Videnskab > Fysik > Stråling > Begrebet sort krop
I denne artikel skal vi studere begrebet sort krop og dens realisering i praksis.
Perfekt sort krop:
Et legeme, der absorberer al den strålevarme, der falder på det, kaldes et perfekt sort legeme. Absorptionskoefficienten for et perfekt sort legeme er således lig med 1. Faktisk skyldes et sådant legemes sorthed, at det ikke reflekterer eller transmitterer nogen del af den varme, der rammer det.
Der findes ikke noget legeme i naturen, som kan kaldes et perfekt sort legeme. I praktisk øjemed betragtes en sort lampe, som absorberer næsten 98 % af den varme, der falder på den, som et perfekt sort legeme.
Karakteristika ved et perfekt sort legeme:
- Et perfekt sort legeme, som absorberer al den strålevarme, der falder på det.
- Absorptionskoefficienten for det er lig med 1.
- Et sådant legemes sorthed skyldes, at det ikke reflekterer eller transmitterer nogen del af den varme, der falder ind på det. Refleksionskoefficienten og transmissionskoefficienten er således nul.
Ferrys sorte legeme:
Et legeme, der absorberer al den strålevarme, der falder ind på det, kaldes et perfekt sort legeme.
- Konstruktion: Den kan konstrueres kunstigt ved at tage en dobbeltvægget, hul metalkugle med et lille hul. Kuglens indvendige overflade er belagt med lampesort, og den har et konisk fremspring på den modsatte side af hullet.
- Funktion: Den stråling, der kommer ind i kuglen gennem dette hul, udsættes for flere refleksioner. Under hver refleksion absorberes ca. 98% af den indfaldende strålevarme af kuglen. Derfor absorberes strålingen fuldstændigt af kuglen inden for få refleksioner. På denne måde fungerer kuglen som et perfekt sort legeme, hvis effektive areal er lig med hullets areal.
Spektrum af et sort legeme:
Et sort legeme udsender stråling af alle mulige bølgelængder fra nul til uendeligt. Disse stråler er af elektromagnetisk karakter. Disse stråler afhænger ikke af arten af det sorte legemes overflade, men afhænger kun af dets absolutte temperatur. Strålingerne fra det sorte legeme strækker sig over hele bølgelængdeområdet for elektromagnetiske bølger. Fordelingen af energi over hele dette bølgelængde- eller frekvensområde er kendt som det sorte legemes strålingsspektrum.
Et følsomt instrument kaldet bolometer anvendes til at finde energitætheden mellem bølgelængderne λ og λ + dλ. Ved at rotere instrumentets prisme findes denne energitæthed for hele bølgelængdeområdet ved en konstanthøj temperatur for det perfekt sorte legeme.
Grafisk fremstilling:
Karakteristika ved et sort legemes spektrum:
- Emissionseffekten af et perfekt sort legeme stiger med en stigning i dets temperatur for hver bølgelængde.
- Hver kurve har en karakteristisk form, og hver af dem har et maksimum, dvs. maksimal emissionseffekt svarende til en bestemt bølgelængde.
- Positionen af maksima skifter i retning af det ultraviolette område (kortere bølgelængde) med en stigning i temperaturen.
- λm T = Konstant (Wiens forskydningslov)
- Arealet under hver kurve giver den samlede strålingseffekt pr. arealenhed af det sorte legeme ved den pågældende temperatur, og det er direkte proportionalt med T4 (Verifikation af Stefans lov)
Wiens forskydningslov:
For et sort legeme er produktet af dets absolutte temperatur og den bølgelængde, der svarer til den maksimale udstråling af energi, konstant.
Dermed er λm T = konstant
Værdien af konstanten i Wien’s forskydningslov er2,898 x 10-3 mK.
Betydning af Wien’s forskydningslov:
- Denne lov kan bruges til at overfladisk bestemme temperaturen i stjerner. Det er den eneste metode til at bestemme temperaturen på himmellegemer.
- Det forklarer farveændringen i faste stoffer ved opvarmning fra matrød (længere bølgelængde) til gul (kortere bølgelængde)til hvid (alle bølgelængder i det synlige spektrum).
Enkle strålingskorrektion:
Den specifikke varme for et fast stof eller en væske bestemmes ved hjælp af blandingsmetoden. Det faste stof opvarmes til en høj temperatur. Det tabes i et kalorimeter, der indeholder vand (eller væske) ved stuetemperatur. Til sidst noteres blandingens maksimale temperatur. Efterhånden som blandingens temperatur begynder at stige, begynder blandingen at miste varme ved ledning og stråling. Tab af varme ved ledning kan minimeres ved at omgive blandingen med en dårlig varmekonduktor som bomuld, uld osv. Men varmetabet ved stråling kan ikke stoppes.
Derfor er blandingens maksimale temperatur altid lavere end den temperatur, den ville nå, hvis der ikke var nogen stråling. Denne korrektion, der skal foretages i blandingens sluttemperatur, kaldes strålingskorrektion.
Metode til anvendelse af strålingskorrektion:
Et stopur startes i det øjeblik, hvor det faste stof falder ned i væsken, og den tid t, det tager blandingen at nå den maksimale temperatur, noteres θ.
Blandingen får derefter lov til at afkøle i tiden t / 2. Lad “θ” være blandingens temperatur efter tiden t / 2.
Derpå er strålingskorrektion = Δθ = ½ (θ – θ )
Den korrigerede maksimale temperatur for blandingen = θ + Δθ
Drivhuseffekt:
Jordoverfladen absorberer varmeenergi fra solen og bliver en kilde til varmestråling. Bølgelængden af denne stråling ligger i det infrarøde område. En stor del af strålingen absorberes af drivhusgasser som kuldioxid, metan, lattergas, chlorfluorcarboner og troposfærens ozon. Som følge heraf opvarmes jordens atmosfære, og atmosfæren afgiver mere energi til jorden, hvilket resulterer i en varmere overflade.
Overstående proces gentager sig, indtil der ikke er nogen stråling til rådighed til absorption. Denne opvarmning af jordens overflade og atmosfære kaldes drivhuseffekten. Betydningen af drivhuseffekten er, at den holder jorden varmere, hvilket fører til biodiversitet. Uden denne effekt ville temperaturen på jorden være -18° C.
Men på grund af menneskelige aktiviteter stiger mængden af drivhusgasser hurtigt, hvilket gør jorden varmere. Denne stigning kan forstyrre planternes og dyrenes liv. Det kan resultere i, at isen i polarområderne smelter, hvilket kan føre til en stigning i havniveauet, som kan sætte kystområderne under vand.
Præcedent emne: Kirchhoff’s strålingslov
Næste emne: Stefan’s strålingslov