Tudomány > Fizika > Sugárzás > A fekete test fogalma
Ebben a cikkben a fekete test fogalmát és gyakorlati megvalósítását fogjuk tanulmányozni.
Tökéletesen fekete test:
Tökéletesen fekete testnek nevezzük azt a testet, amely az összes ráeső sugárzó hőt elnyeli. A tökéletesen fekete test abszorpciós együtthatója tehát egyenlő 1. Valójában az ilyen test feketesége annak köszönhető, hogy a ráeső hő egy részét sem veri vissza, sem adja át.
A természetben nem létezik olyan test, amelyet tökéletesen fekete testnek nevezhetnénk. Gyakorlati célokra tökéletesen fekete testnek tekintjük azt a fekete lámpát, amely a ráeső hő közel 98 %-át elnyeli.
A tökéletesen fekete test jellemzői:
- A tökéletesen fekete test elnyeli a ráeső összes sugárzó hőt.
- Az abszorpciós együtthatója számára egyenlő 1.
- Az ilyen test feketesége annak köszönhető, hogy a ráeső hő egy részét sem tükrözi vissza, sem továbbítja. Így a visszaverődési együttható és az áteresztési együttható nulla.
Ferry fekete teste:
Az olyan testet, amely az összes ráeső sugárzó hőt elnyeli, tökéletesen fekete testnek nevezzük.
- Konstrukció: Mesterségesen úgy lehet előállítani, hogy veszünk egy duplafalú, üreges, kis lyukkal ellátott fémgömböt. A gömb belső felületét lámpafeketével bevonják, és a lyukkal ellentétes oldalon egy kúp alakú nyúlványt helyeznek el.
- Működés: A gömbbe ezen a lyukon keresztül belépő sugárzás többszörös visszaverődést szenved. Minden egyes visszaverődés során a beeső sugárzó hő mintegy 98%-át elnyeli a gömb. Ezért a sugárzás néhány visszaverődésen belül teljesen elnyelődik a gömbben. Ily módon a gömb tökéletesen fekete testként viselkedik, amelynek effektív területe megegyezik a lyuk területével.
A fekete test spektruma:
A fekete test minden lehetséges hullámhosszúságú sugárzást kibocsát a nullától a végtelenig. Ezek a sugárzások elektromágneses természetűek. Ezek a sugárzások nem függnek a fekete test felszínének jellegétől, hanem csak az abszolút hőmérsékletétől. A fekete testek sugárzása az elektromágneses hullámok teljes hullámhossz-tartományára kiterjed. Az energia eloszlását ezen a teljes hullámhossz- vagy frekvenciatartományon a fekete test sugárzási spektrumának nevezzük.
A bolométer nevű érzékeny műszert a λ és λ + dλ hullámhosszok közötti energiasűrűség meghatározására használják, A műszer prizmájának forgatásával ezt az energiasűrűséget a hullámhosszok teljes tartományára megtalálják a tökéletesen fekete test állandóan magas hőmérséklete mellett.
Grafikus ábrázolás:
A fekete test spektrumának jellemzői:
- A tökéletesen fekete test sugárzási teljesítménye a hőmérséklet növekedésével nő minden hullámhosszon.
- Minden görbe jellegzetes alakú, és mindegyiknek van egy maximuma, azaz egy adott hullámhossznak megfelelő maximális sugárzási teljesítménye.
- A hőmérséklet növekedésével a maximumok helyzete az ultraibolya tartomány (rövidebb hullámhossz) felé tolódik.
- λm T = Állandó (Wien elmozdulási törvénye)
- Az egyes görbék alatti terület megadja a fekete test egységnyi területre eső összes sugárzási teljesítményét az adott hőmérsékleten, és egyenesen arányos T4-gyel (Stefan törvényének igazolása)
Wien elmozdulási törvénye:
Fekete test esetében az abszolút hőmérséklet és a maximális kisugárzott energiának megfelelő hullámhossz szorzata állandó.
Ezért λm T = Állandó
A Wien elmozdulási törvény állandójának értéke2,898 x 10-3 mK.
A Wien elmozdulási törvény jelentősége:
- Ezt a törvényt a csillagok hőmérsékletének felszínre hozására lehet használni. Ez az egyetlen módszer az égitestek hőmérsékletének meghatározására.
- Ez magyarázza a szilárd anyag színváltozását melegítéskor a tompa vörösről (hosszabb hullámhosszú) a sárgáról (rövidebb hullámhosszú)a fehérre (a látható spektrum minden hullámhossza).
Egyszerű sugárzási korrekció:
A szilárd vagy folyékony anyag fajhőjét a keverékek módszerével határozzuk meg. A szilárd anyagot magas hőmérsékletre melegítjük. Szobahőmérsékletű vizet (vagy folyadékot) tartalmazó kaloriméterbe dobjuk. Végül feljegyzik a keverék maximális hőmérsékletét. Most, ahogy a keverék hőmérséklete emelkedni kezd, a keverék vezetés és sugárzás útján elkezd hőt veszíteni. A vezetés útján történő hőveszteség minimálisra csökkenthető, ha a keveréket rossz hővezető anyaggal, például pamuttal, gyapjúval stb. vesszük körül. A sugárzás útján történő hőveszteséget azonban nem lehet megállítani.
Ezért a keverék maximális hőmérséklete mindig kisebb, mint az a hőmérséklet, amelyet a sugárzás hiányában elérne. Ezt a keverék véghőmérsékletében elvégzendő korrekciót nevezzük sugárzási korrekciónak.
A sugárzási korrekció alkalmazásának módszere:
Egy stopperórát indítunk el abban a pillanatban, amikor a szilárd anyagot a folyadékba dobjuk, és a keverék által a maximális hőmérséklet eléréséhez szükséges t időt θ feljegyezzük.
A keveréket ezután t/2 ideig hagyjuk hűlni. Legyen “θ” a keverék hőmérséklete t / 2 idő elteltével.
Ezután,sugárzási korrekció = Δθ = ½ (θ – θ )
A keverék korrigált maximális hőmérséklete = θ + Δθ
Az üvegházhatás:
A Föld felszíne elnyeli a Nap hőenergiáját és hősugárzás forrásává válik. A sugárzás hullámhossza az infravörös tartományban van. A sugárzás nagy részét elnyelik az üvegházhatású gázok, mint a szén-dioxid, a metán, a dinitrogén-oxid, a klórfluor-szénhidrogének, a troposzféra ózonja. Emiatt a Föld légköre felmelegszik, és a légkör több energiát ad le a Földnek, ami melegebb felszínt eredményez.
A fenti folyamat addig ismétlődik, amíg a sugárzás nem áll rendelkezésre elnyelésre. A Föld felszínének és légkörének ezt a felmelegedését nevezzük üvegházhatásnak. Az üvegházhatás jelentősége abban áll, hogy a Földet melegebben tartja, ami a biológiai sokféleséghez vezet. E hatás hiányában a Föld hőmérséklete -18 °C lenne.
Az emberi tevékenység következtében azonban az üvegházhatású gázok mennyisége gyorsan növekszik, így a Föld melegebbé válik. Ez a növekedés megzavarhatja a növények és állatok életét. A sarkvidéki jég olvadását eredményezheti, ami a tengerek szintjének emelkedéséhez vezethet, elárasztva a part menti régiókat.
Előző téma: Következő téma: Kirchhoff sugárzási törvénye
Következő téma: A sugárzás törvénye: Stefan sugárzási törvénye