A fekete test fogalma

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

Tudomány > Fizika > Sugárzás > A fekete test fogalma

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.