Ciencia > Física > Radiación >Concepto de cuerpo negro
En este artículo estudiaremos el concepto de cuerpo negro y su realización en la práctica.
Cuerpo perfectamente negro:
Un cuerpo que absorbe todo el calor radiante que incide sobre él se denomina cuerpo perfectamente negro. Así, el coeficiente de absorción de un cuerpo perfectamente negro es igual a 1. De hecho, la negrura de dicho cuerpo se debe a que no refleja ni transmite ninguna parte del calor que incide sobre él.
No existe ningún cuerpo en la naturaleza que pueda llamarse cuerpo perfectamente negro. A efectos prácticos, una lámpara negra que absorbe casi el 98% del calor que incide sobre ella se considera un cuerpo perfectamente negro.
Características del cuerpo perfectamente negro:
- Un cuerpo perfectamente negro que absorbe todo el calor radiante que incide sobre él.
- El coeficiente de absorción para él es igual a 1.
- La negrura de tal cuerpo se debe a que no refleja ni transmite ninguna parte del calor que incide sobre él. Por lo tanto, el coeficiente de reflexión y el coeficiente de transmisión son cero.
Cuerpo negro de Ferry:
Un cuerpo que absorbe todo el calor radiante que incide sobre él se llama cuerpo perfectamente negro.
- Construcción: Se puede construir artificialmente tomando una esfera metálica hueca de doble pared que tenga un pequeño agujero. La superficie interior de la esfera está recubierta de negro de humo y tiene un saliente cónico en el lado opuesto del agujero.
- Funcionamiento: La radiación que entra en la esfera a través de este agujero sufre múltiples reflexiones. Durante cada reflexión, aproximadamente el 98% del calor radiante incidente es absorbido por la esfera. Por lo tanto, la radiación es completamente absorbida por la esfera en unas pocas reflexiones. De este modo, la esfera actúa como un cuerpo perfectamente negro cuya área efectiva es igual al área del agujero.
Espectro de un cuerpo negro:
Un cuerpo negro emite radiaciones de todas las longitudes de onda posibles desde el cero hasta el infinito. Estas radiaciones son de naturaleza electromagnética. Estas radiaciones no dependen de la naturaleza de la superficie del cuerpo negro, sino que dependen únicamente de su temperatura absoluta. Las radiaciones del cuerpo negro se extienden por toda la gama de longitudes de onda de las ondas electromagnéticas. La distribución de energía en todo este rango de longitud de onda o frecuencia se conoce como el espectro de radiación del cuerpo negro.
Un instrumento sensible llamado bolómetro se utiliza para encontrar la densidad de energía entre las longitudes de onda λ y λ + dλ, Al girar el prisma del instrumento se encuentra esta densidad de energía para todo el rango de longitudes de onda a una temperatura constante del cuerpo negro.
Representación gráfica:
Características del espectro de un cuerpo negro:
- La potencia emisiva de un cuerpo perfectamente negro aumenta con el aumento de su temperatura para cada longitud de onda.
- Cada curva tiene una forma característica y cada una de ellas tiene un máximo, es decir, la máxima potencia emisiva correspondiente a una determinada longitud de onda.
- La posición de los máximos se desplaza hacia la región ultravioleta (longitud de onda más corta) con un aumento de la temperatura.
- λm T = Constante (Ley de desplazamiento de Wien)
- El área bajo cada curva da la potencia radiante total por unidad de superficie del cuerpo negro a esa temperatura y es directamente proporcional a T4 (Verificación de la ley de Stefan)
Ley de desplazamiento de Wien:
Para un cuerpo negro, el producto de su temperatura absoluta y la longitud de onda correspondiente a la máxima radiación de energía es constante.
Por tanto, λm T = Constante
El valor de la constante de la ley de desplazamiento de Wien es de2,898 x 10-3 mK.
Significado de la ley de desplazamiento de Wien:
- Esta ley puede utilizarse para determinar la temperatura de las estrellas. Es el único método para determinar la temperatura de los cuerpos celestes.
- Explica el cambio de color en el sólido al calentarlo desde el rojo apagado (longitud de onda más larga) hasta el amarillo (longitud de onda más corta)y el blanco (todas las longitudes de onda del espectro visible).
Corrección simple de la radiación:
El calor específico de un sólido o líquido se determina por el método de las mezclas. El sólido se calienta a una temperatura elevada. Se deja caer en un calorímetro que contiene agua (o líquido) a temperatura ambiente. Finalmente, se anota la temperatura máxima de la mezcla. Ahora, cuando la temperatura de la mezcla empieza a aumentar, la mezcla empieza a perder calor por conducción y radiación. La pérdida de calor por conducción se puede minimizar rodeando la mezcla con un mal conductor del calor como el algodón, la lana, etc. Sin embargo, la pérdida de calor por radiación no puede detenerse.
Por tanto, la temperatura máxima de la mezcla es siempre inferior a la que alcanzaría si no hubiera radiación. Esta corrección a realizar en la temperatura final de la mezcla se denomina corrección por radiación.
Método de aplicación de la corrección por radiación:
Se pone en marcha un cronómetro en el momento en que se deja caer el sólido en el líquido y se anota el tiempo t que tarda la mezcla en alcanzar la temperatura máxima.
A continuación se deja enfriar la mezcla durante el tiempo t / 2. Sea ‘θ’ la temperatura de la mezcla después del tiempo t / 2.
Entonces, la corrección de la radiación = Δθ = ½ (θ – θ )
La temperatura máxima corregida de la mezcla = θ + Δθ
Efecto invernadero:
La superficie de la Tierra absorbe energía térmica del sol y se convierte en una fuente de radiación térmica. La longitud de onda de la radiación se encuentra en la región infrarroja. Una gran parte de la radiación es absorbida por los gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso, los clorofluorocarbonos y el ozono de la troposfera. Debido a esto la atmósfera de la tierra se calienta y la atmósfera da más energía a la tierra resultando en una superficie más caliente.
El proceso anterior se repite hasta que no hay radiaciones disponibles para la absorción. Este calentamiento de la superficie y la atmósfera de la tierra se denomina efecto invernadero. La importancia del efecto invernadero es que mantiene la tierra más caliente, lo que conduce a la biodiversidad. En ausencia de este efecto, la temperatura de la tierra sería de -18° C.
Pero debido a las actividades humanas, las cantidades de gases de efecto invernadero están aumentando rápidamente haciendo que la tierra sea más cálida. Este aumento puede perturbar la vida de las plantas y los animales. Puede provocar el derretimiento del hielo en las regiones polares, lo que puede llevar a un aumento del nivel del mar que sumerja las regiones costeras.
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