Att med varmekamerans hjalp se det osynliga

Att med varmekamerans hjalp se det osynliga

Konstruktion av laborationsuppstallning med syftet att forenkla studenters forstaelse kring varmestralning.

Soe Thorell

Handledare: Matthias Weisz og

Amnesgranskare: Cecilia Gustavsson

Examensarbete C i fysik, 15 hp: Rapport 16 juni 2017

EXAMENSARBETE C

Sammanfattning

I arbetet konstrueras en laborationsuppst¨ allningsprototyp f¨ or att underl¨ atta f¨ orst-

˚ aelsen f¨ or v¨ armestr˚ alning f¨ or studenter, d˚ a detta kan upplevas som sv˚ art. Beto- ning ligger p˚ a att visualisera str˚ alning med olika v˚ agl¨ angder inom det infrar¨ oda spektrumet och deras interaktion med en temperaturvarierande aluminiumv¨ agg med h¨ og reflektionsf¨ orm˚ aga. Visualiseringen g¨ ors m¨ ojlig tack vare en v¨ armekamera som kopplas samman med en dator vilket g¨ or att f¨ orloppet kan spelas in och studeras.

Uppst¨ allningen ger studenterna m¨ ojligheten att ¨ oka sin f¨ orst˚ aelse f¨ or reflektion av v¨ armestr˚ alning genom att de f˚ ar analysera och f¨ orklara bilderna fr˚ an v¨ armekameran.

Mer specifikt visualiseras i bilderna att temperaturen hos det reflekterande mate- rialet inte har n˚ agon effekt f¨ or str˚ alningen som v¨ armekameran registrerar och att str˚ alning fr˚ an kalla objekt tydligt g¨ ors synlig f¨ or v¨ armekameran eftersom objektet skuggar annan str˚ alning fr˚ an att reflekteras. Temperaturintervallet som anv¨ andes i experimentet var tillr¨ ackligt f¨ or att visualisera detta och konstruktionen i sin helhet gav ett tillfredst¨ allande resultat.

Abstract

The aim of this project was to construct a laboratory set up that can help students understand heat radiation and more specific reflection of heat radiation.

The reason for that is that students have a hard time understanding heat radiation.

A construction was created in which radiation of different wavelengths could hit a temperature varying aluminum plate, and the process was recorded with an infrared camera connected to a computer. The laboratory set up gives the students the opportunity to develop a more deeply understanding of reflection of heat radiation and more specifically to understand that the temperature of the reflective surface does not effect the radiation detected by the infrared camera. The students can also understand that the camera can clearly detect radiation from cold objects, since the object stops radiation from the surrounding from hitting the reflective surface.

The temperature variation of the components was enough to visualize the preferred

reflection in the plate and the construction over all had a satisfactory result.

Inneh˚ all

1 Inledning 2

2 Teori 2

2.1 Elektromagnetisk str˚ alning . . . . 2

2.2 Klassifikation av kroppar . . . . 3

2.3 Processer inom str˚ alning . . . . 3

Absorption . . . . 4

Emission . . . . 4

Reflektion . . . . 4

Transmission . . . . 5

2.4 Processernas koefficienter . . . . 5

2.5 Fysikaliska lagar inom str˚ alning . . . . 6

Plancks str˚ alningslag . . . . 6

Wiens f¨ orskjutningslag . . . . 7

Stefan-Boltzmanns lag . . . . 8

3 Metod 8 3.1 V¨ armekamera . . . . 9

4 Resultat 10 4.1 Konstruktion av laborationsprototyp . . . . 10

V¨ agg . . . . 10

Objekt . . . . 11

V¨ armekamerans cellplastl˚ ada . . . . 12

Tr¨ al˚ ada . . . . 12

4.2 Uppst¨ allning och inst¨ allningar . . . . 13

4.3 Genomf¨ orande . . . . 14

4.4 V¨ armekamerans bilder . . . . 15

4.5 Avl¨ asta temperaturer . . . . 16

5 Diskussion 16 5.1 Analys av bilder . . . . 17

6 Slutsatser och rekommendationer 23 A Appendix 25 A.1 Bilder fr˚ an v¨ armekamera . . . . 25

A.2 Tabell . . . . 27

1 Inledning

V¨ armestr˚ alning ¨ ar ett omr˚ ade inom fysiken som studenter ofta har sv˚ art att f¨ orst˚ a[1], d¨ arf¨ or konstrueras i detta arbete en laborationsprototyp vars syfte ¨ ar att visualisera v¨ armestr˚ alning och d˚ a fr¨ amst reflektion av v¨ armestr˚ alning. F¨ or att g¨ ora visualisering- en m¨ ojlig kr¨ avs ett hj¨ alpmedel i form av en v¨ armekamera. Laborationsuppst¨ allningen konstrueras p˚ a ett s˚ adant s¨ att att reflektion av olika v˚ agl¨ angder inom det infrar¨ oda spektrumet kan ¨ oversk˚ adas och temperaturen p˚ a f¨ orem˚ alet d¨ ar reflektionen f¨ orekommer ska vara f¨ or¨ anderlig. Detta f¨ or att bredda m¨ ojligheten f¨ or diskussion och f¨ orst˚ aelse hos studenterna. F¨ orhoppningen ¨ ar att laborationsuppst¨ allningen kan underl¨ atta studenter- nas f¨ orst˚ aelse n¨ ar de arbetar med v¨ armestr˚ alning inom kurser i termodynamik.

2 Teori

2.1 Elektromagnetisk str˚ alning

Elektromagnetisk str˚ alning best˚ ar av ett magnetiskt f¨ alt och ett elektriskt f¨ alt. Det elektromagnetiska spektrumet representeras i Figur 1 som visar en m¨ ojlig uppdelning av de olika regionerna och deras respektive v˚ agl¨ angds- och frekvensomr˚ ade [2].

Figur 1: Det elektromagnetiska spektrumet. Bilden ¨ ar egenkonstruerad utifr˚ an k¨ alla,[2].

Fysiken bakom str˚ alning och dess egenskaper kunde inte f¨ orklaras med hj¨ alp av den

klassiska fysiken. Max Planck var namnet p˚ a den fysiker som f¨ orst antog att ljus har

kvantegenskaper. Energin hos str˚ alningen definieras av dess frekvens och energipaketet

D¨ ar h ¨ ar Plancks konstant med v¨ ardet h = 6, 6261 · 10 ⁻³⁴ Js [4].

F¨ or all elektromagnetisk str˚ alning g¨ aller att str˚ alningens intensitet avtar med avst˚ andet i kvadrat, under f¨ oruts¨ attningen att det inte sker n˚ agon absorption eller spridning av str˚ alningen. Sambandet representeras av Ekvation 2.

I ∝ 1

r ² (2)

Inom detta arbete behandlas den del av det elektromagnetiska spektrum som kallas infrar¨ od str˚ alning. Enligt Figur 1 har infrar¨ od str˚ alning en v˚ agl¨ angd mellan

780 nm−1 mm.

Begreppet v¨ armestr˚ alning har sitt ursprung i att alla kroppar med en temperatur ¨ over 0 K str˚ alar ut, emitterar, elektromagnetisk str˚ alning. Vilken region den emitterade str˚ alningen tillh¨ or beror p˚ a materialets egenskaper och temperatur. F¨ orem˚ al som stude- ras p˚ a jorden eller inom tekniska f¨ orlopp emitterar str˚ alning med v˚ agl¨ angder inom den infrar¨ oda regionen [2].

