Nauka >Fizyka > Promieniowanie > Pojęcie ciała doskonale czarnego
W niniejszym artykule zajmiemy się pojęciem ciała doskonale czarnego i jego realizacją w praktyce.
Ciało doskonale czarne:
Ciało, które pochłania całe padające na nie promieniowanie cieplne nazywamy ciałem doskonale czarnym. Tak więc współczynnik absorpcji ciała doskonale czarnego jest równy 1. W rzeczywistości, czerń takiego ciała wynika z faktu, że nie odbija ono ani nie przekazuje żadnej części ciepła na nie padającego. Dla celów praktycznych, lampa czarna, która pochłania prawie 98 % ciepła na nią padającego jest uważana za ciało doskonale czarne.
Charakterystyka ciała doskonale czarnego:
- Ciało doskonale czarne, które pochłania całe promieniujące ciepło na nie padające.
- Współczynnik absorpcji dla niego jest równy 1.
- Czarność takiego ciała wynika z faktu, że nie odbija ono ani nie przekazuje żadnej części ciepła na nie padającego. Zatem współczynnik odbicia i współczynnik transmisji wynoszą zero.
Ciało doskonale czarne Ferrego:
Ciało, które pochłania całe padające na nie ciepło promieniowania nazywamy ciałem doskonale czarnym.
- Budowa: Można go sztucznie skonstruować biorąc dwuścienną, wydrążoną metalową kulę posiadającą mały otwór. Wewnętrzna powierzchnia kuli jest pokryta czernią lampową i ma ona stożkowy występ po przeciwnej stronie otworu.
- Działanie: Promieniowanie wpadające do kuli przez ten otwór doznaje wielokrotnych odbić. Podczas każdego odbicia około 98% padającego ciepła promieniowania jest pochłaniane przez kulę. Dlatego promieniowanie jest całkowicie pochłaniane przez sferę w ciągu kilku odbić. W ten sposób kula zachowuje się jak ciało doskonale czarne, którego efektywna powierzchnia jest równa powierzchni otworu.
Spektrum ciała czarnego:
Ciało czarne emituje promieniowanie o wszystkich możliwych długościach fali od zera do nieskończoności. Promieniowanie to ma charakter elektromagnetyczny. Promieniowanie to nie zależy od charakteru powierzchni ciała doskonale czarnego, a jedynie od jego temperatury bezwzględnej. Promieniowanie ciała doskonale czarnego rozciąga się na cały zakres długości fal elektromagnetycznych. Rozkład energii w tym całym zakresie długości fal lub częstotliwości jest znany jako widmo promieniowania ciała doskonale czarnego.
Czuły przyrząd zwany bolometrem jest używany do znalezienia gęstości energii pomiędzy długościami fal λ i λ + dλ, Poprzez obracanie pryzmatu przyrządu ta gęstość energii jest znaleziona dla całego zakresu długości fal przy stałej wysokiej temperaturze ciała doskonale czarnego.
Odwzorowanie graficzne:
Charakterystyka widma ciała doskonale czarnego:
- Moc emisyjna ciała doskonale czarnego wzrasta wraz ze wzrostem jego temperatury dla każdej długości fali.
- Każda krzywa ma charakterystyczny kształt i każda z nich ma maksimum, tj. maksymalną moc emisyjną odpowiadającą określonej długości fali.
- Położenie maksimów przesuwa się w kierunku ultrafioletu (krótsza długość fali) wraz ze wzrostem temperatury.
- λm T = Stała (prawo przesunięcia Wiena)
- Obszar pod każdą krzywą daje całkowitą moc promieniowania na jednostkę powierzchni ciała czarnego w tej temperaturze i jest wprost proporcjonalny do T4 (weryfikacja prawa Stefana)
Prawo przesunięcia Wiena:
Dla ciała czarnego iloczyn jego temperatury bezwzględnej i długości fali odpowiadającej maksymalnemu promieniowaniu energii jest stały.
Więc, λm T = Stała
Wartość stałej prawa przesunięcia Wiena wynosi2.898 x 10-3 mK.
Znaczenie prawa przesunięcia Wiena:
- Prawo to może być użyte do wyznaczenia temperatury gwiazd. Jest to jedyna metoda wyznaczania temperatury ciał niebieskich.
- Wyjaśnia zmianę barwy ciała stałego przy ogrzewaniu z matowoczerwonej (dłuższa fala) do żółtej (krótsza fala) do białej (wszystkie długości fal widma widzialnego).
Prosta korekta radiacyjna:
Ciepło właściwe ciała stałego lub cieczy jest wyznaczane metodą mieszanin. Ciało stałe jest podgrzewane do wysokiej temperatury. Następnie wrzuca się je do kalorymetru zawierającego wodę (lub ciecz) o temperaturze pokojowej. Na koniec odnotowuje się maksymalną temperaturę mieszaniny. Teraz, gdy temperatura mieszaniny zaczyna wzrastać, zaczyna ona tracić ciepło przez przewodzenie i promieniowanie. Utrata ciepła przez przewodzenie może być zminimalizowana poprzez otoczenie mieszaniny złym przewodnikiem ciepła, takim jak bawełna, wełna, itp. Jednak utraty ciepła przez promieniowanie nie można zatrzymać.
W związku z tym maksymalna temperatura mieszaniny jest zawsze niższa niż temperatura, którą osiągnęłaby, gdyby nie było promieniowania. Ta poprawka, którą należy wprowadzić do końcowej temperatury mieszaniny nazywana jest poprawką radiacyjną.
Metoda zastosowania poprawki radiacyjnej:
Stoper zostaje uruchomiony w momencie, gdy ciało stałe zostaje wrzucone do cieczy, a czas t potrzebny mieszaninie do osiągnięcia maksymalnej temperatury jest θ odnotowywany.
Mieszanina jest następnie pozostawiona do ochłodzenia na czas t / 2. Let 'θ’ be the temperature of themixture after time t / 2.
Then,radiation correction = Δθ = ½ (θ – θ )
Thuscorrected maximum temperature of the mixture = θ + Δθ
Greenhouse Effect:
Powierzchnia Ziemi absorbuje energię cieplną ze Słońca i staje się źródłem promieniowania cieplnego. Długość fali tego promieniowania leży w zakresie podczerwieni. Duża część tego promieniowania jest pochłaniana przez gazy cieplarniane, takie jak dwutlenek węgla, metan, podtlenek azotu, chlorofluorowęglowodory, ozon troposferyczny. Dzięki temu atmosfera Ziemi nagrzewa się, a atmosfera daje więcej energii Ziemi, co skutkuje cieplejszą powierzchnią.
Powyższy proces powtarza się do momentu, gdy żadne promieniowanie nie jest dostępne do absorpcji. To ogrzewanie powierzchni i atmosfery ziemi nazywane jest efektem cieplarnianym. Znaczenie efektu cieplarnianego polega na tym, że utrzymuje on ziemię w cieple, co prowadzi do bioróżnorodności. W przypadku braku tego efektu temperatura ziemi wynosiłaby -18° C.
Ale z powodu działalności człowieka, ilości gazów cieplarnianych gwałtownie wzrastają, przez co ziemia staje się cieplejsza. Ten wzrost może zakłócić życie roślin i zwierząt. Może to spowodować topnienie lodu w regionach polarnych, co może prowadzić do wzrostu poziomu morza zatapiając regiony przybrzeżne.
Poprzedni Temat: Kirchhoff’s Law of Radiation
Next Topic: Stefan’s Law of Radiation
Nauka > Fizyka > Promieniowanie > Pojęcie ciała doskonale czarnego
.