta representeras av strålningskurvan för 5 C. De lodräta linjerna representerar kamerans strålningsspektrum. Syftet med Figur 18 är att synliggöra hur kameran arbetar. Trots att större delen av strålningen ligger utanför kamerans spektralområde och trots att maximum för strålningskurvan också ligger utanför kamerans spektralområde så registrerar kameran ändå en temperatur 2.6. Kameran behöver således inte hela strålningskurvan eller maximum för att kunna avgöra en kropps temperatur. Figur 18: Energitätheten för svartkroppsstrålning som funktion av frekvensen vid olika temperaturer. De streckade linjerna representerar kamerans spektralområde. Bilden är egenkonstruerad. 27

31 5.1 Analys av experiment 1 - transmission Bilderna på hur fönsterglaset värms upp av kokplattan är tydliga. Den första bilden, då t = 0min visar en blå färg. I mitten av den första bilden syns en ljusare nyans av blå som sedan blir mörkare närmre kanterna. Då tiden gick värmdes fönsterglaset upp och färgerna i bilden förändrades. Fönsterglaset blev först varmare i mitten och värmen spred sig sedan ut i glaset i ett cirkulärt mönster, enligt kolumn tre i Tabell 3. I Figur 16 ses det hur temperaturerna på kokplattan förhåller sig till temperaturerna på fönsterglasets fram- och baksida. Glaset mot kameran värmdes upp från 23.3 C till 38.9 C enligt Tabell 1. I lågemissionsglaset skedde samma sak som hos fönsterglaset men förloppet var inte lika kraftfullt. I Figur 17 ses det hur temperaturerna på kokplattan förhåller sig till temperaturerna på fönsterglasets fram- och baksida. Glaset mot kameran värmdes upp från 21.8 C till 22.5 C enligt Tabell 1. Skillnaden mellan fönsterglaset och lågemissionsglaset är deras förmåga att absorbera strålningen. Fönsterglaset har en mycket högre absorptionsförmåga än lågemissionsglaset vilket i sin tur innebär att fönsterglaset emitterar mycket mer än lågemissionsglaset 2.5. Det är respektive glas emissionsförmåga som kameran registrerar och som syns på bilderna i Tabell 3. Fönsterglaset värms således upp mer än vad lågemissionsglaset gör vilket är det kamerans bilder visar. Lågemissionsglaset reflekterar istället i stort sett all strålning från kokplattan eftersom beläggningen är riktad mot kokplattan (ɛ < 0.2 och transmission är inte möjlig) 2.5. Fönsterglaset mot kameran steg 15.6 C under hela mätningen och lågemissionsglaset mot kameran steg 0.7 C, enligt Tabell 1 och Tabell 2. Detta bekräftar att fönsterglaset absorberat strålningen väl medan lågemissionsglaset reflekterat strålningen väl. I bilderna till båda mätningarna i Tabell 3 är kamerans sikte inte riktat exakt i mitten där temperaturen hos glasen är som högst. Temperatursensoren mot kameran placerades inte heller exakt i mitten då detta skulle förstöra bilden. Detta innebär att kamerans sikte och temperatursensorn mot kameran inte var placerade i exakt samma punkt och därav kan deras värden skilja sig från varandra utöver mätfel. Det fanns svårigheter med att hålla en konstant temperatur på kokplattan med hjälp av transformatorn vilket resulterade i en temperaturskillnad på 4.1 C vid mätning med fönsterglaset och 4 C med lågemissionsglaset, enligt Tabell 1 och Tabell 2. Skillnaden mellan de två mätningarna blev 0.1 C vilket inte påverkar resultatet betydligt men då transformatorn var svår att styra finns det en risk att nästa mätning resulterar i en större skillnad. En möjlig lösning är att använda en kokplatta vars temperatur är lätt att reglera. I tabellerna framgår det däremot att mätningarna med fönsterglaset låg cirka 2 C över mätningarna med lågemissionsglaset genom hela förloppet. Detta påverkar jämförelsen av glasen och dess bilder där en högre temperatur kan ha avlästs hos fönsterglaset i jämförelse med lågemissionsglaset. Trots denna skillnad mellan mätningarna visualiseras fenomen ändå bra då en tydlig skillnad mellan glasen är synlig, enligt Tabell 3. 28