Termografi kallas det tillv¨ agag˚ angss¨ att d˚ a man utan att ber¨ ora ett f¨ orem˚ al, kan konstate- ra och m¨ ata f¨ orem˚ alets v¨ armestr˚ alning. Termografi verkar inom det infrar¨ oda spektrumet och som verktyg kan en v¨ armekamera anv¨ andas [2].

2.2 Klassifikation av kroppar

D˚ a den emitterade str˚ alningen hos ett objekt beror p˚ a materialegenskaper finns det inom teorin ett f¨ orem˚ al som klassificeras som en svartkropp. En svartkropp ¨ ar ett f¨ orem˚ al som absorberar all inkommande str˚ alning, oberoende av str˚ alningens inkommande vinkel eller v˚ agl¨ angd. Detta betyder att inget annat material eller f¨ orem˚ al kan emittera mer str˚ alning

¨ an en svartkropp vid en given temperatur [2].

Anledningen till att det bara finns svartkroppar i teorin ¨ ar f¨ or att verkliga f¨ orem˚ al inte kan absorbera all inkommande str˚ alning. Verkliga f¨ orem˚ al kallas d¨ arf¨ or gr˚ akroppar.

Str˚ alning som infaller mot en gr˚ akropp kan f¨ orutom att absorberas ocks˚ a reflekteras eller transmitteras [2].

2.3 Processer inom str˚ alning

De tre processer som den inkommande str˚ alningen delas upp mellan ¨ ar absorption, re-

flektion och transmission och de olika processerna arbetar i f¨ orh˚ allande till varandra

inom materialet.

Absorption

Absorption hos ett ¨ amne sker n¨ ar ¨ amnet upptar energi och dess atomk¨ arna, atomer eller molekyler f¨ ors¨ atts i ett exciterat tillst˚ and. Str˚ alningen som tr¨ affar ¨ amnet kan absorberas p˚ a olika s¨ att. Det kan exempelvis ske via elektronenergi, d˚ a en elektron hos atomen i

¨ amnet exciteras till en h¨ ogre energiniv˚ a, eller som vibrationsenergi d˚ a atomerna i en mo- lekyl sv¨ anger i f¨ orh˚ allande till varandra. Hur olika v˚ agl¨ angder hos str˚ alningen behandlas av ¨ amnet beror p˚ a ¨ amnets struktur. Vissa v˚ agl¨ angder kan inte absorberas av ¨ amnet och d˚ a sker andra processer [5].

Emission

Emission hos ett ¨ amne sker n¨ ar ¨ amnets komponenter som ¨ ar i ett exciterat tillst˚ and

˚ aterg˚ ar till grundtillst˚ andet och emitterar str˚ alning [5].

Reflektion

Reflektion ¨ ar processen som uppst˚ ar n¨ ar str˚ alning sprids bak˚ at d˚ a den n˚ ar materialet [2]. F¨ or metaller sker denna process f¨ or all str˚ alning som har l¨ angre v¨ agl¨ angd ¨ an ma- terialets plasmav˚ agl¨ angd. Str˚ alningen kan d˚ a inte tr¨ anga igenom plasman, som hos en metall antas vara elektrongas. Det ¨ ar allts˚ a det h¨ oga antalet fria elektroner hos metaller som ¨ ar anledningen till deras goda reflektionsf¨ orm˚ aga.

Vid rumstemperatur ¨ ar aluminiums plasmav˚ agl¨ angd 79 nm och ligger inom det ultravi- oletta spektrumet, enligt Figur 1. Det betyder att all inkommande str˚ alningen fr˚ an det infrar¨ oda spektrumet kommer att reflekteras i metallen [6].

Str˚ alning kan reflekteras p˚ a tv˚ a olika s¨ att men sker ofta i en kombination av b˚ ada.

Diffus reflektion sker d˚ a ytan ¨ ar oj¨ amn och str˚ alningen sprids i alla riktningar. Detta representeras av Figur 2 [2].

Figur 2: Diffus reflektion. Bilden ¨ ar egenkonstruerad.

Spekul¨ ar reflektion sker d˚ a ytan ¨ ar j¨ amn och str˚ alningen f˚ ar en best¨ amd riktning. Detta representeras av Figur 3 [2].

Figur 3: Spekul¨ ar reflektion. Bilden ¨ ar egenkonstruerad.

Transmission

Transmission inneb¨ ar att det inom materialet inte finns n˚ agon absorptionsmekanism f¨ or den aktuella str˚ alningen och str˚ alningen sl¨ apps d¨ arf¨ or igenom [6] [2].

2.4 Processernas koefficienter

Varje process har en koefficient som beskriver hur stor del av den inkommande str˚ alningen som antingen absorberas, reflekteras eller transmitteras.

Absorptionskoefficienten, α, beskriver hur stor del av den totala inkommande str˚ alningen som absorberas.

Reflektionskoefficienten, ρ, beskriver hur stor del av den totala inkommande str˚ alningen som reflekteras.

Transmissionskoefficienten, τ , beskriver hur stor del av den totala inkommande str˚ alningen som transmitteras.

Detta inneb¨ ar att Ekvation 3 m˚ aste g¨ alla.

α + ρ + τ = 1 (3)

Material och f¨ orem˚ al d¨ ar det inte sker n˚ agon transmission kallas ogenomskinliga och f¨ or dem g¨ aller Ekvation 4.

α + ρ = 1 (4)

Det finns ¨ aven en koefficient som beskriver hur mycket str˚ alning ett f¨ orem˚ al emitterar vid

en viss temperatur, j¨ amf¨ ort med hur mycket str˚ alning en svartkropp emitterar vid samma

temperatur. Denna koefficient kallas emissivitet, ε. F¨ or en svartkropp g¨ aller d¨ arf¨ or att

ε = 1 och f¨ or en gr˚ akropp g¨ aller att ε < 1, enligt sektion 2.2 [2].

Enligt Kirchhoffs lag m˚ aste absorptionen av den inkommande str˚ alningen hos ett f¨ orem˚ al vara lika stor som den str˚ alning f¨ orem˚ alet emitterar, vid alla v˚ agl¨ angder och tempera- turer. Kirchhoffs lag beskrivs i Ekvation 5.

α = ε (5)

Vilket medf¨ or att Ekvation 3 och Ekvation 4 kan beskrivas av Ekvation 6 och Ekvation 7 respektive [2].

ε + ρ + τ = 1 (6)

ε + ρ = 1 (7)

Alla de ovan n¨ amnda koefficienterna ¨ ar v˚ agl¨ angds- och temperaturberoende, eftersom str˚ alning med olika energi p˚ averkar materialet p˚ a olika s¨ att och en f¨ or¨ andring hos tem- peraturen i ett material ¨ andrar materialets f¨ oruts¨ attningar. Ett material kan inom ett visst omr˚ ade erh˚ alla konstanta v¨ arden p˚ a koefficienterna [2].

