Излъчване на черно тяло

Черното тяло е идеален поглътител и излъчвател на електромагнитно лъчение. Спектърът му е непрекъснат и зависи само от температурата: нагряването усилва целия спектър и премества максимума към по-къси дължини на вълната.

Черното тяло е модел, а не просто черно боядисан предмет

Идеалното черно тяло поглъща цялото падащо лъчение независимо от λ и посоката. Малък отвор в непрозрачна кухина е добра реализация, защото лъчението претърпява много вътрешни отражения.

„Черно“ описва идеалното поглъщане, не непременно видимия цвят. Достатъчно горещо тяло може да свети червено, бяло или синкаво.

Черното тяло е модел, а не просто черно боядисан предметλmaxT = bM = σT⁴E = hf
Черното тяло е модел, а не просто черно боядисан предмет — Идеалното черно тяло поглъща цялото падащо лъчение независимо от λ и посоката. Малък отвор в непрозрачна кухина е добра реализация, защото лъчението претърпява много вътрешни отражения.

Температурата променя целия спектър

Законът на Виен е λmaxT=b, където b≈2,898×10⁻³ m K. При по-висока T максимумът се измества към по-къси λ.

Максимумът не означава излъчване само на една дължина; спектърът е широка непрекъсната разпределеност.

При нагряване едновременно се променят височина и положение

Кривата на спектъра става по-висока, връхната точка се измества, а площта под нея нараства бързо.

Затова за топлинното излъчване са важни и спектралната форма, и общата мощност, а не само видимият цвят.

5800 K

При нагряване едновременно се променят височина и положениепроменливаотговорM = σT⁴физична зависимост
При нагряване едновременно се променят височина и положение — Кривата на спектъра става по-висока, връхната точка се измества, а площта под нея нараства бързо.

Общата мощност расте като T⁴

M=σT⁴, σ=5,670×10⁻⁸ W m⁻² K⁻⁴. Удвояване на абсолютната температура дава 16 пъти по-голяма излъчена мощност на единица площ.

Реалните повърхности имат емисивност ε<1, а за нетен топлообмен трябва да се включи и поглъщаното лъчение от средата.

Планк решава провала на класическата теория

Класическите модели дават неправилен спектър при малки λ. Планк получава правилната форма, като допуска квантован обмен на енергия E=hf.

Пълното разпределение на Планк води до законите на Виен и Стефан–Болцман и е фундаментална стъпка към квантовата физика.

Решени примери

1. Повърхност като Слънцето

T=5800 K.

Решение

λmax≈500 nm.

2. Стайна температура

T=300 K.

Решение

λmax≈9,66 μm.

3. Удвояване на T

Как се променят M и λmax?

Решение

M става 16 пъти по-голямо, а λmax се намалява наполовина.

Положението на максимума не е едно и също числово, ако спектралната плътност се представя спрямо честота вместо спрямо дължина на вълната; това е математически ефект от смяната на променливата. За реален топлинен баланс са важни интегрираната мощност, площта, емисивността и температурата на околната среда.

Експерименталното наблюдение трябва да се отличава от идеализирания модел. Честотата, дължината на вълната, температурата, състоянието на повърхността и отговорът на детектора могат да влияят на измерения сигнал, докато основните енергийни връзки определят какво е възможно. Особено важно е да се различават енергията на един фотон и броят фотони: висок интензитет не означава автоматично по-голямо hf. Също така спектралният максимум не е целият спектър, а прагът не означава, че всички микроскопични събития са еднакви. При числен анализ единиците се проверяват преди заместване и преходите между eV, джаули, честота и дължина на вълната се правят последователно. Резултатът трябва да съвпада с физичните граници: липса на емисия под прага, по-къса максимална дължина при по-висока температура и запазване на енергията във фотонния процес.