Crno tijelo zračenje: Definicija karakteristike i primjene

Crno tijelo definirano je kao idealizirani objekt koji apsorbira sve elektromagnetsko zračenje koje na njega pada i emitira zračenje s kontinuiranim spektrom koji ovisi samo o njegovoj temperaturi. Zračenje crnog tijela jest toplinsko zračenje emitanirano od strane crnog tijela u termodinamičkom ravnoteži s okolinom. Zračenje crnog tijela ima mnogo primjena u fizici, astronomiji, inženjerstvu i drugim područjima.

Što je crno tijelo?

Crno tijelo je teoretski koncept koji predstavlja idealni apsorber i emitter zračenja.

Nijedan stvarni objekt nije savršeno crno tijelo, ali neki objekti mogu aproksimirati crno tijelo pod određenim uvjetima. Na primjer, komora s malim otvorom može djelovati kao crno tijelo, jer bilo koje zračenje koje unutar ulazi zapadne unutra i više puta se reflektira dok se ne apsorbira stjenama komore. Zračenje emitiranu putem otvora karakteristično je za crno tijelo.

Crno tijelo ne reflektira niti transmittira nikakvo zračenje; ono samo apsorbira i emitira zračenje. Stoga crno tijelo izgleda crno kada je hladno i ne emitira vidljivo svjetlo. Međutim, kako temperatura crnog tijela raste, emitira više zračenja i njegov spektar pomiče se ka kraćim valnim duljinama. Na visokim temperaturama, crno tijelo može emitirati vidljivo svjetlo i izgledati crveno, narandžasto, žuto, bijelo ili plavo ovisno o svojoj temperaturi.

Karakteristike zračenja crnog tijela

Spektar zračenja crnog tijela je kontinuiran i ovisi samo o temperaturi crnog tijela. Spektar može se opisati dvama važnim zakonima: Wienovim zakonom pomaka i Stefan-Boltzmannovim zakonom.

Wienov zakon pomaka

Wienov zakon pomaka navodi da valna duljina pri kojoj je intenzitet zračenja crnog tijela maksimalna obrnuto proporcionalna je temperaturi crnog tijela. Matematički, to se može izraziti kao:

gdje je λmax valna duljina na vrhu, T apsolutna temperatura crnog tijela, a b konstanta poznata kao Wienova pomaknuća konstanta, koja ima vrijednost 2.898×10−3 m K.

Wienov zakon pomaka objašnjava zašto boja crnog tijela mijenja se s temperaturom.

Kako temperatura raste, valna duljina na vrhu smanjuje se, a spektar pomiče se ka kraćim valnim duljinama. Na primjer, na sobnoj temperaturi (oko 300 K), crno tijelo uglavnom emitira infracrveno zračenje s valnom duljinom na vrhu oko 10 μm. Na 1000 K, crno tijelo uglavnom emitira crveno svjetlo s valnom duljinom na vrhu oko 3 μm. Na 6000 K, crno tijelo uglavnom emitira bijelo svjetlo s valnom duljinom na vrhu oko 0.5 μm.

Stefan-Boltzmannov zakon

Stefan-Boltzmannov zakon navodi da je ukupna snaga emitirana po jedinici površine crnim tijelom proporcionalna četvrtoj potenciji njegove apsolutne temperature.

Matematički, to se može izraziti kao:

gdje je Me ukupna snaga po jedinici površine (poznata i kao emisivna snaga ili radijantna emissija), T apsolutna temperatura crnog tijela, a σ konstanta poznata kao Stefan-Boltzmannova konstanta, koja ima vrijednost 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$.

Stefan-Boltzmannov zakon objašnjava zašto crno tijelo emitira više zračenja kako temperatura raste. Na primjer, ako temperatura crnog tijela udvostruči, njegova emisivna snaga poveća se 16 puta.

Primjene zračenja crnog tijela

Zračenje crnog tijela ima mnogo primjena u različitim područjima znanosti i tehnologije. Neki primjeri su:

• U astronomiji, zvijezde se mogu aproksimirati kao crna tijela, a njihove temperature se mogu procijeniti iz njihovih spektra koristeći Wienov zakon pomaka.

   

• Suncu, na primjer, efektivna površinska temperatura iznosi oko 5800 K, a emitira uglavnom vidljivo svjetlo s valnom duljinom na vrhu oko 0.5 μm.

• U inženjerstvu, uređaji za termalno slikanje koriste infracrvene kamere za detekciju topline emitirane od objekata ovisno o njihovoj temperaturi koristeći Stefan-Boltzmannov zakon.

   

• Termalno slikanje može se koristiti za sigurnost, nadzor, vatrogastvo, medicinsku dijagnozu i druge svrhe.

• U fizici, zračenje crnog tijela bilo je jedno od fenomena koji su doveli do razvoja kvantne teorije na početku 20. stoljeća.

   

• Klasična fizika nije mogla objasniti zašto se spektar zračenja crnog tijela odstupa od Rayleigh-Jeansovog zakona na visokim frekvencijama i proizvodi beskonačnu energiju poznatu kao ultraljubičasti katastrofa. Max Planck je predložio da je energija kvantizirana i emitirana diskretnim jedinicama poznatim kao kvantovi ili fotoni kako bi riješio taj problem. Planckov zakon opisuje spektar zračenja crnog tijela koristeći kvantnu teoriju.

Sažetak

• Crno tijelo je idealizirani objekt koji apsorbira sve incidentno zračenje i emitira zračenje s kontinuiranim spektrom koji ovisi samo o njegovoj temperaturi.

• Zračenje crnog tijela jest toplinsko zračenje emitirano od strane crnog tijela u termodinamičkom ravnoteži s okolinom.

• Wienov zakon pomaka navodi da je valna duljina na vrhu zračenja crnog tijela obrnuto proporcionalna njegovoj temperaturi.

• Stefan-Boltzmannov zakon navodi da je ukupna snaga emitirana po jedinici površine crnim tijelom proporcionalna četvrtoj potenciji njegove temperature.

• Zračenje crnog tijela ima mnogo primjena u fizici, astronomiji, inženjerstvu i drugim područjima.

Izjava: Poštujte original, dobre članke vrijede podijeliti, ukoliko