Tiede > Fysiikka > Säteily > Mustan ruumiin käsite
Tässä artikkelissa tutkitaan mustan ruumiin käsitettä ja sen toteuttamista käytännössä:
Kappaletta, joka absorboi kaiken siihen kohdistuvan säteilylämmön, kutsutaan täydellisen mustaksi kappaleeksi. Täysin mustan kappaleen absorptiokerroin on siis yhtä suuri kuin 1. Itse asiassa tällaisen kappaleen mustuus johtuu siitä, että se ei heijasta tai läpäise yhtään osaa siihen osuvasta lämmöstä.
Luonnossa ei ole yhtään kappaletta, jota voitaisiin kutsua täydellisen mustaksi kappaleeksi. Käytännön syistä lampun mustaa, joka absorboi lähes 98 % siihen kohdistuvasta lämmöstä, pidetään täydellisen mustana kappaleena.
Täydellisen mustan kappaleen ominaisuudet:
- Täydellisen musta kappale, joka absorboi kaiken siihen kohdistuvan säteilylämmön.
- Sen absorptiokerroin on yhtä suuri kuin 1.
- Tällaisen kappaleen mustuus johtuu siitä, että se ei heijasta tai lähetä mitään osaa siihen osuvasta lämmöstä. Näin ollen heijastus- ja läpäisykerroin ovat nolla.
Ferryn musta kappale:
Kappaletta, jokaabsorboi kaiken siihen osuvan säteilylämmön, kutsutaan täydellisen mustaksi kappaleeksi.
- Rakenne: Se voidaan valmistaa keinotekoisesti ottamalla kaksiseinäinen, ontto metallipallo, jossa on pieni reikä. Pallon sisäpinta on päällystetty lampunmustalla ja siinä on kartiomainen uloke reiän vastakkaisella puolella.
- Toiminta: Tämän reiän kautta palloon tuleva säteily kärsii moninkertaisia heijastuksia. Jokaisen heijastuksen aikana noin 98 % osuvasta säteilylämmöstä absorboituu palloon. Näin ollen säteily absorboituu kokonaan palloon muutamassa heijastuksessa. Näin pallo toimii täydellisesti mustana kappaleena, jonka tehollinen pinta-ala on yhtä suuri kuin reiän pinta-ala.
Mustan kappaleen spektri:
Musta kappale säteilee säteilyä kaikilla mahdollisilla aallonpituuksilla nollasta äärettömään. Nämä säteilyt ovat luonteeltaan sähkömagneettisia. Nämä säteilyt eivät riipu mustan kappaleen pinnan luonteesta vaan ainoastaan sen absoluuttisesta lämpötilasta. Mustan kappaleen säteily ulottuu sähkömagneettisten aaltojen koko aallonpituusalueelle. Energian jakautumista tälle koko aallonpituus- tai taajuusalueelle kutsutaan mustan kappaleen säteilyspektriksi.
Bolometri-nimistä herkkää mittalaitetta käytetään energiatiheyden määrittämiseen aallonpituuksien λ ja λ + dλ väliltä, Pyörittämällä mittalaitteen prismaa tämä energiatiheys löydetään kaikilta aallonpituuksilta täydellisen mustan kappaleen vakiolämpötilassa.
Grafinen esitys:
Mustan kappaleen spektrin ominaispiirteet:
- Täydellisen mustan kappaleen emissioteho kasvaa lämpötilan kasvaessa jokaisella aallonpituudella.
- Jokainen käyrä on ominaismuotoinen, ja kullakin käyrästöllä on maksimi eli tiettyä aallonpituutta vastaava emissiotehon maksimi.
- Lämpötilan kasvaessa maksimien sijainti siirtyy kohti ultraviolettialuetta (lyhyempi aallonpituus).
- λm T = Vakio (Wienin siirtolaki)
- Kunkin käyrän alapuolella oleva pinta-ala antaa mustan kappaleen kokonaissäteilytehon pinta-alayksikköä kohti kyseisessä lämpötilassa, ja se on suoraan verrannollinen T4:ään (Stefanin lain verifiointi)
Wienin siirtolaki:
Mustan kappaleen absoluuttisen lämpötilan ja maksimissaan säteilevälle energiasäteilyn aallonpituuden tulon tulo pysyvyys.