2.5 Fysikaliska lagar inom str˚ alning

Plancks str˚ alningslag

F¨ ordelningen av frekvenserna som emitteras av en svartkropp ges av Plancks str˚ alningslag, Ekvation 8. Lagen beskriver hur str˚ alningst¨ atheten hos den svarta kroppens utstr˚ alning varierar med frekvens och temperatur [3].

u(f, T ) = 8πhf ³ c ³ · 1

e

− 1

(8)

u(f, T ) = str˚ alningst¨ athe W/m ² 

h = Plancks konstant = 6, 6261 · 10 ⁻³⁴ J s f = frekvens [Hz]

c = ljusets hastighet = 300000m/s

k = Boltzmanns konstant = 1, 38065 · 10 ⁻²³ J/K T = temperatur [K]

[4]

Figur 4 visar f¨ orh˚ allandet mellan str˚ alningst¨ athet, frekvens och temperatur f¨ or fyra

temperaturer. Omr˚ adet mellan de streckade linjerna inneh˚ aller frekvenser som motsvarar

synligt ljus.

Figur 4: Str˚ alningst¨ atheten f¨ or svartkroppsstr˚ alning vid olika temperaturer som funktion av frekvensen. Bilden ¨ ar egenkonstruerad.

Fr˚ an Figur 4 blir det tydligt att f¨ or varje fix frekvens ¨ okar str˚ alningst¨ atheten med tempe- ratur vilket betyder att linjerna inte kommer att korsa varandra, och att frekvensen som ger den maximala energit¨ atheten ¨ okar med stigande temperatur [2]. Det visas ocks˚ a att hela kurvan f¨ or en temperatur inte m˚ aste vara inom ett visst omr˚ ade f¨ or att str˚ alningen fr˚ an kroppen ska bli iakttagbar. Det visas eftersom hela kurvan f¨ or temperaturen 2000K, som motsvarar temperaturen hos tr˚ aden i en gl¨ odlampa, inte ligger inom omr˚ adet f¨ or synligt ljus, men trots det kan m¨ anniskan se tr˚ aden.

Wiens f¨ orskjutningslag

F¨ orh˚ allandet mellan frekvensen vid den maximala str˚ alningst¨ atheten, och svartkroppens temperatur kallas Wiens f¨ orskjutningslag, Ekvation 9. F¨ orskjutning eftersom maxima f¨ orskjuts mot h¨ ogre frekvenser vid stigande temperatur. F¨ orh˚ allandet ges av att un- ders¨ oka maximum i Plancks str˚ alningslag, Ekvation 8 [3].

f max = 2, 821 · kT

h (9)

f max = frekvens vid maximal str˚ alningst¨ athet [Hz]

Stefan-Boltzmanns lag

Den totala str˚ alningst¨ atheten, ϕ, hos en svartkropp med temperatur T ges av Stefan- Boltzmanns lag, Ekvation 10 [3].

ϕ = σT ⁴ (10)

ϕ = str˚ alningst¨ athet W/m ²  σ = 5, 670 · 10 ⁻⁸ W/m ² K ⁴ T = temperatur [K]

[4]

Detta f˚ as genom att integrera energibidragen fr˚ an alla frekvenser, det vill s¨ aga ytan under grafen i Figur 4 [3].

Den totala str˚ alningseffekten, φ [W ] f¨ or ett objekt ges av Ekvation 11 och f˚ as genom att multiplicera Ekvation 10 med objektets utstr˚ alande yta, A.

φ = AσT ⁴ (11)

F¨ or gr˚ akroppar med ε < 1, g¨ aller i st¨ allet Ekvation 12 och Ekvation 13 f¨ or str˚ alningst¨ athet respektive str˚ alningseffekt.

ϕ = σεT ⁴ (12)

φ = AσεT ⁴ (13)

3 Metod

Laborationsuppst¨ allningen som skapats f¨ or att unders¨ oka v¨ armestr˚ alning experimentellt

best˚ ar av en temperaturvarierande v¨ agg och ett temperaturvarierande kopparobjekt,

isolerat i en l˚ ada av tr¨ a. Dessa komponeter beskrivs i Resultat, sektion 4.1. F¨ or att

registrera reflektioner av v¨ armestr˚ alning som sker mot v¨ aggen, och v¨ aggens egen emission

anv¨ ands en v¨ armekamera som ¨ ar isolerad i en cellplastl˚ ada. V¨ armekameran kopplas till

en dator d˚ a f¨ orloppet ska spelas in.

3.1 V¨ armekamera

V¨ armekameran som anv¨ ands ¨ ar en FLIR C2 och verkar inom spektralomr˚ adet

7, 5−14 µm [7]. Inom termografi kallas detta omr˚ ade l˚ angv˚ agig infrar¨ od str˚ alning. Anled- ningen till att det infrar¨ oda spektrumet delas in i omr˚ aden beror p˚ a att v¨ armekameror, p˚ a grund av optiken hos deras delar, endast kan registrera en liten del av det infrar¨ oda spektrumet [2]. V¨ armekameran fastst¨ aller och ˚ aterger den infrar¨ oda st˚ alningen som emit- teras fr˚ an ett f¨ orem˚ al, och eftersom str˚ alningen beror p˚ a temperaturen hos f¨ orem˚ alet kan kameran visa f¨ orem˚ alets temperatur [2].

F¨ or att kunna best¨ amma temperaturen i varje pixel registrerar v¨ armekameran den totala str˚ alningseffekten, φ, Ekvation 11, och g¨ or det med en noggrannhet p˚ a ±2 ^◦ C [2] [7]. V¨ armekameran kan registrera v˚ agl¨ angder som motsvarar temperaturer mellan

−10 ^◦ C och 150 ^◦ C [7]. F¨ or att v¨ armekameran ska kunna registrera den verkliga tem- peraturen hos f¨ orem˚ alet kr¨ avs korrekta inst¨ allningar p˚ a v¨ armekameran. Med hj¨ alp av den informationen kan v¨ armekameran kompensera f¨ or fenomen som ger en missvisan- de bild f¨ or temperaturavl¨ asningen. F¨ or FLIR C2 kan f¨ oljande parametrar kompenseras f¨ or: f¨ orem˚ alets emissivitet, den reflekterade skenbara temperaturen och avst˚ andet mellan f¨ orem˚ alet och v¨ armekameran [7].

Att kompensera f¨ or f¨ orem˚ alets emissivitet ¨ ar oerh¨ ort viktigt eftersom den ber¨ attar hur stor del av str˚ alningen som emitteras. En felinst¨ alld emissivitet kan ge stora m¨ atfel hos temperaturen. Extra viktigt med en korrekt inst¨ alld emissivitet ¨ ar det n¨ ar det som ska unders¨ okas har en l˚ ag emissivitet. Detta f¨ or att en os¨ akerhet p˚ a emissiviteten p˚ a

±0, 05 kan betyda 100% os¨ akerhet om emissiviteten ¨ ar 0, 05, som ¨ ar fallet f¨ or till ex- empel polerad aluminium [7]. En os¨ akerhet p˚ a 100% hos emissiviteten ger dock inte ett fel hos temperaturen med en faktor tv˚ a, eftersom temperaturen har en kraft av fyra enligt sektion 2.5. Att avl¨ asa en s˚ adan korrekt temperatur som m¨ ojligt ¨ ar alltid efterstr¨ avansv¨ art och rekommendationen ¨ ar d¨ arf¨ or att inte unders¨ oka temperaturen hos f¨ orem˚ al med emissivitet under 0, 5 [2]. Det g˚ ar att ¨ oka emissiviteten hos ett f¨ orem˚ al genom att f¨ orse den med en bel¨ aggning, till exempel ett svart, matt motorlack.

