Mustvalgu saastes: Määratlus omadused ja rakendused

Musteline keha defineeritakse ideaalse objektina, mis absorbeerib kõik sellel langenud elektromagnetilise radiatsiooni ja väljastab radiatsiooni pideva spektriga, mis sõltub ainult selle temperatuurist. Musteline keha radiatsioon on termilised radiatsioon, mida musteline keha väljastab termodünaamilises tasakaalus oma ümbrusega. Mustelise keha radiatsioonil on palju rakendusi füüsikas, astronoomias, insenerides ja muudes valdkondades.

Mis on musteline keha?

Musteline keha on teoreetiline mõiste, mis esindab ideaalset radiatsiooniabsorbeerijat ja -väljastajat.

Tegelikke objekte, mis oleksid täielikult mustelised kehad, ei eksisteeri, kuid mõned objektid võivad sellistest tingimustest lähtuvalt seda lähedalt kujutada. Näiteks kaamera, milles on väike auk, võib käituda mustelise keha kui mingi radiatsioon, mis selle auka sisse jõuab, jätab see sinna ja see reflekteeritakse mitu korda, kuni see kaamera seinte poolt absorbib. Auka välja saanuv radiatsioon on siis mustelise keha karakteristikumine.

Musteline keha ei reflekteeri ega edasta mingit radiatsiooni; see absorgeerib ja väljastab radiatsiooni. Seega näeb musteline keha välja mustana, kui see on külm ja ei väljasta nähtavat valgust. Kuid kui mustelise keha temperatuur kasvab, see väljastab rohkem radiatsiooni ja selle spekter nihkeb lühematel lainepikkustel. Kõrgete temperatuuridel võib musteline keha väljastada nähtavat valgust ja näha punase, oranži, kollase, valge või sinise, sõltuvalt selle temperatuurist.

Mustelise keha radiatsiooni omadused

Mustelise keha radiatsiooni spekter on pidev ja sõltub ainult mustelise keha temperatuurist. Spekter kirjeldatakse kahte olulist seadust: Wieni nihke seadust ja Stefan-Boltzmanni seadust.

Wieni nihke seadus

Wieni nihke seadus ütleb, et lainepikkus, millel on mustelise keha radiatsiooni intensiivsus maksimaalne, on pöördproportsionaalne mustelise keha temperatuurile. Matemaatiliselt saab selle väljendada nii:

kus λmax on maksimaalne lainepikkus, T on mustelise keha absoluutne temperatuur ja b on konstant, mida nimetatakse Wieni nihkekonstandiks, mille väärtus on 2.898×10−3 m K.

Wieni nihke seadus selgitab, miks mustelise keha värv muutub temperatuuri muutumisel.

Kui temperatuur kasvab, maksimaalne lainepikkus väiksemaks muutub ja spekter nihkeb lühematel lainepikkustel. Näiteks ruumi temperatuuril (umbes 300 K) väljastab musteline keha peamiselt infrapunane radiatsioon, mille maksimaalne lainepikkus on umbes 10 μm. 1000 K temperatuuril väljastab musteline keha peamiselt punase valguse, mille maksimaalne lainepikkus on umbes 3 μm. 6000 K temperatuuril väljastab musteline keha peamiselt valge valguse, mille maksimaalne lainepikkus on umbes 0.5 μm.

Stefan-Boltzmanni seadus

Stefan-Boltzmanni seadus ütleb, et mustelise keha poolt ühiku pindala kohta väljastatav kogu energia on proportsionaalne selle absoluutse temperatuuri neljandale astmele.

Matemaatiliselt saab selle väljendada nii:

kus Me on kogu energia ühiku pindala kohta (ka emissiivne võimsus või straaliv väljamurd), T on mustelise keha absoluutne temperatuur ja σ on konstant, mida nimetatakse Stefan-Boltzmanni konstandiks, mille väärtus on 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$.

Stefan-Boltzmanni seadus selgitab, miks musteline keha väljastab rohkem radiatsiooni, kui tema temperatuur kasvab. Näiteks, kui mustelise keha temperatuur kaks korda suureneb, siis selle emissiivne võimsus suureneb 16 korda.

Mustelise keha radiatsiooni rakendused

Mustelise keha radiatsioonil on palju rakendusi erinevates teadus- ja tehnoloogiavaldkondades. Mõned näited on:

• Astronoomias võidakse tähti lähendada mustelise keha kui ja nende temperatuuri saab hinnata nende spektri abil Wieni nihke seadusega.

   

• Päikese efektiivne pinna temperatuur on umbes 5800 K ja see väljastab peamiselt nähtavat valgust, mille maksimaalne lainepikkus on umbes 0.5 μm.

• Insenerides kasutavad soojusekraanide seadmed infrapunaseid kaameraid, et tuvastada objektide poolt väljastatav soojus nende temperatuuri alusel Stefan-Boltzmanni seadusega.

   

• Soojusekraanide saab kasutada turvalisuse, vaatluse, tuletõrje, meditsiinilise diagnoosimise ja muude eesmärkide jaoks.

• Füüsikas oli mustelise keha radiatsioon üks fenomeene, mis viis kvantteooria arendamiseni 20. sajandi alguses.

   

• Klassikaline füüsika ei saanud selgitada, miks mustelise keha radiatsiooni spekter kõrgelate sagedustel kattus Rayleigh-Jeansi seadusega ja toodeti lõpmatu energia, mida nimetati ultriviolaarse katastroofi. Max Planck esitas, et energia oli kvantisitud ja väljastati diskreetsetes ühikutes, mida nimetatakse kvantideks või fotodekste. Plancki seadus kirjeldab mustelise keha radiatsiooni spektri kvantteooria abil.

Kokkuvõte

• Musteline keha on ideaalne objekt, mis absorbeerib kõik langenud radiatsiooni ja väljastab radiatsiooni pideva spektriga, mis sõltub ainult selle temperatuurist.

• Mustelise keha radiatsioon on termilised radiatsioon, mida musteline keha väljastab termodünaamilises tasakaalus oma ümbrusega.

• Wieni nihke seadus ütleb, et mustelise keha radiatsiooni maksimaalne lainepikkus on pöördproportsionaalne selle temperatuurile.

• Stefan-Boltzmanni seadus ütleb, et mustelise keha poolt ühiku pindala kohta väljastatav kogu energia on proportsionaalne selle temperatuuri neljandale astmele.

• Mustelise keha radiatsioonil on pal