Física

Radiación térmica y radiación de cuerpo negro.


Dos conceptos importantes para la física cuántica son la radiación térmica y el cuerpo negro. De ahora en adelante estudiaremos cada uno de ellos.

Radiacion termica

Cualquier superficie de un cuerpo que está por encima del cero absoluto emite radiación electromagnética. Como esta energía está relacionada con la temperatura, se llama radiación termal.

La radiación térmica emitida por la superficie de un cuerpo a temperatura ambiente es infrarroja, una radiación invisible. Si elevamos la temperatura de una placa metálica a 600 ° C, por ejemplo, la radiación emitida seguirá siendo infrarroja, pero ahora podremos "percibirla" si acercamos nuestras manos a la placa. Aumentar aún más la temperatura a alrededor de 700 ° C no solo generará radiación infrarroja intensa, sino que también podremos observar la emisión de luz rojiza.

Si la temperatura de la placa metálica continúa aumentando y suponiendo que no se alcanza la temperatura de fusión, observaremos una radiación infrarroja cada vez más intensa, y la placa cambiará gradualmente de rojo a naranja, luego a amarillo, y así sucesivamente. en adelante, tendiendo a blanco.

Cuando sale la luz azul, su mezcla con las otras luces nos da la sensación de blanco, como con el filamento encendido de una bombilla incandescente. Si un cuerpo que ya ha alcanzado la coloración blanca continúa aumentando la temperatura, tenderá a adquirir una coloración azulada. Es por eso que las estrellas azules son las más calientes.

Ley Stefan-Boltzmann

En 1879 Stefan obtuvo, empíricamente, la ecuación que Boltzmann demostró matemáticamente en 1884. La expresión es:

(Ley Stefan-Boltzmann)

Donde:

Pot = potencia total irradiada desde la superficie exterior de un cuerpo a una temperatura absoluta T;

e = emisividad o potencia de emisión del cuerpo, dependiendo de la naturaleza de la superficie emisora ​​y puede asumir valores entre 0 y 1 (cantidad adimensional);

σ = constante de Boltzmann, cuyo valor es σ = 5.67x10-8 W / m2K4;

A = área de superficie emisora.

Es importante señalar que, de acuerdo con la Ley de Stefan-Boltzmann, la potencia radiada depende de la temperatura superficial absoluta del cuerpo en la cuarta potencia, por lo que es el factor determinante en la ecuación.

La ley de Stefan-Boltzmann también se puede expresar de la siguiente manera:

Donde Yo es la intensidad total de la radiación térmica emitida por el cuerpo, es decir, la cantidad total de energía emitida por unidad de tiempo y por unidad de área de la superficie externa del cuerpo.

Según la teoría electromagnética clásica, la radiación térmica es emitida por cargas eléctricas del cuerpo, oscilando a varias frecuencias cerca de la superficie debido a la agitación térmica. Por lo tanto, la radiación se emite en un rango continuo de frecuencias, es decir, en un espectro continuo:

Según la física clásica, a medida que la radiación térmica brilla en un cuerpo, las cargas eléctricas cerca de la superficie del cuerpo se agitan, de modo que parte de la energía incidente en el cuerpo es absorbida por él. En 1859, Gustav Kirchhoff se dio cuenta de que el poder de absorción de un cuerpo es igual a su poder de emisión. Matemáticamente:

Por lo tanto, un buen cuerpo que absorbe la radiación térmica (mal reflector) también es un buen emisor. Del mismo modo, un mal absorbente (buen reflector) también es un mal emisor.