Om ett f¨ orem˚ al har l˚ ag emissivitet har den enligt Ekvation 7 h¨ og reflektion. F¨ or att und- vika att det ¨ ar reflekterad str˚ alning som registreras av v¨ armekameran finns inst¨ allningen

”reflekterad skenbar temperatur” som kompenserar f¨ or detta [7]. Detta ¨ ar mycket viktigt f¨ or ett f¨ orem˚ al med god reflektion om temperaturavl¨ asningen ska bli korrekt.

F¨ or att kompensera f¨ or att st˚ alning absorberas av atmosf¨ aren mellan f¨ orem˚ alet och v¨ armekameran st¨ alls parametern ”avst˚ and” in. Detta ¨ ar avst˚ andet mellan f¨ orem˚ alet och v¨ armekamerans frontobjektiv [7]. V¨ armekameran kompenserar f¨ or det faktum att str˚ alningens intensitet avtar med avst˚ andet i kvadrat enligt Ekvation 2. Detta g¨ ors obe- roende av inst¨ allningen ”avst˚ and”, eftersom arean som v¨ armekameran registrerar ocks˚ a

¨ okar med avst˚ andet.

4 Resultat

Nedan beskrivs de framtagna komponenterna till laborationsuppst¨ allningen. Inst¨ allningar som gjorts f¨ orklaras och genomf¨ orandet av experimentet redog¨ ors.

4.1 Konstruktion av laborationsprototyp

V¨ agg

V¨ aggen best˚ ar av en kylare som vanligtvis anv¨ ands i bilar, d¨ ar ena sidan har f¨ orsetts med en aluminiumpl˚ at. F¨ or aluminium g¨ aller Ekvation 4 f¨ or den mottagna str˚ alningen eftersom det inte sker n˚ agon transmission. Aluminiumpl˚ aten har en emissivitet mellan 0,05-0,1 och har d¨ arf¨ or h¨ og reflektionsf¨ orm˚ aga, vilket var ¨ onskat f¨ or konstruktionen [7].

P˚ a aluminiumpl˚ aten har en figur av kaptontejp med m¨ onstret enligt Figur 5 f¨ asts.

Figur 5: Kaptontejpsfigur p˚ a v¨ aggen.

Kaptontejp klarar h¨ oga temperaturer och har enligt egen unders¨ okning med hj¨ alp av v¨ armekamera och temperatursensor en emissivitet p˚ a 0, 95. Placering av kaptontejp g¨ ors f¨ or att v¨ armekameran ska registrera v¨ aggens emission med hj¨ alp av figuren, eftersom tejpen har samma temperatur som aluminiumpl˚ aten och inte reflekterar str˚ alningen fr˚ an l˚ adan och objektet. F¨ or att ¨ andra v¨ aggens temperatur under experimentets g˚ ang pumpas f¨ orst isvatten in i kylaren, som sedan konstant v¨ arms upp. Vattnets temperatur

¨ overf¨ ors via ledning till aluminiumpl˚ aten.

Figur 6 ˚ ask˚ adligg¨ or v¨ aggen monterad i tr¨ al˚ adan.

Figur 6: V¨ aggen monterad i l˚ adan.

Objekt

Objektet best˚ ar av en kopparpl˚ at med ett fastl¨ ott, b¨ ojt kopparr¨ or p˚ a baksidan. Framsi- dan av objektet har sprayats med ett svart, matt motorlack f¨ or att h¨ oja dess emissivitet.

Enligt egen unders¨ okning med hj¨ alp av v¨ armekamera och temperatursensor ¨ ar emissi- vitet 0,95. Detta gjordes f¨ or att f¨ orhindra reflektion och f¨ or att dess emissivitet ska

¨ overensst¨ amma med ¨ ovrig omgivning. Figur 7 ˚ ask˚ adligg¨ or objektet monterat i tr¨ al˚ adan.

Figur 7: Objekt.

F¨ or att ¨ andra objektets temperatur under experimentets g˚ ang pumpas f¨ orst varmt vat-

ten in i kopparr¨ oret p˚ a objektets baksida. Vattnet kyls sedan av efter hand. Vattnets

temperatur ¨ overf¨ ors via ledning till kopparpl˚ aten.

V¨ armekamerans cellplastl˚ ada

F¨ or att undvika att v¨ armestr˚ alningen fr˚ an v¨ armekameran p˚ averkar resultatet har en l˚ ada skapats till v¨ armekameran. L˚ adan ¨ ar gjord av cellplast eftersom det materialet

¨ ar en bra isolator. H¨ ojden p˚ a cellplastl˚ adan ¨ ar ekvivalent med h¨ ojden p˚ a objektet n¨ ar objektet ¨ ar monterat i l˚ adan. Utsk¨ arningen f¨ or v¨ armekamerans lins har gjort p˚ a ett s˚ adant s¨ att att cellplasten inte p˚ averkar v¨ armekamerans registrering av v¨ armestr˚ alning.

Figur 8 ˚ ask˚ adligg¨ or v¨ armekamerans cellplastl˚ ada och v¨ armekameran i tr¨ al˚ adan.

Figur 8: V¨ armekamerans cellplastl˚ ada.

Tr¨ al˚ ada

F¨ or att bakgrundstr˚ alningen ska vara s˚ a homogen som m¨ ojligt har en tr¨ al˚ ada med in- nerdimensionen 80x80x50 cm ³ skapats. Det skapades ¨ aven ett lock med dimensionen 85x85 cm ² som placeras p˚ a tr¨ al˚ adan innan experimentet startar. Tr¨ al˚ adan ¨ ar konstruerad p˚ a s˚ a s¨ att att v¨ aggen, objektet och v¨ armekameran kan placeras inuti tr¨ al˚ adan d˚ a ex- perimentet genomf¨ ors. F¨ or att f¨ orhindra att v¨ armestr˚ alningen fr˚ an objektets kopparr¨ or sprids till tr¨ av¨ aggen placeras cellplast mellan objektet och v¨ aggen.

Konstruktionen i sin helhet visas i Figur 9.

Figur 9: Konstruktionens insida med alla komponenter.

4.2 Uppst¨ allning och inst¨ allningar

Vid genomf¨ orandet av experimentet ¨ ar objektet placerat parallell med v¨ aggen och 28 cm ifr˚ an v¨ aggen. Kameran placeras 28 cm fr˚ an v¨ aggen och i en vinkel s˚ a att reflektionen av v¨ armekamerans v¨ armestr˚ alning i v¨ aggen inte syns i den bild v¨ armekameran registrerar.

Det ¨ ar 40 cm mellan objektet och v¨ armekamerans objektiv.

F¨ or att m¨ ata den verkliga temperaturen hos de olika komponenterna i uppst¨ allningen placeras temperatursensorer ut. Temperatursensor T1 ¨ ar placerad p˚ a baksidan av ob- jektets kopparpl˚ at och temperatursensor T2 ¨ ar placerad p˚ a v¨ aggen i kaptontjepsfiguren enligt Figur 6. Temperatursensor T3 placerades p˚ a v¨ aggen i h¨ ojd med sensor T2, men inte synlig f¨ or v¨ armekameran. T3 ¨ ar placerad p˚ a v¨ aggen f¨ or att kontrollera att tem- peraturf¨ ordelningen i v¨ aggen ¨ ar konstant och j¨ amf¨ ors d¨ arf¨ or endast med T2. Det ¨ ar temperatursensor T2 som kommer att j¨ amf¨ oras med objektets temperatur, T1, eftersom den registrerar temperaturen hos kaptontejpsfiguren. Det placerades ¨ aven ut tv˚ a tempe- ratursensorer f¨ or att m¨ ata luftens temperatur i l˚ adan. T4 placerades 15 cm fr˚ an v¨ aggen p˚ a botten och T5 placerades 20 cm fr˚ an toppen p˚ a tr¨ av¨ aggen och 15 cm fr˚ an v¨ aggen.

