Et sort legemes stråling – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Et sort legemes stråling

04. november 2009

Et sort legemes stråling

Hej Spørg om Fysik 

Tak for de mange informative svar, her er endnu et om varmestråling:

Hvorfor falder temperaturen på et "sort-legeme" hurtigere end den omgivene lufts temperetur? (med det resultat, at temperaturen relativt hurtigt når luftens dugpunkt).

Den udstrålede varmeenergi, som funktion af temperaturen, er jo givet ved Stefan Boltzmanns lov, men jeg har problemer med tidsforløbet.

Med venlig hilsen
N P D

 

Stefan-Boltzmanns strålingslov siger jo: M = σ*T4, hvor M er udstrålingen målt i W/m2, og T den absolutte temperatur (den med 0 K ved ca. - 273 ⁰C), og σ en konstant, σ = (5,6697 ± 0,0029) * 10-8 Wm-2K-4. Jožef Stefan ( Østrig-Ungarn, Slovenien, 1835-1893), Ludwig Boltzmann (Østrig 1844-1906).

 

 

 

 

 

 

 

 

Boltzmann og Stefan, internet 

Loven antager, at der er tale om et absolut sort legeme, dvs. et legeme som udstråler maksimalt i alle bølgelængdeområder, hele det elektromagnetiske spektrum. Sådan er virkeligheden ikke helt. Selv om et legeme i synligt lys ser helt sort ud, er det ikke sikkert, at det også udstråler som sort i ultraviolet eller infrarødt, og omvendt legemer som ikke virker sorte, kan godt være "sortstrålere" i bestemte bølgelængdeområder, f.eks. solen er nær en sortstråler i mange områder, vores hud er det i fjern infrarødt. Opvarmen f.eks. en jernklods til hvid glødhede, noget over 1000 ⁰C og har den liggende i stuen, vil varmestrålingen kunne mærkes tydeligt på nogen afstand. Den køles ved strålingen, og luften den er i berøring med, ved høje temperaturer er hovedparten af kølingen fra stråling, nær stuetemperatur ved konvektion dvs. den køles af

luften, der er meget nær legemet, og som strømmer forbi. Det skyldes, at strålingen jo afhænger af T i 4. Potens, så den er effektivere des højere temperatur, man har. Nu er det jo sådan, at omgivelserne også stråler, des varmere de er des mere. Det betyder, at omgivelserne efter samme lov sender energi til det varme legeme, men da deres temperatur her er lavere, er det meget mindre energi. En af termodynamikkens (varmelære) sætninger siger i øvrigt at energistrømmen samlet altid naturligt går fra det varme legeme til det koldere. Des nærmere temperaturen af jernklodsen kommer stuetemperaturen, des mere lige store er de to strålingsenergier.

Holder man f.eks. et stykke køkkenfolie imellem den varme jernklods og sin hud, vil man kunne mærke skyggen fra foliet dvs. strålingen stoppes, samtidigt mærker man, at lufttemperaturen stort set er uforandret. Dette skyldes, at luften næsten ikke vekselvirker med varmestrålingen (den er ikke et sort legeme), og derfor stort set kun påvirkes når den rammer den glødende jernklods, opvarmes og stiger op fra klodsen (det at luften ikke vekselvirker med strålingen gælder ikke helt for drivhusgasser, den vigtigste er vanddamp men også Kuldioxid er en god drivhusgas). Luftkølingen kan effektiviseres, hvis luften sættes i mekanisk bevægelse ved blæsere og tilsvarende (som når man puster på en ske med meget varm mad).

Klodsens temperaturfald skyldes i første omgang altså udstrålingen og kun luft, der er umiddelbart i nærheden af klodsen påvirkes, fordi varmestrålingen og luften næsten ikke vekslevirker, det afhænger lidt af, hvor man er i bølgelængdeområdet. Her har vi også grunden til, at der kan være rim på plænen om morgenen i overgangsperioderne, hvis der er få skyer, er der stor udstråling fra jorden imod den kolde nathimmel, og da den afgiver energi køles den, men da der kun er ringe vekselvirkning med luften, kan denne godt være lidt over 0 ⁰C. Helt samme effekt kan give glatførekørsel på vejene. Rumskibe har i reglen radiatorer til udstråling af overskudsvarme til rummet (det ligger jo tungt med luftkøling i rummet).

Med venlig hilsen
Malte Olsen