PROMIENIOWANIE TEMPERATUROWE

Dział dotyczący praw rządzących promieniowaniem elektromagnetycznym emitowanym przez rozgrzane do wysokich temperatur ciała stale oraz ciecze.

Absorpcja promieniowania

Opis doświadczeń:

1. Dna dwóch identycznych naczyń malujemy, pierwsze na biało, drugie na czarno i napełniamy wodą o tej samej temperaturze. Następnie dna tych naczyń ustawiamy w świetle żarówki. Obserwujemy przebieg zmian temperatury.

2. Bańki dwóch identycznych termometrów malujemy; bańkę pierwszego na biało, drugiego na czarno. Oba termometry jednocześnie oświetlamy silną żarówką. Obserwujemy przebieg zmian temperatur.

Wnioski: Ciała białe i czarne absorbują promieniowanie w różny sposób.

Całkowita zdolność absorpcyjna jest to stosunek energii promienistej zaabsorbowanej przez dane ciało do całkowitej energii promienistej, jaka na to ciało pada. Ciało którego całkowita zdolność absorpcyjna jest równa jedności a więc ciało które całkowicie pochłania padającą na nie energię promienistą nazywamy ciałem doskonale czarnym (promiennik zupełny).

Emisja promieniowania

Doświadczenie 3.

Dwa identyczne naczynia: jedno pomalowane na czarno, drugie na biało, napełniamy wodą o temperaturze 100⁰. Obserwujemy przebieg zmian temperatury. Dwa identyczne termometry: jeden z bańką białą, drugi z czarną, zanurzamy w wodzie i ogrzewamy wraz z nią do temperatury wrzenia. Po wyjęciu z wody i wytarciu do sucha termometrów obserwujemy zmianę temperatury.

Wnioski: Obniżanie się temperatury związane jest z emisją promieniowania. Ciała pomalowane na czarno szybciej emitują promieniowanie.

Całkowitą zdolnością emisyjną (E) nazywamy ilość energii wysyłanej w postaci promieniowania elektromagnetycznego w ciągu jednej sekundy przez jeden metr kwadratowy powierzchni ciała.

Prawo Kirchhoffa

Zdolnością emisyjną nazywamy stosunek ilości energii emitowanej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni danego ciała w małym przedziale długości fal do wielkości tego przedziału.

Zdolnością absorpcyjną nazywamy stosunek ilości energii absorbowanej w postaci promieniowania w małym przedziale długości fal do całkowitej ilości energii, jaka w postaci fal z tego przedziału długości dociera do ciała.

Stosunek zdolności emisyjnej do zdolności absorpcyjnej jest taki sam dla wszystkich ciał o tej samej temperaturze i jest równy zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego w tej temperaturze.

Energia promienista nie jest emitowana w sposób ciągły ale w postaci określonych porcji energii nazwanych przez Max'a Planck'a kwantami. Energia kwantu wyrażona jest wzorem:

E = hν ;

Gdzie h=6,625 x 10^-34 [J x s] (stała Planck'a)

ν - częstotliwość promieniowania.

Problemy:

• Dlaczego termometr oświetlony promieniami słonecznymi wskazuje znacznie wyższą temperaturę niż temperatura otoczenia?

• Dlaczego domy szczególnie w strefie tropikalnej malowane są na biało?

Promieniowanie podczerwone

Doświadczenie 4.

Do kawałka rozgrzanego metalu zbliżamy dłoń.

Doświadczenie 5.

W jedno z ognisk zwierciadła sferycznego wstawiamy kawałek rozgrzanego metalu. W ognisku drugiego zwierciadła oddalonego o około jeden metr od poprzedniego umieszczamy termometr. W chwili gdy znajduje on się dokładnie w ognisku zwierciadła obserwujemy szybki wzrost jego temperatury.

Wniosek: Promieniowanie podczerwone może być ogniskowane tak samo jak promieniowanie świetlne.

Promieniowanie podczerwone jest to promieniowanie elektromagnetyczne, obejmujące przedział długości fal od 0,76 do około 1000 μm. Najkrótsze z nich przechodzą w sposób ciągły w czerwone światło widzialne.

Charakterystyczną cechą promieni podczerwonych jest ich zdolność przenikania przez mgły i zapylenia - cecha ta została wykorzystana w fotografice.

Światło w widmie ciągłym

W widmie ciągłym światła reprezentowane są wszystkie długości fal z zakresu światła widzialnego. Światło w widmie ciągłym emitują rozgrzane do wysokich temperatur ciała stałe i ciecze

Prawo Wiena - iloczyn długości fali odpowiadającej wierzchołkowi krzywej i temperatury jest dla ciała doskonale czarnego wielkością stałą.

λ_maxT = C = const ;

C - stała przesunięć Wiena, C = 2,9 x 10^-3 [m x K].

Prawo Stefana - Boltzmanna

Całkowita zdolność emisyjna (E) ciała doskonale czarnego jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury wyrażonej w kelwinach:

E = σT⁴ ;

σ - stała Stefana - Boltzmanna (5,67 x 10^-8 [W/m² x K⁴]).

---