Alla temperatursensorer ¨ ar synliga i Figur 9.

Under experimentet ¨ ar inst¨ allningarna p˚ a v¨ armekameran f¨ oljande:

• Emissivitet = 0,95

• Reflekterad skenbar temperatur = 22 ^◦ C

• Avst˚ and mellan v¨ armekamerans objektiv och v¨ aggen = 0,25 m

Anledningen till att emissiviteten ¨ ar inst¨ alld p˚ a 0,95 ¨ ar p˚ a grund av metallens goda egen- skap att reflektera v¨ armestr˚ alning, d˚ a det inneb¨ ar att v¨ aggen reflekterar all str˚ alning i tr¨ al˚ adan. V¨ ardet p˚ a emissiviteten ¨ ar d¨ arf¨ or inst¨ alld f¨ or att ¨ overensst¨ amma med omgiv- ningens och kaptontejpens emissivitet. Emissiviteten f¨ or tr¨ al˚ adan ¨ ar cirka 0,95 [7]. Enligt sektion 2.4 ¨ ar emissiviteten temperatur- och v˚ agl¨ angdsberoende men under experimentet g¨ ors approximationen att emissiviteten ¨ ar konstant f¨ or experimentets temperaturvaria- tion. F¨ or den del av det infrar¨ oda spektrumet som behandlas inom experimentet g¨ ors

¨ aven approximationen att emissiviteten ¨ ar konstant.

Anledningen till att den reflekterade skenbara temperaturen ¨ ar inst¨ alld p˚ a 22 ^◦ C ¨ ar f¨ or att kompensera f¨ or rumstemperaturen. Detta kommer v¨ armekameran dock inte att kom- pensera f¨ or till en s˚ adan h¨ og grad, eftersom emissiviteten ¨ ar inst¨ alld p˚ a 0,95. ε = 0.95 inneb¨ ar en l˚ ag reflektionskoefficient vilket bidrar till en l˚ ag kompensation f¨ or kameran.

Det ¨ ar inte heller syftet med experimentet att den reflekterade temperaturen ska kom- penseras f¨ or, eftersom det ¨ ar reflektionen som ska visualiseras.

Avst˚ andet mellan v¨ armekamerans objektiv och v¨ aggen st¨ alls in p˚ a 0,25 m eftersom det v¨ ardet b¨ ast st¨ ammer ¨ overens med det verkliga v¨ ardet och det finns endast f¨ orutbest¨ amda v¨ arden f¨ or avst˚ andet p˚ a v¨ armekameran.

P˚ a v¨ armekameran finns m¨ ojligheten att l˚ ata temperaturskalan f¨ or bilderna vara kon- stant, vilket ¨ ar l¨ ampligt i detta experiment d˚ a flera bilder ska j¨ amf¨ oras med varandra.

4.3 Genomf¨ orande

Temperaturerna som anges i denna sektion ¨ ar avl¨ asta fr˚ an temperatursensorer och vid genomf¨ orandet av experimentet l˚ astes bildernas temperaturintervall p˚ a 3,9 – 61,3 ^◦ C.

F¨ or att f˚ a ett s˚ adant brett resultat som m¨ ojligt valdes den st¨ orsta utf¨ orbara tempera- turskillnaden mellan v¨ agg och objekt vid starten av experimentet. V¨ aggens starttem- peratur var 5, 5 ^◦ C. Vattnet i v¨ aggen pumpades runt och v¨ armdes med hj¨ alp av en slangv¨ armare som gjorde det m¨ ojligt f¨ or v¨ aggen att ¨ oka med cirka 0, 5 ^◦ C per minut.

Objektet starttemperatur var 54, 7 ^◦ C tack vare att vattnet hade v¨ armts i en vattenko- kare och pumpades igenom objektets kopparr¨ or. Objektets vatten kyldes sedan ner tack vare v¨ arme¨ overf¨ oring till omgivningen vilket skedde i en takt p˚ a cirka 1 ^◦ C per minut.

Detta korresponderar inte med hastigheten f¨ or uppv¨ armningen av v¨ aggen. F¨ or att f˚ a

en likande temperaturf¨ or¨ andring mellan v¨ agg och objekt slogs vattenkokaren p˚ a vid be-

hov. N¨ ar temperaturen hos objektet n¨ armade sig 35 ^◦ C tillsattes is i objektets vatten f¨ or

att f¨ or¨ andringen skulle forts¨ atta att ske konstant. Experimentet avslutades n¨ ar v¨ aggen

n˚ adde 52, 6 ^◦ C och objektet 7, 4 ^◦ C. M¨ atv¨ arden f¨ or respektive temperatursensor l¨ astes av

varje minut och v¨ armekamerans registrering av str˚ alningen spelades in. Bilder fr˚ an den

inspelade videon kunde sedan v¨ aljas ut.

4.4 V¨ armekamerans bilder

Figur 10 visar en serie bilder fr˚ an experimentet som ¨ ar tagna vid speciella tillf¨ allen. Ka- merans avl¨ asta temperatur p˚ a objektets reflektion i v¨ aggen visas uppe i v¨ anstra h¨ ornet.

F¨ argskalan till h¨ oger visar f¨ orh˚ allandet mellan temperatur och f¨ arg i bilden. Den f¨ orsta bilden ¨ ar tagen vid experimentstart och den sista vid experimentslut. Fler bilder f¨ or att f¨ olja hela f¨ orloppet redovisas i Appendix A.1. F¨ orklaring och diskussion av bilderna sker i Diskussion, sektion 5.1.

Figur 10: Bildserie ¨ over experimentets f¨ orlopp.

4.5 Avl¨ asta temperaturer

Tabell 1 redovisar temperaturerna fr˚ an sensorerna f¨ or objektet, v¨ aggen, lufttemperaturen vid botten och lufttemperaturen vid toppen, enligt sektion 4.2, f¨ or respektive bild i Figur 10. Fler avl¨ asta temperaturer f¨ or att f¨ olja f¨ orloppet redovisas i AppendixA.2.

Tabell 1: Temperaturerna f¨ or komponenterna i respektive bild i Figur 10 Bild Objekt [ ^◦ C] V¨ agg [ ^◦ C] Botten [ ^◦ C] Toppen [ ^◦ C]

1 54.7 5.5 14.1 20.9

2 42.5 20.5 19.5 21.7

3 33.3 33.2 22.5 25.8

4 23.7 44.1 26.1 30.9

5 7.4 52.6 28.2 35.3

5 Diskussion

Enligt Wiens f¨ orskjutningslag, sektion 2.5, kan frekvensen vid den maximala str˚ alningst¨ a- theten hos olika temperaturer som behandlats under experimentet ber¨ aknas. Tempera- turen 5 ^◦ C som var v¨ aggens starttemperatur har frekvensmaximum vid 1, 6350 · 10 ¹³ Hz.

