Legea lui Stefan-Boltzmann • James Trefil, enciclopedia "Două sute de legi ale universului"

Legea lui Stefan-Boltzmann

Corpurile încălzite emite energie sub formă de unde electromagnetice de diferite lungimi. Când spunem că corpul este "roșu roșu-roșu", aceasta înseamnă că temperatura acestuia este suficient de mare pentru ca radiația termică să apară în partea vizibilă, luminoasă a spectrului. La nivel atomic, radiația devine o consecință a emisiei de fotoni de către atomi excitați (cm. Radiația corpului negru). Legea care descrie dependența energiei radiației termice de temperatura a fost obținută pe baza analizei datelor experimentale de către fizicianul austriac Joseph Stefan și a fost susținută teoretic de austriacul Ludwig Boltzmanncm. Constanta lui Boltzmann).

Pentru a înțelege cum funcționează această lege, imaginați-vă un atom care emite lumină în adâncurile soarelui. Lumina este imediat absorbită de un alt atom, re-emise de ea – și astfel transmis de-a lungul lanțului de la atom la atom, astfel încât întregul sistem este într-o stare de echilibru energetic. În starea de echilibru, o lumină cu o frecvență strict definită este absorbită de un atom într-un loc simultan cu emisia de lumină de aceeași frecvență de către un alt atom dintr-un alt loc.Ca rezultat, intensitatea luminii fiecărei lungimi de undă a spectrului rămâne neschimbată.

Temperatura din interiorul soarelui scade pe măsură ce se îndepărtează de centrul său. De aceea, pe măsură ce se deplasează spre suprafață, spectrul emisiilor de lumină se dovedește a corespunde unor temperaturi mai ridicate decât temperatura ambiantă. Ca rezultat, cu radiații repetate, conform legii lui Ștefan-Boltzmann, aceasta se va produce la energii și frecvențe mai mici, dar în același timp, în virtutea legii conservării energiei, vor fi emise mai multe fotoni. Astfel, în momentul în care ajunge la suprafață, distribuția spectrală va corespunde temperaturii de suprafață a Soarelui (aproximativ 5.800 K) și nu temperaturii în centrul Soarelui (aproximativ 15.000.000 K).

Energia furnizată la suprafața Soarelui (sau la suprafața oricărui obiect fierbinte) îl lasă sub formă de radiație. Legea lui Stefan-Boltzmann ne spune exact ce este energia radiată. Această lege este scrisă ca:

E = σT 4

unde T – temperatura (în Kelvin) și σConstanta lui Boltzmann. Se poate observa din formula că, pe măsură ce crește temperatura, luminozitatea corpului nu crește pur și simplu – crește într-o măsură mult mai mare. Dublați temperatura și luminozitatea va crește de 16 ori!

Deci, în conformitate cu această lege, orice organism care are o temperatură peste zero absolută emană energie. Deci, de ce, este cerut, toate trupurile nu s-au răcit până la zero absolută pentru o lungă perioadă de timp? De ce, să zicem personal, corpul tău, care emite în mod constant energie termică în gama infraroșie, caracteristică temperaturii corpului uman (puțin peste 300 K), nu se răcește?

Răspunsul la această întrebare, de fapt, constă în două părți. În primul rând, cu hrană obțineți energie din afară, care în procesul de asimilare metabolică a caloriilor alimentare de către organismul este transformat în energie termică, compensând pierderea de energie a corpului dumneavoastră datorată legii lui Stefan-Boltzmann. Sângele cu sânge cald se răcește foarte repede la temperatura ambiantă, după cum se oprește alimentarea cu energie a corpului său.

Mai important, totuși, este faptul că legea se aplică tuturor organismelor cu o temperatură peste zero absolută. Prin urmare, când vă dați energia termică mediului, nu uitați că corpurile cărora le dați energie, de exemplu, mobilierul, pereții, aerul, la rândul lor emit energie termică și vă sunt transmise. Dacă mediul este mai rece decât corpul dumneavoastră (așa cum se întâmplă cel mai adesea), radiația termică compensează doar o fracțiune din pierderea de căldură a corpului,și umple golurile cu resursele interne. Dacă temperatura ambiantă este apropiată sau superioară temperaturii corpului, nu veți putea scăpa de excesul de energie eliberat în corpul dumneavoastră în procesul metabolizării prin radiație. Și aici se pornește al doilea mecanism. Începeți să transpirați și împreună cu picăturile de transpirație, corpul dvs. vă lasă corpul excesiv de căldură.

În formula de mai sus, legea lui Ștefan-Boltzmann se aplică doar unui corp absolut negru, absorbind toate radiațiile care cad pe suprafața sa. Corpurile fizice reale absoarbe doar o parte din energia radială, iar partea rămasă este reflectată de ele, cu toate acestea, regularitatea conform căreia puterea specifică de radiație de pe suprafața lor este proporțională cu T 4ca regulă, se păstrează și în acest caz, totuși, în acest caz, constanta Boltzmann trebuie înlocuită cu un alt coeficient, care va reflecta proprietățile corpului fizic real. Astfel de constante sunt de obicei determinate experimental.

Josef STEFAN
Josef Stefan, 1835-93

Fizician austriac experimental. Născut la Klagenfurt (Klagenfurt).Dupa absolvirea Universitatii din Viena, si-a continuat cariera acolo – din 1863 ca profesor in cadrul departamentului de matematica si fizica superioara, iar din 1866 – part-time ca director al Institutului de Fizica Experimentala de la Universitatea din Viena. Studiul lui Stefan a atins un număr de ramuri ale fizicii, inclusiv fenomenele de inducție electromagnetică, difuzie și teoria moleculare-cinetică a gazelor. Cu toate acestea, reputația sa științifică, el este obligat, în primul rând, să lucreze la studiul transferului de căldură prin radiație. Acesta a descoperit experimental formula legii lui Stefan-Boltzmann prin măsurarea transferului de căldură al sârmei de platină la diferite temperaturi; justificarea teoretică a legii a fost dată de elevul său Ludwig Boltzmann. Folosind legea sa, Stefan a dat pentru prima dată o estimare fiabilă a temperaturii suprafeței Soarelui – aproximativ 6000 de grade pe o scară absolută.


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: