Wetenschap > Natuurkunde > Straling > Concept van een zwart lichaam
In dit artikel zullen wij het concept van een zwart lichaam en de verwezenlijking ervan in de praktijk bestuderen.
Perfect zwart lichaam:
Een lichaam dat alle stralingswarmte die erop valt absorbeert, wordt een volkomen zwart lichaam genoemd. De absorptiecoëfficiënt van een volkomen zwart lichaam is dus gelijk aan 1. In feite is de zwartheid van zulk een lichaam te wijten aan het feit dat het geen enkel deel van de daarop invallende warmte weerkaatst of doorgeeft.
Er bestaat in de natuur geen enkel lichaam dat een volkomen zwart lichaam kan worden genoemd. Voor praktische doeleinden wordt een zwarte lamp die bijna 98 % van de invallende warmte absorbeert, beschouwd als een volkomen zwart lichaam.
Karakteristieken van een volkomen zwart lichaam:
- Een volkomen zwart lichaam dat alle invallende stralingswarmte absorbeert.
- De absorptiecoëfficiënt is voor dit lichaam gelijk aan 1.
- De zwartheid van zulk een lichaam is te wijten aan het feit dat het geen enkel deel van de daarop invallende warmte weerkaatst of doorgeeft. De reflectiecoëfficiënt en de transmissiecoëfficiënt zijn dus nul.
Ferry’s Black Body:
Een lichaam dat alle stralingswarmte absorbeert die erop valt, wordt een volkomen zwart lichaam genoemd.
- Constructie: Hij kan kunstmatig worden geconstrueerd door een dubbelwandige, holle metalen bol met een klein gaatje te nemen. De binnenzijde van de bol is bekleed met lampzwart en hij heeft een kegelvormige uitsteeksel aan de tegenoverliggende zijde van het gat.
- Werking: De straling die door dit gat de bol binnenkomt, ondergaat meerdere reflecties. Tijdens elke reflectie wordt ongeveer 98% van de invallende stralingswarmte door de bol geabsorbeerd. De straling wordt dus binnen een paar reflecties volledig door de bol geabsorbeerd. Op deze wijze gedraagt de bol zich als een volkomen zwart lichaam waarvan de effectieve oppervlakte gelijk is aan de oppervlakte van het gat.
Spectrum van een zwart lichaam:
Een zwart lichaam zendt stralingen uit van alle mogelijke golflengten van nul tot oneindig. Deze stralingen zijn van elektromagnetische aard. Deze stralingen hangen niet af van de aard van het oppervlak van het zwarte lichaam, maar alleen van zijn absolute temperatuur. De straling van het zwarte lichaam strekt zich uit over het gehele golflengtebereik van de elektromagnetische golven. De verdeling van de energie over dit gehele golflengte- of frequentiegebied staat bekend als het stralingsspectrum van het zwarte lichaam.
Een gevoelig instrument, bolometer genaamd, wordt gebruikt om de energiedichtheid tussen de golflengten λ en λ + dλ te bepalen. Door het prisma van het instrument te roteren wordt deze energiedichtheid gevonden voor het gehele golflengtegebied bij een constante hoge temperatuur van het volkomen zwarte lichaam.
Grafische voorstelling:
Karakteristieken van het spectrum van een zwart lichaam:
- Het stralingsvermogen van een volmaakt zwart lichaam neemt toe met een toename van de temperatuur voor elke golflengte.
- Elke kromme heeft een karakteristieke vorm en elk ervan heeft een maxima, d.w.z. het maximale stralingsvermogen dat met een bepaalde golflengte overeenkomt.
- De positie van de maxima verschuift naar het ultraviolette gebied (kortere golflengte) met een toename van de temperatuur.
- λm T = Constante (verplaatsingswet van Wien)
- Het oppervlak onder elke curve geeft het totale stralingsvermogen per oppervlakte-eenheid van het zwarte lichaam bij die temperatuur en het is recht evenredig met T4 (Verificatie van de wet van Stefan)
De verplaatsingswet van Wien:
Voor een zwart lichaam is het product van zijn absolute temperatuur en de golflengte die overeenkomt met de maximale uitstraling van energie constant.
Dus, λm T = Constante
De waarde van de constante van de verplaatsingswet van Wien is2,898 x 10-3 mK.
Betekenis van de verplaatsingswet van Wien:
- Deze wet kan worden gebruikt om de temperatuur van sterren op te helderen. Dit is de enige methode om de temperatuur van hemellichamen te bepalen.
- Het verklaart de kleurverandering in vaste stoffen bij verhitting van dof rood (langere golflengte) naar geel (kortere golflengte)naar wit (alle golflengten van de zichtbare spectra).
Eenvoudige stralingscorrectie:
De soortelijke warmte van een vaste stof of vloeistof wordt bepaald met de methode van de mengsels. De vaste stof wordt verhit tot een hoge temperatuur. Men laat het vallen in een calorimeter die water (of vloeistof) op kamertemperatuur bevat. Tenslotte wordt de maximumtemperatuur van het mengsel genoteerd. Wanneer de temperatuur van het mengsel begint te stijgen, begint het mengsel warmte te verliezen door geleiding en straling. Warmteverlies door geleiding kan tot een minimum worden beperkt door het mengsel te omringen met een slechte warmtegeleider, zoals katoen, wol, enz. Het verlies van warmte door straling kan echter niet worden tegengehouden.
De maximumtemperatuur van het mengsel is dus altijd lager dan de temperatuur die het zou bereiken bij afwezigheid van straling. Deze correctie op de uiteindelijke temperatuur van het mengsel wordt stralingscorrectie genoemd.
Methode voor het toepassen van stralingscorrectie:
Een stopwatch wordt gestart op het moment dat de vaste stof in de vloeistof valt en de tijd t die het mengsel nodig heeft om de maximumtemperatuur te bereiken wordt θ genoteerd.
Het mengsel laat men vervolgens afkoelen gedurende de tijd t / 2. Zij “θ” de temperatuur van het mengsel na tijd t / 2.
Stralingscorrectie = Δθ = ½ (θ – θ )
Gecorrigeerde maximumtemperatuur van het mengsel = θ + Δθ
Kaseffect:
Het aardoppervlak absorbeert thermische energie van de zon en wordt zo een bron van thermische straling. De golflengte van de straling ligt in het infrarode gebied. Een groot deel van de straling wordt geabsorbeerd door broeikasgassen zoals kooldioxide, methaan, distikstofoxide, chloorfluorkoolwaterstoffen en ozon in de troposfeer. Hierdoor warmt de atmosfeer van de aarde op en geeft de atmosfeer meer energie af aan de aarde, wat resulteert in een warmer oppervlak.
Het bovenstaande proces herhaalt zich totdat er geen straling meer beschikbaar is voor absorptie. Deze opwarming van het aardoppervlak en van de aardatmosfeer wordt het broeikaseffect genoemd. Het belang van het broeikaseffect is dat het de aarde warmer houdt, hetgeen leidt tot biodiversiteit. Zonder dit effect zou de temperatuur van de aarde -18° C bedragen.
Maar ten gevolge van menselijke activiteiten nemen de hoeveelheden broeikasgassen snel toe, waardoor de aarde warmer wordt. Deze toename kan het leven van planten en dieren verstoren. Het kan leiden tot het smelten van ijs in de poolgebieden, waardoor het zeeniveau kan stijgen en de kustgebieden onder water komen te staan.
Vorig onderwerp: De stralingswet van Kirchhoff
Volgende onderwerp: De stralingswet van Stefan