Temperaturen 22 ^◦ C som luftens temperatur i l˚ adan var har frekvensmaximum vid 1, 7349 · 10 ¹³ Hz. Temperaturen 60 ^◦ C som ¨ ar i n¨ arheten av objektets starttemperatur har frekvensmaximum vid 1, 9583 · 10 ¹³ Hz. Dessa frekvenser kan noteras i Figur 11, d¨ ar omr˚ adet mellan de streckade linjerna utg¨ or v¨ armekamerans spektralomr˚ ade, det vill s¨ aga de v˚ agl¨ ander som v¨ armekameran kan registrera. Figuren visar att inga av dessa maxi- mum ligger inom spektralomr˚ adet, men trots det kan kameran registrera str˚ alningen och utl¨ asa en korrekt temperatur. Detta kan j¨ amf¨ oras med Figur 4 d¨ ar det f¨ orklaras att hela gl¨ odtr˚ adens temperaturgraf inte ligger inom omr˚ adet f¨ or synlig ljus, men att m¨ anniskan

¨ and˚ a kan registrera str˚ alningen.

Resultatet av j¨ amf¨ orelsen mellan temperatursensor T2 och T3 som placerades p˚ a v¨ aggen

och unders¨ okte v¨ aggens temperaturf¨ ordelning var att temperaturf¨ ordelningen i v¨ aggen

var bra, d˚ a det aldrig skiljde mer ¨ an 1 ^◦ C mellan sensorerna.

Figur 11: Str˚ alningst¨ athet som funktion av frekvens f¨ or temperaturer fr˚ an experimentet. Bilden

¨

ar egenkonstruerad.

5.1 Analys av bilder

Nedan diskuteras respektive bild fr˚ an Figur 10, eftersom de representerar h¨ andelser d˚ a

komponenternas temperaturf¨ or¨ andring ¨ ar tydlig.

Figur 12 ¨ ar bild 1 i Figur 10 och visar hur v¨ armekamerans registrering av v¨ armestr˚ alning ser ut n¨ ar v¨ aggen ¨ ar som kallast och objektet ¨ ar som varmast, det vill s¨ aga 5, 5 ^◦ C och 54, 7 ^◦ C respektive. V¨ aggens emission syns i den m¨ orkbl˚ aa figuren till h¨ oger om objektets reflektion, d˚ a det ¨ ar kaptontejpsfiguren som representeras i Figur 5. Kaptontejpsfiguren representeras av en m¨ orkbl˚ a f¨ arg enligt temperaturintervallet och ¨ ar v¨ aggens verkliga temperatur. Det v¨ arde p˚ a temperaturen som kameran registrerar f¨ or objektet st¨ ammer v¨ al ¨ overens med objektets verkliga temperatur, vilket ¨ ar det v¨ antade resultatet. Att v¨ aggen, f¨ orutom objektets reflektion, ser varmare ut ¨ an kaptontejpsfiguren beror p˚ a att den str˚ alningen som kameran registrerar ¨ ar str˚ alningen som reflekteras fr˚ an rummet, det vill s¨ aga fr˚ an tr¨ al˚ adan. Denna bild representerar experimentsstarten och luftens tempe- ratur i l˚ adan ¨ ar enligt Tabell 1 14, 1 ^◦ C vid botten och 20, 9 ^◦ C vid toppen. Temperatur- skillnaden mellan de olika h¨ ojderna i l˚ adan f¨ orklaras av konvektion och ¨ ar en process som kommer att fortskrida hela experimentet. Konvektionen uppst˚ ar eftersom v¨ aggens uppv¨ armning v¨ armer luften inuti l˚ adan, samtidigt som objektet ¨ ar kallt och kyler luften i l˚ adan. Eftersom v¨ aggens starttemperatur ¨ ar l˚ ag och luften i l˚ adan vid experimentets start ¨ ar rumstemperatur ¨ ar en skillnad i luftens temperatur v¨ antad redan fr˚ an starten av experimentet. Temperaturskillnaden som uppst˚ ar i luften bidrar till konvektionen som beskriver att varm luft stiger och kall luft sjunker [8]. Temperaturskillnaden i luften p˚ averkar temperaturen hos l˚ adans v¨ aggar och d¨ arf¨ or g¨ ors approximationen att tempera- turen hos l˚ adans insida korrelerar med temperaturen hos luften. I Figur 12 ˚ aterges inte temperaturskillnaden hos l˚ adans insida i reflektionen i v¨ aggen, eftersom den l˚ asta skalan har ett stort temperaturintervall och skillnaden blir inte synlig i f¨ arg˚ atergivningen f¨ or de olika temperaturerna.

Figur 12: Bild vid experimentstart.

Figur 13 ¨ ar bild 2 i Figur 10 och visar hur v¨ armekamerans registrering av v¨ armestr˚ alning ser ut n¨ ar v¨ aggens temperatur har ¨ okat till dess att den n˚ att l˚ adans temperatur. Detta syns d˚ a kaptontejpsfiguren, Figur 5, som synligg¨ or v¨ aggens temperatur inte l¨ angre ¨ ar iakttagbar, utan sm¨ alter samman med reflektionen fr˚ an l˚ adans v¨ armestr˚ alning. Enligt Tabell 1 ¨ ar v¨ aggens temperatur 20, 5 ^◦ C, och luftens temperatur i rummet ligger mellan 19, 5 − 21, 7 ^◦ C. Resultatet av v¨ armekamerans registrering av v¨ armestr˚ alningen ¨ ar d¨ arf¨ or helt v¨ antad. Det ¨ ar ¨ aven m¨ arkbart att objektets temperatur har sjunkit, d˚ a f¨ argen p˚ a objektet har ¨ andrats och det finns inte l¨ angre n˚ agra vita nyanser i f¨ argen p˚ a objektets reflektion. Objektets temperatur i denna bild ¨ ar enligt Tabell 1 42, 5 ^◦ C, vilket st¨ ammer

¨

overens med den av kameran uppm¨ atta temperaturen.

Figur 13: Bild d˚ a v¨ aggen har samma temperatur som l˚ adan.

Figur 14 ¨ ar bild 3 i Figur 10 och visar hur v¨ armekamerans registrering av v¨ armestr˚ alning ser ut n¨ ar objektet och v¨ aggen har samma temperatur. Enligt Tabell 1 var objektet 33, 3 ^◦ C och v¨ aggen 33, 2 ^◦ C. V¨ armekameran avl¨ aser 34, 4 ^◦ C hos objektets reflektion, vil- ket ¨ ar n˚ agot h¨ ogre ¨ an det verkliga v¨ ardet, men fortfarande inom v¨ armekamerans m¨ atfel som ¨ ar ±2 ^◦ C enligt sektion 3.1. Det syns i Figur 14 att objektet och v¨ aggen har liknande temperatur eftersom kaptontejpsfigurens emission och objektets reflektion har liknande f¨ arger.

I bilden blir det tydligt att v¨ armen fr˚ an objektets kopparr¨ or sprider sig till cellplastv¨ aggen mellan objektet och v¨ aggen d˚ a denna del av bilden nu blivit gr¨ on, som indikerar en h¨ ogre temperatur ¨ an f¨ argen bl˚ a.

Det g˚ ar ¨ aven att ana att skillnaden i temperatur hos luften har blivit s˚ a stor att det syns i f¨ arg˚ atergivningen hos bilden. Den str˚ alning som reflekteras fr˚ an tr¨ al˚ adan i den nedre delen av v¨ aggen har en motsvarande temperatur som ¨ ar l¨ agre ¨ an temperaturen som motsvarar str˚ alningen som reflekteras i den ¨ ovre delen av v¨ aggen. Detta ¨ ar f¨ orv¨ antat p˚ a grund av konvektion.