32 Mättiden för respektive glas var 9 minuter. På denna tid värmdes fönsterglaset upp till 38.9 C vilket är en höjning på 15.6 C från mätningens start, enligt Tabell 1. Lågemissionsglaset höjdes endast 0.7 C, enligt Tabell 2, en höjning som är ytterst liten. Skillnaden mellan de två glasen är tydlig men mättiden skulle kunna bli längre för att få en ännu tydligare skillnad mellan glasen. Då t = 0min är temperaturen på fönsterglaset mot kokplattan 27.4 C och temperaturen mot lågemissionsglaset mot kokplattan 25.8 C, enligt Tabell 1 och Tabell 2. Detta är inte korrekta temperaturer på glasen. Temperatursensorerna är fästa med kaptontejp som absorberar bra vilket resulterar i att tejpen värms upp och detta registrerar temperatursensorn. Temperatursensorn mäter därmed inte enbart glasens temperatur utan även temperaturen på tejpen som värms upp av kokplattan. Detta fel följer med genom hela mätningen och kan skapa en uppfattning hos studenterna om att både fönsterglaset och lågemissionsglaset mot kokplattan värms upp mer än vad de egentligen gör. En möjlig lösning är att på något sätt isolera temperatursensorn mot kokplattan så att värmen från kokplattan inte påverkar temperatursensorn. Fönsterglasets och lågemissionsglasets temperatur var vid början av mätningen inte vid rumstemperatur på grund av att kokplattan hann börja värma innan mätningarna startade. Innan mätningarna påbörjades skulle locket till lådan sättas på och filminspelningen skulle starta. Tiden detta tog var maximalt 1 minut men då kokplattan startade vid 90 C och var placerad 5cm från glasen var intensiteten hög och hann påverka de båda glasen innan mätningen startade 2.1. Detta fel påverkar inte kamerans bild eftersom sensorn sitter på andra sidan glaset men det kan förvirra studenter då de ska utföra experimentet. Det är därför viktigt att göra de medvetna om uppvärmningen som hinner ske innan mätningarna startar. En av anledningarna till att välja en temperatur tillräckligt högt över rumstemperatur på kokplattan var för att möjliggöra en tydlig visualisering av absorption, emission och transmissionen i respektive glas 4. Enligt sektion 2.3 kan transmission endast ske om materialet i fråga saknar absorptionsmekanism för den givna våglängden. Om det skulle kunna ske transmission i respektive glas skulle denna registrerats direkt vid mätningarnas start av kameran och visa kokplattans temperatur men enligt sektion 2.5 är transmission inte möjlig för värmestrålning i glas. Bilderna då t = 0min för de båda glasen i Tabell 3 visar att ingen transmission sker då båda bilderna är blå, det vill säga rumstemperatur i detta fall. Temperaturen för fönsterglaset var 23.3 C och kameran registrerade 23.1 C. Temperaturen för lågemissionsglaset var 21.8 C och kameran registrerade 22.1 C. Temperaturerna på respektive glas och vad kameran registrerar stämmer mycket bra överens vilket styrker att det är fönsterglasets och lågemissionsglaset temperatur kameran registrerar. Temperaturerna är tagna ur Tabell 1 och Tabell 2 då t = 0min. Om transmission var möjlig i respektive glas skulle kamerans bild vara vit vilket skulle representera temperaturen 90 C, det vill säga kokplattans temperatur. 29

