Scienza > Fisica > Radiazione > Concetto di corpo nero
In questo articolo, studieremo il concetto di corpo nero e la sua realizzazione nella pratica.
Corpo perfettamente nero:
Un corpo che assorbe tutto il calore radiante incidente su di esso è chiamato un corpo perfettamente nero. Così il coefficiente di assorbimento di un corpo perfettamente nero è uguale a 1. Infatti, il nero di un tale corpo è dovuto al fatto che non riflette o trasmette alcuna parte del calore incidente su di esso.
Nessun corpo esiste in natura, che può essere chiamato un corpo perfettamente nero. Per scopi pratici, la lampada nera che assorbe quasi il 98% del calore incidente su di essa è considerata un corpo perfettamente nero.
Caratteristiche del corpo perfettamente nero:
- Un corpo perfettamente nero che assorbe tutto il calore radiante incidente su di esso.
- Il coefficiente di assorbimento per esso è uguale a 1.
- Il nero di un tale corpo è dovuto al fatto che non riflette o trasmette alcuna parte del calore incidente su di esso. Così il coefficiente di riflessione e il coefficiente di trasmissione sono zero.
Corpo nero di Jerry:
Un corpo che assorbe tutto il calore radiante incidente su di esso è chiamato un corpo perfettamente nero.
- Costruzione: Può essere costruito artificialmente prendendo una sfera metallica cava a doppia parete con un piccolo foro. La superficie interna della sfera è rivestita di nerofumo e ha una proiezione conica sul lato opposto del foro.
- Funzionamento: La radiazione che entra nella sfera attraverso questo foro subisce riflessioni multiple. Durante ogni riflessione, circa il 98% del calore radiante incidente viene assorbito dalla sfera. Quindi la radiazione è completamente assorbita dalla sfera entro poche riflessioni. In questo modo, la sfera si comporta come un corpo perfettamente nero la cui area effettiva è uguale all’area del foro.
Spettro di un corpo nero:
Un corpo nero emette radiazioni di tutte le possibili lunghezze d’onda da zero a infinito. Queste radiazioni sono di natura elettromagnetica. Queste radiazioni non dipendono dalla natura della superficie del corpo nero, ma dipendono solo dalla sua temperatura assoluta. Le radiazioni del corpo nero si estendono su tutta la gamma di lunghezze d’onda delle onde elettromagnetiche. La distribuzione dell’energia su questa intera gamma di lunghezza d’onda o frequenza è conosciuta come lo spettro di radiazione del corpo nero.
Uno strumento sensibile chiamato bolometro è usato per trovare la densità di energia tra le lunghezze d’onda λ e λ + dλ, ruotando il prisma dello strumento questa densità di energia è trovata per tutta la gamma di lunghezze d’onda ad una temperatura costantelevata del corpo perfettamente nero.
Rappresentazione grafica:
Caratteristiche dello spettro di un corpo nero:
- La potenza emissiva di un corpo perfettamente nero aumenta all’aumentare della sua temperatura per ogni lunghezza d’onda.
- Ogni curva ha forma caratteristica e ciascuna di esse ha un massimo, cioè la massima potenza emissiva corrispondente a una certa lunghezza d’onda.
- La posizione dei massimi si sposta verso la regione ultravioletta (lunghezza d’onda più corta) con un aumento della temperatura.
- λm T = Costante (legge dello spostamento di Wien)
- L’area sotto ogni curva dà la potenza radiante totale per unità di area del corpo nero a quella temperatura ed è direttamente proporzionale a T4 (Verifica della legge di Stefan)
La legge dello spostamento di Wien:
Per un corpo nero, il prodotto della sua temperatura assoluta e la lunghezza d’onda corrispondente alla massima radiazione di energia è costante.
Quindi, λm T = Costante
Il valore della costante della legge di spostamento di Wien è2,898 x 10-3 mK.
Significato della legge di spostamento di Wien:
- Questa legge può essere utilizzata per la superficie della temperatura delle stelle. Questo è l’unico metodo per determinare la temperatura dei corpi celesti.
- Spiega il cambiamento di colore in un solido al riscaldamento dal rosso spento (lunghezza d’onda più lunga) al giallo (lunghezza d’onda più corta) al bianco (tutte le lunghezze d’onda dello spettro visibile).
Correzione della radiazione semplice:
Il calore specifico di un solido o liquido è determinato dal metodo delle miscele. Il solido viene riscaldato a una temperatura elevata. Viene fatto cadere in un calorimetro contenente acqua (o liquido) a temperatura ambiente. Infine, si nota la temperatura massima della miscela. Ora, quando la temperatura della miscela comincia ad aumentare, la miscela comincia a perdere calore per conduzione e radiazione. La perdita di calore per conduzione può essere minimizzata circondando la miscela con un cattivo conduttore di calore come il cotone, la lana, ecc. Tuttavia, la perdita di calore per radiazione non può essere fermata.
Pertanto la temperatura massima della miscela è sempre inferiore alla temperatura che raggiungerebbe se la radiazione fosse assente. Questa correzione da fare nella temperatura finale della miscela è chiamata correzione della radiazione.
Metodo di applicare la correzione della radiazione:
Un cronometro viene avviato nel momento in cui il solido viene lasciato cadere nel liquido e il tempo t impiegato dalla miscela per raggiungere la temperatura massima è θ annotato.
La miscela viene poi lasciata raffreddare per il tempo t / 2. Sia ‘θ’ la temperatura della miscela dopo il tempo t / 2.
Allora, la correzione della radiazione = Δθ = ½ (θ – θ )
La temperatura massima corretta della miscela = θ + Δθ
Effetto serra:
La superficie della Terra assorbe energia termica dal sole e diventa una fonte di radiazione termica. La lunghezza d’onda della radiazione si trova nella regione dell’infrarosso. Gran parte della radiazione viene assorbita dai gas serra come l’anidride carbonica, il metano, il protossido di azoto, i clorofluorocarburi e l’ozono troposferico. A causa di ciò l’atmosfera della terra si riscalda e l’atmosfera dà più energia alla terra risultando in una superficie più calda.
Il processo di cui sopra si ripete finché non ci sono più radiazioni disponibili per l’assorbimento. Questo riscaldamento della superficie e dell’atmosfera della terra è chiamato effetto serra. L’importanza dell’effetto serra è che mantiene la terra più calda, il che porta alla biodiversità. In assenza di questo effetto la temperatura della terra sarebbe di -18° C.
Ma a causa delle attività umane, le quantità di gas serra stanno aumentando rapidamente rendendo la terra più calda. Questo aumento può disturbare la vita delle piante e degli animali. Può provocare lo scioglimento dei ghiacci nelle regioni polari, il che può portare a un aumento del livello del mare che sommerge le regioni costiere.
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