Wissenschaft >Physik >Strahlung >Begriff des schwarzen Körpers
In diesem Artikel werden wir den Begriff des schwarzen Körpers und seine Verwirklichung in der Praxis untersuchen.
Perfekt schwarzer Körper:
Ein Körper, der die gesamte auf ihn einfallende Strahlungswärme absorbiert, wird als perfekt schwarzer Körper bezeichnet. Der Absorptionskoeffizient eines vollkommen schwarzen Körpers ist also gleich 1. Die Schwärze eines solchen Körpers ist darauf zurückzuführen, dass er keinen Teil der auf ihn einfallenden Wärme reflektiert oder weiterleitet.
Es gibt in der Natur keinen Körper, der als vollkommen schwarzer Körper bezeichnet werden kann. Für praktische Zwecke wird eine schwarze Lampe, die fast 98 % der auf sie einfallenden Wärme absorbiert, als vollkommen schwarzer Körper betrachtet.
Eigenschaften eines vollkommen schwarzen Körpers:
- Ein vollkommen schwarzer Körper, der die gesamte auf ihn einfallende Strahlungswärme absorbiert.
- Der Absorptionskoeffizient ist gleich 1.
- Die Schwärze eines solchen Körpers ist darauf zurückzuführen, dass er keinen Teil der auf ihn einfallenden Wärme reflektiert oder weiterleitet. Somit sind der Reflexions- und der Transmissionskoeffizient gleich Null.
Ferrys Schwarzer Körper:
Ein Körper, der die gesamte auf ihn einfallende Wärmestrahlung absorbiert, wird als vollkommen schwarzer Körper bezeichnet.
- Konstruktion: Er kann künstlich hergestellt werden, indem man eine doppelwandige, hohle Metallkugel mit einem kleinen Loch nimmt. Die Innenfläche der Kugel ist mit Lampenschwarz beschichtet und hat auf der gegenüberliegenden Seite des Lochs einen konischen Vorsprung.
- Funktionsweise: Die Strahlung, die durch dieses Loch in die Kugel eintritt, wird mehrfach reflektiert. Bei jeder Reflexion werden etwa 98% der einfallenden Strahlungswärme von der Kugel absorbiert. Daher wird die Strahlung innerhalb weniger Reflexionen vollständig von der Kugel absorbiert. Auf diese Weise verhält sich die Kugel wie ein vollkommen schwarzer Körper, dessen effektive Fläche gleich der Fläche des Lochs ist.
Spektrum eines schwarzen Körpers:
Ein schwarzer Körper sendet Strahlungen aller möglichen Wellenlängen von Null bis Unendlich aus. Diese Strahlungen sind elektromagnetischer Natur. Diese Strahlungen hängen nicht von der Beschaffenheit der Oberfläche des schwarzen Körpers ab, sondern nur von seiner absoluten Temperatur. Die Strahlung des schwarzen Körpers erstreckt sich über den gesamten Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Wellen. Die Verteilung der Energie über diesen gesamten Wellenlängen- oder Frequenzbereich wird als Spektrum der Strahlung des Schwarzen Körpers bezeichnet.
Ein empfindliches Instrument, das Bolometer genannt wird, wird verwendet, um die Energiedichte zwischen den Wellenlängen λ und λ + dλ zu ermitteln. Durch Drehen des Prismas des Instruments wird diese Energiedichte für den gesamten Wellenlängenbereich bei einer gleichbleibend hohen Temperatur des vollkommenen Schwarzen Körpers ermittelt.
Graphische Darstellung:
Charakteristika des Spektrums eines schwarzen Körpers:
- Die Strahlungsleistung eines vollkommen schwarzen Körpers nimmt mit der Erhöhung seiner Temperatur für jede Wellenlänge zu.
- Jede Kurve hat eine charakteristische Form und jede von ihnen hat ein Maximum, d.h. eine maximale Strahlungsleistung, die einer bestimmten Wellenlänge entspricht.
- Die Position der Maxima verschiebt sich mit zunehmender Temperatur in Richtung des ultravioletten Bereichs (kürzere Wellenlänge).