Figur 14: Bild d˚ a v¨ aggen har samma temperatur som objektet.

Figur 15 ¨ ar bild 4 i Figur 10 och visar hur v¨ armekamerans registrering av v¨ armestr˚ alning ser ut n¨ ar objektets temperatur n¨ armar sig omgivningens temperatur. Detta ¨ ar tydligt eftersom endast konturerna av objektet ¨ ar synligt i reflektionen i v¨ aggen. Enligt Tabell 1

¨

ar objektet 23, 7 ^◦ C och luftens temperatur ligger mellan 26, 1 − 30, 9 ^◦ C. V¨ armekamerans registrerade str˚ alning av objektets reflektion ¨ ar 26, 0 ^◦ C. Att v¨ armekameran registrerar en h¨ ogre temperatur ¨ an objektets verkliga temperatur beror p˚ a att v¨ armekameran ¨ aven registrerar str˚ alning som kommer fr˚ an l˚ adans insida. Denna str˚ alning reflekteras i sam- ma punkter som objektet i v¨ aggen och v¨ armekameran registrerar d¨ arf¨ or b˚ ada bidragen och konverterar de till en kombinerad temperatur. Eftersom objektet skuggar den mesta delen av str˚ alningen fr˚ an l˚ adan och hindrar den fr˚ an att reflekteras i v¨ aggen och n˚ a v¨ armekameran ger str˚ alningen fr˚ an l˚ adan ett mindre bidrag, men blir h¨ ar ¨ and˚ a noter- bar. Vid detta tillf¨ alle syns konvektionens bidrag till v¨ armef¨ ordelningen i l˚ adan ¨ annu mer, eftersom det ¨ ar en tydlig skillnad mellan reflektionen fr˚ an omgivningen i den ¨ ovre och nedre delen av v¨ aggen. Cellplasten l¨ angs tr¨ al˚ adans v¨ agg har ¨ okat i temperatur tack vare v¨ armen fr˚ an objektets kopparr¨ or och det ¨ ar tydligt att v¨ aggens emission ¨ ar den str˚ alning som medf¨ or den h¨ ogsta temperaturen. Detta representeras av f¨ arg˚ atergivningen i bilden d˚ a den j¨ amf¨ ors med temperaturskalan.

Figur 15: Bild d˚ a objektet har samma temperatur som l˚ adan.

Figur 16 ¨ ar bild 5 i Figur 10 och visar hur v¨ armekamerans registrering av v¨ armestr˚ alning ser ut n¨ ar v¨ aggen ¨ ar som varmast och objektet ¨ ar som kallast, det vill s¨ aga 52, 6 ^◦ C och 7, 4 ^◦ C enligt Tabell 1. I denna bild ¨ ar det str˚ alningen fr˚ an objektet som st˚ ar f¨ or den kallaste temperaturen enligt v¨ armekamerans registrering, d˚ a den ¨ ar mest m¨ orkbl˚ a.

V¨ armekamerans registrering av str˚ alningen anger att reflektionen fr˚ an objektet motsva- rar en temperatur p˚ a 8, 9 ^◦ C. V¨ armekameran anger en h¨ ogre temperatur ¨ an objektets verkliga temperatur eftersom den ¨ aven registrerar str˚ alning fr˚ an l˚ adans insida, men den av v¨ armekameran avl¨ asta temperaturen ¨ ar ¨ and˚ a n¨ ara objektets temperatur eftersom mycket av str˚ alningen fr˚ an l˚ adan skuggas av objektet. Temperaturen hos omgivning- en har fortsatt att ¨ oka, vilket syns i registreringen av str˚ alningen hos kameran och f¨ arg˚ atergivningen. Det ¨ ar endast ¨ ar ett litet parti l¨ angst ned vid botten och cellplasten som har en temperatur motsvarande f¨ argen bl˚ a i temperaturintervallet. ¨ Ovrig omgiv- ning emitterar str˚ alning vars motsvarande temperatur ¨ ar varmare ¨ an 26 ^◦ C i reflektionen i den ¨ ovre delen av v¨ aggen, eftersom det ¨ ar givet i Figur 15 att 26 ^◦ C motsvarar en gr¨ on f¨ arg i f¨ arg˚ atergivningen fr˚ an temperaturskalan. Enligt Tabell 1 ligger luftens tem- peratur i l˚ adan mellan 28, 2 − 35, 3 ^◦ C vilket kan ¨ overensst¨ amma med reflektionen som v¨ armekameran registrerar. Emissionen fr˚ an kaptontejpsfiguren motsvarar en temperatur som ger vita nyanser och f¨ arg˚ atergivningen fr˚ an kaptontejpsfigurens emission och objek- tets reflektion ¨ ar motsatt j¨ amf¨ ort med Figur 12, vilket var ¨ onskat.

Figur 16: Bild vid experimentslut.

Approximationen att emissiviteten var konstant f¨ or temperatur- och v˚ agl¨ angdsomr˚ adet

var god, eftersom temperaturerna angivna av v¨ armekameran ¨ overensst¨ ammer med verk-

ligheten.

6 Slutsatser och rekommendationer

Laborationsuppst¨ allningen som konstruerats under detta arbete uppfyller det ¨ onskade m˚ alet om att p˚ a ett bra s¨ att visualisera reflektion av v¨ armestr˚ alning f¨ or olika v˚ agl¨ angder.

Det ¨ ar ¨ aven givande att l˚ ata v¨ aggen d¨ ar reflektionen sker ¨ andra temperatur, f¨ or att l˚ ata studenterna unders¨ oka hur en temperaturvariation p˚ averkar den av v¨ armekameran regi- strerade str˚ alningen. Det blir d˚ a tydligt f¨ or studenterna att temperaturen hos v¨ aggen inte p˚ averkar v¨ armekamerans registrerade str˚ alning fr˚ an objektet, utan v¨ aggen reflekterar all- tid den infallande v¨ armestr˚ alningen som kommer mot den. Studenterna f˚ ar ¨ aven chansen att reflektera ¨ over hur v¨ aggens uppv¨ armning p˚ averkar temperaturen hos l˚ adan och vilka resultat det ger f¨ or bilden som v¨ armekameran ger. I och med detta f˚ ar studenterna ocks˚ a fenomenet konvektion visualiserat, eftersom b˚ ade temperatursensorerna f¨ or luften och l˚ adans v¨ armestr˚ alning visar detta. F¨ orhoppningen ¨ ar ¨ aven att studenterna ska analysera hur det kan vara m¨ ojligt f¨ or v¨ armekameran att p˚ a ett tydligt s¨ att registrera str˚ alningen fr˚ an objektet n¨ ar det ¨ ar som kallast trots att temperaturen hos l˚ adan ¨ ar h¨ ogre. Slutsat- sen som studenterna ska dra ¨ ar att objektet skuggar str˚ alningen fr˚ an omgivningen s˚ a att den inte kan n˚ a v¨ aggen och d¨ arf¨ or inte reflekteras till v¨ armekameran. I och med att aluminiumpl˚ aten har f¨ orsetts med en kaptontejpsfigur f˚ ar studenterna m¨ ojligheten att diskutera vad tejpen har f¨ or betydelse och hur den p˚ averkar bilden som v¨ armekameran skapar, vilket kan ge en tydligare bild f¨ or hur reflektion av v¨ armestr˚ alning fungerar och vad som kan g¨ oras f¨ or att reflektionen ska ¨ andras. Det skulle d¨ arf¨ or ocks˚ a kunna vara intressant att ha en aluminiumpl˚ at d¨ ar ytan har gjorts matt med hj¨ alp av st˚ alull, och att d˚ a inse att det synliga ljuset inte kan reflekteras i pl˚ aten, f¨ or att sedan visualisera med v¨ armekameran att pl˚ aten fortfarande kan reflektera v¨ armestr˚ alning. I ett s˚ adant expe- riment f˚ ar studenterna m¨ ojligheten att utveckla sin f¨ orst˚ aelse f¨ or v˚ agl¨ angdens betydelse och inneb¨ orden av diffus- och spekul¨ ar reflektion.