33 5.2 Analys av experiment 2 - reflektion Väggen där objektet är placerat värms upp på grund av ledning. Detta syns i bilderna både för fönsterglaset och lågemissionsglaset. I mätningarna för lågemissionsglaset syns den uppvärmda väggen mer än i mätningarna för fönsterglaset, enligt Tabell 6. Orsaken är att lågemissionsglaset reflekterar avsevärt mer strålning än fönsterglaset (ρ 0.98 mot ρ = 0.05). Varför uppvärmningen syns mer i början av båda mätningarna än i slutet beror på att objektet startar på 60 C och sedan kyls. Objektet värmdes och kyldes med hjälp av vatten. Det krävdes is som placerades i vattnet manuellt för att kyla objektet. Denna faktor gjorde det svårt att hålla en konstant sänkning av temperaturen vilket resulterade i att det var svårt att få två mätningar med samma förlopp för objektet. En möjlig lösning är att placera is i systemet vid fasta tidpunkter för att på så sätt få objektets kylning likadan i båda mätingarna. Analys av fönsterglas Genom att titta på bilderna i följd kan man se hur färgerna förändras. Från början är objektets reflektion gul men förändras sedan till ljusgrönt, grönt, ljusblått och till sist blått. Denna färgförändring innebär att temperaturen sjunker (jämför med färgskalan i bilderna) och det är precis det objektet också gör enligt kolumn T 1 C i Tabell 6. Kameran visar inte samma temperaturer som objektet vid någon av mätningarna och orsaken till detta kommer nu att motiveras. Fönsterglaset emitterar strålning bra (ɛ = 0, 95). Då mätningen startade var objektet 60 C och värmde upp fönsterglaset då fönsterglaset själv hade rumstemperatur. Enligt Tabell reftab:objektglas var startvärdet på fönsterglaset 22.4 C och höjdes till 22.6 C då t = 13min. Efter t = 13min gick temperaturen ner och slutade på 20.9 C när mätningen var slut. Den första höjningen berodde på att objektet värmde upp fönsterglaset men då objektet konstant kyldes avstannade uppvärmningen och fönsterglasets temperatur började minska på grund av fönsterglasets egna emission samt värmeledning och konvektion mellan fönsterglaset och luften i rummet. Mätningarna hann stanna innan fönsterglasets temperatur hann förändras betydande. Fönsterglasets temperatur förblev således relativt konstant. Fönsterglasets höga emissivitet resulterar i en låg reflektion (ɛ = 0, 05) då transmission inte är möjlig för värmestrålning genom fönsterglas 2.5. Fönsterglaset emitterar mycket och reflekterar lite men då fönsterglaset har en slät yta är reflektionen till stor del spekulär och reflektionen syntes därför ändå tydligt i bilderna i kolumn Fönsterglas i Tabell 6,

34 Objektets strålningskurva förändrades hela tiden under mätningen eftersom temperaturen på objektet sjönk. Det startade på 59.8 C och slutade på 5.1 C vars strålningskurvor ses i Figur 18. Då mätningarna utfördes samlade kameran upp strålning både från det fönsterglaset emitterade men också från reflektionen av objektet, det vill säga strålning från två olika strålningskurvor enligt Plancks strålningslag 2.6. Kameran vet dock inte om att strålningen kommer från två olika källor eftersom den samlar in all inkommande strålning och inte kan avgöra om det är reflekterad eller emitterad strålning. Kameran tar således den inkommande strålningen och undersöker vilken temperatur som passar bäst in på denna 3.1. Med denna information kan temperaturerna som kameran visar för fönsterglaset motiveras. Den första bilden i kolumn Fönsterglas i Tabell 6 visar en temperatur på 30.2 C när objektet i själva verket är 59.8 C. Orsaken till detta beror på att kameran inte kan skilja på strålning från fönsterglaset och objektet. Den tolkar den inkommande strålningen som en strålningskurva som motsvarar 30.2 C men som i själva verket är en kombination av fönsterglasets emission och objektets reflektion. I Figur 18 illustreras strålningskurvorna för 59.8 C och 22.4 C med strålningskurvorna för 60 C och 22 C. Det är en kombination av dessa två strålningskurvor som kameran registrerar eftersom den inte vet att strålningen kommer från två olika källor. Kameran omvandlar därefter den totala registrerade strålningen till den temperatur ett objekt som har emissiviteten 0,95 (det är vad kameran är inställd på) måste ha för att ge upphov till en sådan temperatur. I den femte och sista bilden i kolumn Fönsterglas i Tabell 6 händer precis samma sak som i den första bilden men här visar kameran en temperatur som är högre än vad objektet är. Kameran visar 18.2 C när objektets temperatur i själva verket är 5.1 C. Orsaken till detta är precis som för den första bilden. I den tredje bilden i kolumn Fönsterglas i Tabell 6 visar kameran en temperatur på 22.4 C och objektet är i själva verket 22.9 C vilket innebär att de är väldigt lika. Orsaken till detta är precis densamma som för den första, den femte och för de resterande bilderna med fönsterglaset. Kameran registrerar all inkommande strålning och i den tredje bilden har objektet i stort sätt samma temperatur som fönsterglaset (temperaturen hos objektet 22.9 C, temperaturen hos fönsterglaset 21.9 C) vilket innebär att den strålningskurva kameran väljer självklart ligger mycket nära objektets och fönsterglasets respektive strålningskurvor. Alla bilder som togs under mätningen kan ses i Appendix A.1. Analys av lågemissionsglas Precis som för fönsterglaset kan man titta på bilderna i följd och se hur färgerna förändras. Från början är objektets reflektion röd men förändras sedan till orange, grönt, ljusblått och mörkblått. Denna färgförändring innebär att temperaturen sjunker (jämför med färgskalan i bilderna) och det är precis det objektet också gör enligt kolumn T 1 C i Tabell 6 vilket också kan ses i kolumn Glas mot kamera [ C] i Tabell 5. 31