- λm T = Konstante (Wiensches Verschiebungsgesetz)
- Die Fläche unter jeder Kurve gibt die gesamte Strahlungsleistung pro Flächeneinheit des schwarzen Körpers bei dieser Temperatur an und ist direkt proportional zu T4 (Verifikation des Stefanschen Gesetzes)
Wiensches Verschiebungsgesetz:
Für einen schwarzen Körper ist das Produkt aus seiner absoluten Temperatur und der Wellenlänge, die der maximalen Abstrahlung von Energie entspricht, konstant.
Daher gilt λm T = Konstante
Der Wert der Konstante des Wien’schen Verschiebungsgesetzes ist2,898 x 10-3 mK.
Bedeutung des Wien’schen Verschiebungsgesetzes:
- Dieses Gesetz kann zur Bestimmung der Temperatur von Sternen verwendet werden. Es ist die einzige Methode, um die Temperatur von Himmelskörpern zu bestimmen.
- Es erklärt den Farbwechsel eines Festkörpers beim Erhitzen von stumpfem Rot (längere Wellenlänge) über Gelb (kürzere Wellenlänge) bis hin zu Weiß (alle Wellenlängen des sichtbaren Spektrums).
Einfache Strahlungskorrektur:
Die spezifische Wärme eines Festkörpers oder einer Flüssigkeit wird durch die Methode der Mischungen bestimmt. Der Feststoff wird auf eine hohe Temperatur erhitzt. Er wird in ein Kalorimeter mit Wasser (oder Flüssigkeit) bei Raumtemperatur fallen gelassen. Anschließend wird die Höchsttemperatur des Gemischs notiert. Wenn nun die Temperatur des Gemischs ansteigt, beginnt das Gemisch, Wärme durch Leitung und Strahlung zu verlieren. Der Wärmeverlust durch Wärmeleitung kann minimiert werden, indem das Gemisch von einem schlechten Wärmeleiter wie Baumwolle, Wolle usw. umgeben wird. Der Wärmeverlust durch Strahlung kann jedoch nicht gestoppt werden.
Die Höchsttemperatur des Gemischs ist daher immer niedriger als die Temperatur, die es ohne Strahlung erreichen würde. Diese Korrektur der Endtemperatur des Gemisches wird Strahlungskorrektur genannt.
Methode zur Anwendung der Strahlungskorrektur:
Eine Stoppuhr wird in dem Moment gestartet, in dem der Feststoff in die Flüssigkeit fällt, und die Zeit t, die das Gemisch braucht, um die maximale Temperatur zu erreichen, wird θ notiert.
Das Gemisch wird dann für die Zeit t / 2 abkühlen gelassen. Sei θ die Temperatur des Gemisches nach der Zeit t / 2.
Dann ist die Strahlungskorrektur = Δθ = ½ (θ – θ )
Die korrigierte Maximaltemperatur des Gemisches = θ + Δθ
Treibhauseffekt:
Die Erdoberfläche absorbiert Wärmeenergie von der Sonne und wird zu einer Quelle von Wärmestrahlung. Die Wellenlänge der Strahlung liegt im Infrarotbereich. Ein großer Teil der Strahlung wird von Treibhausgasen wie Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid, Fluorchlorkohlenwasserstoffen und troposphärischem Ozon absorbiert. Dadurch heizt sich die Erdatmosphäre auf, und die Atmosphäre gibt mehr Energie an die Erde ab, was zu einer wärmeren Oberfläche führt.
Der oben beschriebene Prozess wiederholt sich, bis keine Strahlung mehr zur Absorption zur Verfügung steht. Diese Erwärmung der Erdoberfläche und der Erdatmosphäre wird als Treibhauseffekt bezeichnet. Die Bedeutung des Treibhauseffekts besteht darin, dass er die Erde wärmer hält, was zur Artenvielfalt führt. Ohne diesen Effekt läge die Temperatur der Erde bei -18° C.
Aber aufgrund menschlicher Aktivitäten steigt die Menge der Treibhausgase rapide an, wodurch sich die Erde erwärmt. Dieser Anstieg kann das Leben von Pflanzen und Tieren stören. Er kann zum Schmelzen des Eises in den Polarregionen führen, was einen Anstieg des Meeresspiegels zur Folge haben kann, der die Küstenregionen überflutet.
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