Vetenskap > Fysik > Strålning > Begreppet svart kropp
I den här artikeln ska vi studera begreppet svart kropp och dess förverkligande i praktiken.
Perfekt svart kropp:
En kropp som absorberar all strålningsvärme som faller på den kallas en perfekt svart kropp. Absorptionskoefficienten för en perfekt svart kropp är således lika med 1. I själva verket beror en sådan kropps svärta på att den inte reflekterar eller överför någon del av den värme som faller på den.
Ingen kropp existerar i naturen som kan kallas en perfekt svart kropp. För praktiska ändamål betraktas en svart lampa som absorberar nästan 98 % av den värme som faller på den som en perfekt svart kropp.
Kännetecken för en perfekt svart kropp:
- En perfekt svart kropp som absorberar all strålningsvärme som faller på den.
- Absorptionskoefficienten för den är lika med 1.
- En sådan kropps svarthet beror på att den inte reflekterar eller överför någon del av den värme som infaller på den. Reflektionskoefficienten och transmissionskoefficienten är således noll.
Ferrys svarta kropp:
En kropp som absorberar all strålningsvärme som infaller på den kallas en perfekt svart kropp.
- Konstruktion: Den kan konstrueras artificiellt genom att ta en dubbelväggig, ihålig metallsfär med ett litet hål. Sfärens inre yta är belagd med lampsvart och den har en konisk projektion på motsatt sida av hålet.
- Arbetssätt: Den strålning som kommer in i sfären genom detta hål utsätts för flera reflektioner. Vid varje reflektion absorberas cirka 98 % av den infallande strålningsvärmen av sfären. Därför absorberas strålningen helt av sfären inom några få reflektioner. På detta sätt fungerar sfären som en perfekt svart kropp vars effektiva area är lika med hålets area.
Spektrum för en svart kropp:
En svart kropp avger strålning av alla möjliga våglängder från noll till oändligt. Dessa strålningar är av elektromagnetisk natur. Dessa strålningar beror inte på karaktären hos den svarta kroppens yta utan beror endast på dess absoluta temperatur. Den svarta kroppens strålning sträcker sig över hela spektrumet av våglängder för elektromagnetiska vågor. Energifördelningen över hela detta våglängds- eller frekvensområde kallas för den svarta kroppens strålningsspektrum.
Ett känsligt instrument som kallas bolometer används för att hitta energitätheten mellan våglängderna λ och λ + dλ. Genom att rotera instrumentets prisma hittas denna energitäthet för hela våglängdsområdet vid en konstant hög temperatur hos den perfekt svarta kroppen.
Grafisk representation:
Karakteristik för en svart kropps spektrum:
- Utsändningseffekten hos en perfekt svart kropp ökar med ökad temperatur för varje våglängd.
- Varje kurva har en karakteristisk form och var och en av dem har ett maximum, det vill säga maximal utsändningseffekt motsvarande en viss våglängd.
- Den maximala positionen förskjuts mot det ultravioletta området (kortare våglängd) med en ökning av temperaturen.
- λm T = Konstant (Wiens förskjutningslag)
- Området under varje kurva ger den totala strålningseffekten per ytenhet för den svarta kroppen vid den temperaturen och är direkt proportionell mot T4 (Verifiering av Stefans lag)
Wiens förskjutningslag:
För en svartkropp är produkten av dess absoluta temperatur och våglängden som motsvarar den maximala strålningen av energi konstant.
Därmed är λm T = konstant
Värdet på konstanten i Wiens förskjutningslag är2,898 x 10-3 mK.
Betydelse av Wiens förskjutningslag:
- Denna lag kan användas för att ytbehandla temperaturen hos stjärnor. Detta är den enda metoden för att bestämma temperaturen hos himlakroppar.
- Den förklarar färgförändringen i fasta ämnen vid upphettning från mattrött (längre våglängd) till gult (kortare våglängd)till vitt (alla våglängder i det synliga spektrat).
Simpel strålningskorrigering:
Den specifika värmen hos ett fast ämne eller en vätska bestäms genom metoden med blandningar. Fastämnet värms upp till en hög temperatur. Den släpps i en kalorimeter som innehåller vatten (eller vätska) vid rumstemperatur. Slutligen noteras blandningens högsta temperatur. När blandningens temperatur nu börjar öka börjar blandningen förlora värme genom ledning och strålning. Värmeförlusten genom ledning kan minimeras genom att omge blandningen med en dålig värmeledare som bomull, ull osv. Det går dock inte att stoppa värmeförlusten genom strålning.
Därmed är blandningens maximala temperatur alltid lägre än den temperatur som den skulle uppnå om strålning inte förekom. Denna korrigering av blandningens sluttemperatur kallas strålningskorrigering.
Metod för att tillämpa strålningskorrigering:
Ett stoppur startas i det ögonblick då det fasta ämnet släpps ner i vätskan och den tid t som det tar för blandningen att nå den maximala temperaturen noteras.
Blandningen får sedan svalna under tiden t / 2. Låt θ vara blandningens temperatur efter tid t / 2.
Därefter är strålningskorrigeringen Δθ = Δθ = ½ (θ – θ )
Blandningens korrigerade maximala temperatur = θ + Δθ
Värmeväxthuseffekten:
Jordytan absorberar värmeenergi från solen och blir en källa till värmestrålning. Strålningens våglängd ligger i det infraröda området. En stor del av strålningen absorberas av växthusgaser som koldioxid, metan, dikväveoxid, klorfluorkarboner och troposfäriskt ozon. På grund av detta värms jordens atmosfär upp och atmosfären avger mer energi till jorden vilket resulterar i en varmare yta.
Ovanstående process upprepas tills ingen strålning finns tillgänglig för absorption. Denna uppvärmning av jordens yta och atmosfär kallas växthuseffekten. Betydelsen av växthuseffekten är att den håller jorden varmare vilket leder till biologisk mångfald. Utan denna effekt skulle jordens temperatur vara -18° C.
Men på grund av mänsklig verksamhet ökar mängden växthusgaser snabbt, vilket gör jorden varmare. Denna ökning kan störa växt- och djurlivet. Den kan leda till att isen i polarområdena smälter, vilket kan leda till att havsnivån stiger och kustregionerna hamnar under vatten.
Förra ämnet:
Nästa ämne: Kirchhoffs strålningslag
Nästa ämne: Den nya strålningslagen: Stefan’s Law of Radiation