35 Emissiviteten var fel inställd för lågemissionsglaset men kamerans sikte riktades in mitt i reflektionen från objektet. Då lågemissionsglaset i princip reflekterar all strålning kan den sägas fungera som en spegel för det infraröda våglängdsområdet och kameran kommer läsa av objektets verkliga temperatur. Resterande del av lågemissionsglaset visar omgivningens temperatur, det vill säga rumstemperatur, av samma anledning som det område där objektets reflektion syns. Vid jämförelse av kolumn T 1 C och kolumn Lågemissionsglas i Tabell 6 visar temperaturen hos kameran i princip samma temperatur som objektet har i respektive ögonblick. Skillnaden mellan temperaturerna är inom kamerans mätfelsområde och kan räknas bort 3.1. Kameran visar således objektets temperatur utan att titta på det, tack vare reflektionen i lågemissionsglaset. Alla bilder som togs under mätningen kan ses i Appendix A.2. Analysen gäller då beläggningen på lågemissionsglaset är riktad mot kameran. Att vända på glaset och rikta fönsterglassidan mot kameran skulle resultera i samma resultat som för fönsterglaset. 6 Slutsats Resultatet av den konstruktion som skapades var lyckad. Transmission och reflektion av värmestrålning visualiserades bra i de bilder värmekameran tog fram trots dess osäkerhet på ±2 C. Att utföra mätningar på två olika typer av glas och jämföra dessa var givande då förståelsen av absorption, emission, reflektion och transmission blev tydligare och därmed mer förståeliga. Experiment 1 visualiserade tydligt att transmission inte är möjlig för värmestrålning i fönsterglas och lågemissionsglas. Detta kan vara en intressant insikt för studenter, hur ett materials egenskaper kan förändras beroende på vilken strålning det utsätts för eftersom transmission i glas är möjlig för det synliga ljuset. Skillnaden mellan fönsterglasets och lågemissionsglasets absorptionsförmåga och emissionsförmåga visualiserades tydligt där fönsterglaset absorberade och emitterade större delen av värmestrålningen medan lågemissionsglaset istället reflekterade större delen av värmestrålningen. En sådan tydlig skillnad mellan de två glasens förmåga att absorbera och emittera kan skapa en bättre förståelse hos studenterna om hur fenomenen inom värmestrålning kan förändras mellan olika material. Experiment 2 visualiserade tydligt hur reflektion förändras beroende på material men att den fortfarande kan vara tydlig trots att materialet i fråga inte reflekterar bra. Experimenten visade att lågemissionsglaset reflekterade bra samt att fönsterglaset med en låg reflektionsförmåga ändå visade en tydlig reflektion tack vare att större delen av reflektionen var spekulär. I experiment 2 kan därför en förståelse hos studenterna skapas om hur reflektion fortfarande kan vara tydlig trots att materialet i fråga inte har en hög reflektionsförmåga. 32

36 De tydliga visualiseringar av fenomenen som skapas med den framtagna laborationsuppställningen kan vara till stor hjälp för att förbättra förståelsen för värmestrålning hos studenter. Genom detta arbete kan studenter därmed få chansen att upptäcka och förstå värmestrålning på ett nytt sätt. Konstruktionen av laborationsuppställningen var som nämnts ovan lyckad men några förbättringar skulle kunna göras för att underlätta utförandet av experimenten. Svårigheten att hålla temperaturen på kokplattan konstant i experiment 1 skulle kunna åtgärdas med en kokplatta vars temperatur går att reglera. Att kaptontejpen som fäste temperatursensorn på glaset mot kokplattan angav en missvisande temperatur av glaset skulle kunna åtgärdas genom att isolera temperatursensorn mot kokplattan så att värmen från kokplattan inte påverkar temperatursensorn. Mätningarna för experiment 1 skulle kunna vara några minuter längre för att få en ännu tydligare skillnad mellan fenomenen som sker hos fönsterglaset respektive lågemissionsglaset. Till sist skulle kylningen av det temperaturvarierande objektet i experiment 2 kunna förbättras då det var svårt att kyla objektet på exakt samma sätt två gånger i rad (en gång för fönsterglaset och en gång för lågemissionsglaset) eftersom is skulle tillföras manuellt efter behov. En möjlig förbättring skulle kunna vara att tillföra is vid fasta tider. Då skulle kylningen av objektet bli densamma för båda mätningarna. För att ta visualiseringen av värmestrålningen ett steg längre är en möjlighet att undersöka värmestrålningen i andra typer av material. Förslagsvis ett material där transmission är möjlig i det infraröda våglängdsområdet men inte för det synliga ljuset. Ett annat förslag är att undersöka transmissionen i glas då tjockleken på glaset förändras. I respektive experiment utfördes två mätningar, ett för varje glas. Ytterligare en utveckling av laborationsuppställningen och visualisering av värmestrålning är att endast utföra en mätning per experiment där halva glaset består av fönsterglas och andra halvan av lågemissionsglas. Kokplattan och objektet placeras så att halva dess yta strålar mot fönsterglaset och halva dess yta strålar mot lågemissionsglaset. På så sätt krävs endast en mätning och fenomenen i de båda glasen blir ännu tydligare. Författarens tack Jag vill tacka Stefan Jarl Holm för all hjälp med ritningar och inköpslistor av material till konstruktionen, Jesper Haglund för hjälp med information om värmekameran samt Arne Roos som delgett viktig information om glas. Jag vill tacka för samarbetet med lärare och kursassistenter i termodynamikkurserna på Uppsala universitet som hjälpt till med synpunkter och diskussioner om projektet. Till sist vill jag tacka verkstaden på Ångströmslaboratoriet som hjälpt till med material till konstruktionen. 33

