Věda >Fyzika >Záření >Pojmem černého tělesa
V tomto článku se budeme zabývat pojmem černého tělesa a jeho realizací v praxi.
Dokonale černé těleso:
Těleso, které pohlcuje veškeré sálavé teplo, jež na něj dopadá, se nazývá dokonale černé těleso. Koeficient pohltivosti dokonale černého tělesa je tedy roven 1. Ve skutečnosti je černost takového tělesa způsobena tím, že neodráží ani nepropouští žádnou část tepla, které na něj dopadá.
V přírodě neexistuje těleso, které bychom mohli nazvat dokonale černým tělesem. Pro praktické účely se za dokonale černé těleso považuje lampa černé barvy, která pohlcuje téměř 98 % tepla na ni dopadajícího.
Charakteristika dokonale černého tělesa:
- Dokonale černé těleso, které pohlcuje veškeré sálavé teplo na něj dopadající.
- Koeficient absorpce je pro něj roven 1.
- Černost takového tělesa je způsobena tím, že neodráží ani nepropouští žádnou část tepla, které na něj dopadá. Součinitel odrazu a součinitel prostupu jsou tedy nulové.
Ferryho černé těleso:
Těleso, kterépohltí veškeré sálavé teplo na něj dopadající, se nazývá dokonale černé těleso.
- Konstrukce: Lze jej uměle sestrojit tak, že se vezme dvoustěnná dutá kovová koule s malým otvorem. Vnitřní povrch koule je potažen černou barvou lampy a na opačné straně otvoru má kuželovitý výstupek.
- Pracuje: Záření, které tímto otvorem vstupuje do koule, trpí mnohonásobnými odrazy. Při každém odrazu je přibližně 98 % dopadajícího zářivého tepla pohlceno koulí. Záření je tedy koulí zcela pohlceno během několika odrazů. Koule se tak chová jako dokonale černé těleso, jehož efektivní plocha je rovna ploše otvoru.
Spektrum černého tělesa:
Černé těleso vyzařuje záření všech možných vlnových délek od nuly do nekonečna. Tato záření jsou elektromagnetické povahy. Toto záření nezávisí na povaze povrchu černého tělesa, ale závisí pouze na jeho absolutní teplotě. Záření černého tělesa se rozprostírá v celém rozsahu vlnových délek elektromagnetických vln. Rozložení energie v celém tomto rozsahu vlnových délek nebo frekvencí se nazývá spektrum záření černého tělesa.
K zjištění hustoty energie mezi vlnovými délkami λ a λ + dλ se používá citlivý přístroj zvaný bolometr, Otáčením hranolu přístroje se tato hustota energie zjistí pro celý rozsah vlnových délek při konstantnívysoké teplotě dokonale černého tělesa.
Grafické znázornění:
Charakteristiky spektra černého tělesa:
- Emisní výkon dokonale černého tělesa roste s růstem jeho teploty pro každou vlnovou délku.
- Každá křivka má charakteristický tvar a každá z nich má maximum, tj. maximální emisní výkon odpovídající určité vlnové délce.
- Poloha maxim se s rostoucí teplotou posouvá směrem k ultrafialové oblasti (kratší vlnová délka).
- λm T = konstanta (Wienův zákon posunu)
- Plocha pod každou křivkou udává celkový zářivý výkon na jednotku plochy černého tělesa při dané teplotě a je přímo úměrná T4 (Ověření Stefanova zákona)
Wienův zákon posunu:
Pro černé těleso je součin jeho absolutní teploty a vlnové délky odpovídajícímaximálnímu vyzáření energie konstantní.
Takže λm T = konstanta
Veličina konstanty Wienova zákona posunutí je2,898 x 10-3 mK.
Význam Wienova zákona posunutí:
- Tento zákon lze použít pro povrchovou teplotu hvězd. Je to jediná metoda, kterou lze určit teplotu nebeských těles.
- Vysvětluje změnu barvy pevné látky při zahřívání z matně červené (delší vlnová délka) na žlutou (kratší vlnová délka)až bílou (všechny vlnové délky viditelného spektra).
Jednoduchá korekce záření:
Měrné teplo pevné látky nebo kapaliny se určuje metodou směsí. Pevná látka se zahřeje na vysokou teplotu. Spustí se do kalorimetru obsahujícího vodu (nebo kapalinu) o pokojové teplotě. Nakonec se zaznamená maximální teplota směsi. Nyní, když se teplota směsi začne zvyšovat, začne směs ztrácet teplo vedením a sáláním. Ztráty tepla vedením lze minimalizovat obklopením směsi špatným vodičem tepla, jako je bavlna, vlna apod. Ztráty tepla sáláním však zastavit nelze.
Maximální teplota směsi je proto vždy nižší než teplota, které by dosáhla, kdyby sálání neexistovalo. Tato korekce, kterou je třeba provést v konečnéteplotě směsi, se nazývá radiační korekce.
Způsob použití radiační korekce:
V okamžiku vhození pevné látky do kapaliny se spustí stopky a zaznamená se čas t, za který směs dosáhne maximální teploty.
Směs se poté nechá vychladnout po dobu t / 2. Poté se provede korekce teploty směsi. Nechť „θ“ je teplota směsi po čase t / 2.
Poté,korekce záření = Δθ = ½ (θ – θ )
Korigovaná maximální teplota směsi = θ + Δθ
Skleníkový efekt:
Povrch Země absorbuje tepelnou energii ze Slunce a stává se zdrojem tepelného záření. Vlnová délka tohoto záření leží v infračervené oblasti. Velkou část záření pohlcují skleníkové plyny, jako je oxid uhličitý, metan, oxid dusný, chlorofluorouhlovodíky, troposférický ozon. Díky tomu se zemská atmosféra zahřívá a atmosféra předává Zemi více energie, což má za následek teplejší povrch.
Výše uvedený proces se opakuje, dokud není k dispozici žádné záření, které by bylo možné absorbovat. Toto zahřívání povrchu a atmosféry Země se nazývá skleníkový efekt. Význam skleníkového efektu spočívá v tom, že udržuje Zemi teplejší, což vede k biodiverzitě. Kdyby tento efekt neexistoval, byla by teplota Země -18 °C.
V důsledku lidské činnosti se však množství skleníkových plynů rychle zvyšuje a Země se tak otepluje. Tento nárůst může narušit život rostlin a živočichů. Může mít za následek tání ledu v polárních oblastech, což může vést ke zvýšení hladiny moří, které zatopí pobřežní oblasti.
Předchozí téma: Kirchhoffův zákon o záření
Další téma: Stefanův zákon záření