Siten λm T = Vakio
Wienin siirtymälain vakion arvo on2,898 x 10-3 mK.
Wienin siirtymälain merkitys:
- Tämän lain avulla voidaan pintalämpötilaa tähdissä. Tämä on ainoa menetelmä taivaankappaleiden lämpötilan määrittämiseksi.
- Se selittää kiinteän aineen värimuutoksen kuumentuessa himmeästä punaisesta (pidempi aallonpituus) keltaiseen (lyhyempi aallonpituus)valkoiseen (kaikki näkyvän spektrin aallonpituudet).
Yksinkertainen säteilykorjaus:
Kiinteän tai nestemäisen aineen ominaislämpö määritetään sekoitusmenetelmällä. Kiinteä aine kuumennetaan korkeaan lämpötilaan. Se pudotetaan kalorimetriin, joka sisältää huoneenlämpöistä vettä (tai nestettä). Lopuksi todetaan seoksen maksimilämpötila. Nyt kun seoksen lämpötila alkaa nousta, seos alkaa menettää lämpöä johtumalla ja säteilemällä. Johtumalla tapahtuva lämpöhäviö voidaan minimoida ympäröimällä seos huonosti lämpöä johtavalla materiaalilla, kuten puuvillalla, villalla jne. Säteilyllä tapahtuvaa lämpöhäviötä ei kuitenkaan voida pysäyttää.
Siten seoksen maksimilämpötila on aina pienempi kuin lämpötila, jonka se saavuttaisi, jos säteilyä ei esiintyisi. Tätä seoksen loppulämpötilaan tehtävää korjausta kutsutaan säteilykorjaukseksi.
Säteilykorjauksen soveltamismenetelmä:
Sekuntikello käynnistetään sillä hetkellä, kun kiinteä aine pudotetaan nesteeseen, ja merkitään muistiin aika t, jonka seos tarvitsee saavuttaakseen maksimilämpötilan.
Seoksen annetaan sen jälkeen jäähtyä ajan t / 2. Olkoon ’θ’ seoksen lämpötila ajan t / 2 jälkeen.
Tällöin säteilyn korjaus = Δθ = ½ (θ – θ )
Säteilyn korjattu maksimilämpötila = θ + Δθ
Kasvihuoneilmiö:
Maailman pinta imee lämpöenergiaa auringosta ja siitä tulee lämpösäteilyn lähde. Säteilyn aallonpituus on infrapuna-alueella. Suuri osa säteilystä absorboituu kasvihuonekaasuihin, kuten hiilidioksidiin, metaaniin, dityppioksidiin, kloorifluorihiilivetyihin ja troposfäärin otsoniin. Tämän vuoksi maapallon ilmakehä lämpenee ja ilmakehä luovuttaa enemmän energiaa maapallolle, mikä johtaa lämpimämpään pintaan.
Edellä mainittu prosessi toistuu niin kauan, kunnes säteilyä ei ole enää saatavilla absorboitavaksi. Tätä maan pinnan ja ilmakehän lämpenemistä kutsutaan kasvihuoneilmiöksi. Kasvihuoneilmiön merkitys on siinä, että se pitää maapallon lämpimämpänä, mikä johtaa luonnon monimuotoisuuteen. Ilman tätä vaikutusta maapallon lämpötila olisi -18 celsiusastetta.
Mutta ihmisen toiminnan vuoksi kasvihuonekaasujen määrät kasvavat nopeasti, mikä lämmittää maapalloa. Tämä lisääntyminen voi häiritä kasvien ja eläinten elämää. Se voi johtaa jään sulamiseen napa-alueilla, mikä voi johtaa merenpinnan nousuun, jolloin rannikkoalueet jäävät veden alle.
Edellinen aihe: Kirkhoffin säteilylaki
Seuraava aihe: Stefanin säteilylaki