37 Referenser [1] Haglund J. & Jeppsson F. & Hedberg D. & Schönborn J.K. Students framing of laboratory exercises using infrared cameras. Physical review special topics - Physics education research, 11(2):1 22, [2] Vollmer M. & Möllman K-P. Infrared Thermal Imaging. WILEY-VCH, [3] Cressler D. J. Silicon Earth. Cambridge University Press, [4] Beckman O. & Grimvall G. & Kjöllerström B. & Sundström T. Energilära. Liber, [5] Ingelman-Sundberg M. & Persson B. Människokroppens kemi. Natur & Kultur, [6] Bransden B.H. & Joachain C.J. Physics of atoms and molecules. Prentice Hall, [7] Fox M. Optical Properties of Solids. Oxford University Press, [8] Roos A. Energieffektiva fönster bra för både plånbok och miljö. Formas tidning, Miljöforskning för ett uthålligt samhälle, 1:20 21, [9] Pilkington. Data - Pilkington K Glass. europe/sweden/swedish/building+products/glasfakta/varmeisolering/ pilkington+k+glass.htm, (hämtad ). [10] Nordling C. & Österman J. Physics handbook, for science and engineering. Studentlitteratur, [11] FLIR systems. Bruksanvisning FLIR Cx-serien. FLIR systems,

38 A Appendix A.1 Bilder från experiment 1, fönsterglas Tabell 7: Visar alla bilder med fönsterglas tagna i experiment 1 tid [min] t = 0 Fönsterglas t = 2 t = 5 t = 8 t = 11 35

39 Tabell 7: Visar alla bilder med fönsterglas tagna i experiment 1 tid [min] t = 14 Fönsterglas t = 17 t = 20 t = 23 t = 26 36

40 Tabell 7: Visar alla bilder med fönsterglas tagna i experiment 1 tid [min] t = 29 Fönsterglas t = 32 t = 35 t = 36 t = 39 37

41 Tabell 7: Visar alla bilder med fönsterglas tagna i experiment 1 tid [min] t = 42 Fönsterglas t = 45 t = 49 t = 51 t = 54 38

42 Tabell 7: Visar alla bilder med fönsterglas tagna i experiment 1 tid [min] t = 57 Fönsterglas t = 60 39

43 A.2 Bilder från experiment 2, Lågemissionsglas Tabell 8: Visar alla bilder med lågemissionsglas tagna i experiment 2 tid [min]] t = 0 Lågemissionsglas t = 3 t = 6 t = 9 t = 12 40

44 Tabell 8: Visar alla bilder med lågemissionsglas tagna i experiment 2 tid [min]] t = 15 Lågemissionsglas t = 17 t = 20 t = 23 t = 26 41

45 Tabell 8: Visar alla bilder med lågemissionsglas tagna i experiment 2 tid [min]] t = 29 Lågemissionsglas t = 32 t = 35 t = 38 t = 41 42

46 Tabell 8: Visar alla bilder med lågemissionsglas tagna i experiment 2 tid [min]] t = 44 Lågemissionsglas t = 47 t = 51 t = 53 t = 56 43

47 Tabell 8: Visar alla bilder med lågemissionsglas tagna i experiment 2 tid [min]] t = 59 Lågemissionsglas t = 60 44