Radiació del cos negre: Definició, característiques i aplicacions
Un cos negre es defineix com un objecte idealitzat que absorbeix tota la radiació electromagnètica que hi incideix i emet radiació amb un espectre continu que depèn només de la seva temperatura. La radiació del cos negre és la radiació tèrmica emesa per un cos negre en equilibri termodinàmic amb el seu entorn. La radiació del cos negre té moltes aplicacions en física, astronomia, enginyeria i altres camps.
Què és un Cos Negre?
Un cos negre és un concepte teòric que representa un absorvent i emissor ideal de radiació.
Cap objecte real no és un cos negre perfecte, però alguns objectes poden aproximar-se a ell en certes condicions. Per exemple, una cavetat amb un forat petit pot comportar-se com un cos negre, ja que qualsevol radiació que entra al forat queda atrapada dins i es reflecteix moltes vegades fins que s'absorbeix pels parets de la cavetat. La radiació emesa pel forat és llavors característica d'un cos negre.
Un cos negre no reflecteix ni transmet cap radiació; només absorbeix i emet radiació. Per tant, un cos negre apareix negre quan està fred i no emet llum visible. No obstant això, a mesura que la temperatura d'un cos negre augmenta, emet més radiació i el seu espectre es desplaça cap a longituds d'ona més curtes. A temperatures altes, un cos negre pot emetre llum visible i aparèixer vermell, taronja, groc, blanc o blau, depenent de la seva temperatura.
Característiques de la Radiació del Cos Negre
L'espectre de la radiació del cos negre és continu i depèn només de la temperatura del cos negre. L'espectre es pot descriure mitjançant dos leis importants: la llei de desplaçament de Wien i la llei de Stefan-Boltzmann.
Llei de Desplaçament de Wien
La llei de desplaçament de Wien estableix que la longitud d'ona a la qual l'intensitat de la radiació del cos negre és màxima és inversament proporcional a la temperatura del cos negre. Matemàticament, això es pot expressar com:
on λmax és la longitud d'ona màxima, T és la temperatura absoluta del cos negre, i b és una constant coneguda com a constant de desplaçament de Wien, que té un valor de 2.898×10−3 m K.
La llei de desplaçament de Wien explica per què el color d'un cos negre canvia amb la temperatura.
A mesura que la temperatura augmenta, la longitud d'ona màxima disminueix, i l'espectre es desplaça cap a longituds d'ona més curtes. Per exemple, a temperatura ambiente (aproximadament 300 K), un cos negre emet principalment radiació infraroja amb una longitud d'ona màxima d'aproximadament 10 μm. A 1000 K, un cos negre emet principalment llum vermella amb una longitud d'ona màxima d'aproximadament 3 μm. A 6000 K, un cos negre emet principalment llum blanca amb una longitud d'ona màxima d'aproximadament 0.5 μm.
Llei de Stefan-Boltzmann
La llei de Stefan-Boltzmann estableix que la potència total emesa per unitat d'àrea per un cos negre és proporcional a la quarta potència de la seva temperatura absoluta.
Matemàticament, això es pot expressar com:
on Me és la potència total per unitat d'àrea (també coneguda com a potència emissiva o sortida radiant), T és la temperatura absoluta del cos negre, i σ és una constant coneguda com a constant de Stefan-Boltzmann, que té un valor de 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$.
La llei de Stefan-Boltzmann explica per què un cos negre emet més radiació a mesura que la seva temperatura augmenta. Per exemple, si la temperatura d'un cos negre es duplica, la seva potència emissiva augmenta 16 vegades.
Aplicacions de la Radiació del Cos Negre
La radiació del cos negre té moltes aplicacions en diversos camps de la ciència i la tecnologia. Alguns exemples són:
En astronomia, les estrelles es poden aproximar com cossos negres, i les seves temperatures es poden estimar a partir dels seus espectres utilitzant la llei de desplaçament de Wien.
El sol, per exemple, té una temperatura efectiva de superfície d'aproximadament 5800 K i emet principalment llum visible amb una longitud d'ona màxima d'aproximadament 0.5 μm.
En enginyeria, els dispositius d'imaging tèrmic utilitzen càmeres infrarojes per detectar el calor emès per objectes basant-se en les seves temperatures utilitzant la llei de Stefan-Boltzmann.
L'imaging tèrmic es pot utilitzar per seguretat, vigilància, extinció d'incendis, diagnòstic mèdic i altres propòsits.
En física, la radiació del cos negre va ser un dels fenòmens que van portar al desenvolupament de la teoria quàntica a principis del segle XX.
La física clàssica no podia explicar per què l'espectre de la radiació del cos negre desviava de la llei de Rayleigh-Jeans a freqüències altes i produïa una energia infinita coneguda com a catàstrofe ultraviolada. Max Planck va proposar que l'energia estava quantificada i s'emetia en unitats discretes anomenades quàntums o fotons per resoldre aquest problema. La llei de Planck descriu l'espectre de la radiació del cos negre utilitzant la teoria quàntica.
Resum
Un cos negre és un objecte idealitzat que absorbeix tota la radiació incident i emet radiació amb un espectre continu que depèn només de la seva temperatura.
La radiació del cos negre és la radiació tèrmica emesa per un cos negre en equilibri termodinàmic amb el seu entorn.
La llei de desplaçament de Wien estableix que la longitud d'ona màxima de la radiació del cos negre és inversament proporcional a la seva temperatura.
La llei de Stefan-Boltzmann estableix que la potència total emesa per unitat d'àrea per un cos negre és proporcional a la quarta potència de la seva temperatura.
La radiació del cos negre té moltes aplicacions en física, astronomia, enginyeria i altres camps.
Declaració: Respecteu l'original, els bons articles mériten ser compartits, si hi ha infracció contacteu per eliminar.
