Temperaturstrålning & strålningsbalans
Alla kroppar med temperatur över absoluta nollpunkten sänder ut elektromagnetisk strålning. Spektrumets form och den totala utstrålningen beror på temperaturen. Dessa samband används för allt från stjärnor till jordens energibalans.
- Nivå 2
Förstå → Se exempel → Träna
Förstå
Svartkroppsmodellen
En ideal svartkropp absorberar all infallande strålning och har ett välbestämt emissionsspektrum som endast beror på temperaturen. Verkliga kroppar kan ofta beskrivas med en emissivitet som anger hur effektivt de strålar jämfört med en svartkropp.
Stefan–Boltzmanns lag
Den utstrålade effekten per area från en ideal svartkropp är proportionell mot T⁴. Det gör att en relativt liten förändring i absolut temperatur kan ge en betydande förändring i utstrålad effekt.
Wiens förskjutningslag
Våglängden där svartkroppsspektrumet har sitt maximum är omvänt proportionell mot temperaturen. Varmare objekt har därför sitt maximum vid kortare våglängd.
Strålningsbalans
Ett system i långsiktig temperaturjämvikt måste i genomsnitt avge lika mycket energi som det absorberar. För jorden påverkas balansen av bland annat solinstrålning, albedo och atmosfärens absorption och emission av infraröd strålning.
Återkoppling och balans
Om ett system absorberar mer strålningsenergi än det avger ökar dess inre energi och vanligtvis temperaturen. Den högre temperaturen ökar i sin tur utstrålningen tills en ny balans kan nås. Därför är strålningsbalans en dynamisk idé: temperatur är en del av återkopplingen mellan in- och utgående energiflöden.
Exempel
Exempel: två stjärnor
- Anta två stjärnor med samma radie men olika yttemperatur.
- Den varmare stjärnan sänder ut mer effekt per ytenhet eftersom utstrålningen växer ungefär som T⁴.
- Dess spektrala maximum ligger också vid kortare våglängd enligt Wiens lag.
- Genom att kombinera spektrum och total ljusstyrka kan astronomer dra slutsatser om temperatur och storlek.
Så gör du
- 1Använd alltid absolut temperatur i kelvin i temperaturstrålningslagar.
- 2Avgör om uppgiften gäller spektrumets maximum eller total utstrålad effekt.
- 3Definiera area och emissivitet om ett verkligt objekt analyseras.
- 4Vid strålningsbalans: kartlägg separat absorberade och emitterade flöden.
- 5Sätt in/ut lika endast när jämvikt eller stationärt tillstånd faktiskt kan antas.
Vanliga misstag
Vanligt misstag
Ett föremål i temperaturjämvikt strålar inte.
Bättre
Det strålar ut energi men tar i genomsnitt emot lika mycket som det avger.
Jämvikt betyder noll nettoflöde.
Vanligt misstag
En kropps synliga färg räcker alltid för att bestämma dess temperatur.
Bättre
Spektrum kan ge temperaturinformation, men verkliga material, absorption och observationsförhållanden påverkar resultatet.
Svartkroppsmodellen är en idealisering.
Fundera
Varför räcker det inte att bara känna till jordens inkommande solstrålning för att avgöra jordens jämviktstemperatur?
Träna
Övning
Temperaturen fördubblas. Hur ändras effekten per area?
Sammanfattning
- Svartkroppen är en ideal modell för temperaturstrålning.
- Utstrålad effekt per area växer starkt med T.
- Varmare objekt har spektralmaximum vid kortare våglängd.
- Strålningsbalans bestäms av skillnaden mellan absorberad och emitterad energi.
Relaterade genomgångar
Fortsätt med något som hänger ihop med den här genomgången.
Magnetfält, induktion & växelström
Förstå samband mellan elektriska och magnetiska fält och hur induktion används.
Läs genomgångenFotoelektrisk effekt & våg-partikeldualism
Förstå våg- och partikelegenskaper hos ljus och materia.
Läs genomgångenLaborationer, frågeställningar & riskbedömning
Planera systematiska fysikundersökningar med tydliga variabler och säkerhetsåtgärder.
Läs genomgången