F¨ orb¨ attringar som kan g¨ oras f¨ or att underl¨ atta experimentet ber¨ or till st¨ orsta del objek- tets temperaturminskning. Det kan vara efterstr¨ avansv¨ art att hitta ett tillv¨ agag˚ angss¨ att som inte ¨ ar beroende av den m¨ anskliga faktorn och det faktum att temperaturminsk- ningen inte sker konstant och att temperaturen hos objektet ibland till och med ¨ okar.

Dock finns det inga avgr¨ ansningar inom experimentet som ¨ ar beroende av att tempera-

turf¨ or¨ andringarna hos v¨ aggen och objektet sker konstant, huvudsaken ¨ ar att alla de olika

komponenternas temperaturer n˚ agon g˚ ang sammanfaller. En s˚ adan f¨ orb¨ attring hj¨ alper

n¨ odv¨ andigtvis inte studenter i deras f¨ orst˚ aelse f¨ or v¨ armestr˚ alning men till˚ ater dem att

fokusera p˚ a f¨ orloppet som kan f¨ oljas p˚ a datorn, ist¨ allet f¨ or att fokusera p˚ a om tempera-

turminskningen sker konstant eller inte. Det ¨ ar ¨ aven att rekommendera att v¨ aggen ¨ okar

i temperatur och objektet minskar i temperatur, eftersom det tillv¨ agag˚ angss¨ attet till

st¨ orsta m¨ ojliga grad undviker att det bildas kondensationsis p˚ a v¨ aggen. Kondensationsis

p˚ a v¨ aggen om¨ ojligg¨ or en korrekt registrering av v¨ armestr˚ alningen f¨ or v¨ armekameran,

vilket kan skapa f¨ orvirring hos studenterna. I och med detta ¨ ar det en rekommendation

att se till att komma ig˚ ang med experimentet s˚ a fort som m¨ ojligt, och inte l˚ ata v¨ aggen

vara kall f¨ or l¨ ange.

F¨ orfattarens tack

Jag vill rikta ett stort tack till de personer som har hj¨ alpt mig under detta arbete.

Framf¨ or allt till min handledare Matthias Weiszflog som v¨ aglett mig under arbetets g˚ ang, Stefan Jarl Holm f¨ or hj¨ alp med utformning av labbuppst¨ allningens komponen- ter, Jesper Haglund f¨ or utl˚ anande av v¨ armekamera och goda r˚ ad kring anv¨ andandet av v¨ armekameror och sist men inte minst ett stort tack till My L¨ ofberg som agerat bollplank och laborationspartner under hela arbetet. Jag vill ¨ aven tacka l¨ arare och kursassistenter p˚ a termodynamikskurserna p˚ a Uppsala universitet f¨ or givande diskussioner och syn- punkter, samt verkstaden p˚ a ˚ Angstr¨ omslaboratoriet f¨ or hj¨ alpen med konstruktion av komponenternas delar.

Referenser

[1] Haglund J. & Jeppsson F. & Hedberg D. & Sch¨ onborn J.K. Students’ framing of laboratory exercises using infrared cameras. Physical review special topics - Physics education research, 11(2):1–22, 2015.

[2] Vollmer M. & M¨ ollman K-P. Infrared Thermal Imaging. WILEY-VCH, 2010.

[3] Beckman O. & Grimvall G. & Kj¨ ollerstr¨ om B. & Sundstr¨ om T. Energil¨ ara. Liber, 2005.

[4] Nordling C. & ¨ Osterman J. Physics Handbook for science and engineering. Student- litteratur, 2006.

[5] Ingelman-Sundberg M. & Persson B. M¨ anniskokroppens kemi. Natur & Kultur, 1989.

[6] Fox M. Optical Properties of Solids. Oxford University Press, 2001.

[7] FLIR systems. Bruksanvisning FLIR Cx-serien. FLIR systems, 2015.

[8] Bogren J. & Gustavsson T. & Loman G. Klimat och v¨ ader. Studentlitteratur, 2008.

A Appendix

A.1 Bilder fr˚ an v¨ armekamera

Tabell 2 redovisar bilder tagna under experimentets f¨ orlopp. Komponenteras respektive temperatur i varje bild finns tabellerade i Tabell 3. Var sj¨ atte bild p˚ aminner om vilken bild i ordningen det ¨ ar.

Tabell 2: Bilder fr˚ an v¨ armekameran tagna under experimentets f¨ orlopp

Tabell 2: Bilder fr˚ an v¨ armekameran tagna under experimentets f¨ orlopp

Tabell 2: Bilder fr˚ an v¨ armekameran tagna under experimentets f¨ orlopp

A.2 Tabell

Tabell 3 redovisar komponenteras respektive temperatur i varje bild i Tabell 2.

Tabell 3: Temperaturerna f¨ or komponenterna i respektive bild i Tabell 2 Bild Objekt [ ^◦ C] V¨ agg [ ^◦ C] Botten [ ^◦ C] Toppen [ ^◦ C]

1 54.7 5.5 14.1 20.9

2 51.3 7 14.5 20.8

3 52.4 7.7 14.6 20.7

4 48.6 10.3 15.4 20.7

5 47.6 11.2 15.5 20.8

6 47 13 16.5 20.9

7 44.7 15.1 17.3 21

8 44.4 18.2 18.6 21.3

9 42.5 20.5 19.5 21.7

10 40.9 22.6 20.1 22

11 39.4 24.7 20.7 22.9

12 38.1 26.7 21.1 23.4

13 36.9 28.5 21.5 24

14 35.8 30.4 21.9 24.8

15 33.9 32.1 22.3 25.3

16 33.3 33.2 22.5 25.8

17 33.1 33.7 22.7 26

18 31.6 35.3 23.1 26.5

19 30.1 36.8 23.5 27.2

20 28.7 38.3 23.9 27.8

21 27.5 39.7 24.9 28.5

22 26.5 41 25.3 29.2

23 25.7 42.2 25.6 29.9

24 24.7 43.3 25.9 30.4

25 23.7 44.1 26.1 30.9

26 22.9 44.5 26.2 31

27 21.6 45.5 26.1 31.5

28 20.5 46.4 26.4 32

29 18.9 47.4 26.6 32.5

30 15.9 48.3 26.9 33

31 12.7 49.1 27 33.4

32 10.6 49.9 27.4 33.7

33 8.8 50.7 27.4 34.3

34 8.1 51.4 27.6 34.5

35 7.7 52 27.8 34.9