Toplotno zračenje Zračenje crnog tijela

Toplotno zračenje Zračenje crnog tijela

Kvantna svojstva elektromagnetnog zračenja. "Ultravioletna katastrofa".
§ Sva tijela, na bilo kojoj temperaturi, stalno emituju energiju u obliku elektromagnetnih talasa - to je tzv. termičko (toplotno) zračenje. § Na datoj temperaturi T intenzitet elektromagnetnih zračenja koje emituje tijelo zavisi od talasne dužine λ (vidljivi dio spektra, IC, …). § Apsolutno crno tijelo je savršeni apsorber energije elektromagnetnih talasa koju istovremeno i reemituje nazad u prostor oko sebe. Sa porastom temperature, maksimum intenziteta zračenja se pomijera u oblast manjih talasnih dužina λ većih frekvencija ν). Intenzitet emitovane energije apsolutno crnog tijela

Funkcija spektralne gustine zračenja apsolutno crnog tijela
Stefan Boltzmann-ov zakon: E =  T4 Wien’ov zakon Pomijeranja: max· T(K) 3000 m

Osnovni zakoni toplotnog zračenja
Sva tijela emituju toplotno zračenje na račun svoje unutrašnje energije. To zračenje se emituje na svakoj temperaturi T Toplija tijela emituju više energije od hladnijih 4) Količina koju emituje tijelo proporcionalna je četvrtom stepenu njegove apsolutne temperature.  To je Stefan Boltzmann-ov zakon E =  T4 E = flux energije (W/m2) T = temperature (K)  = 5.67 x 10-8 W/m2K4 (S-B konstanta)

T(K) Osnovni zakoni toplotnog zračenja
1) Sva tijela emituju toplotno zračenje. 2) Toplija tijela emituju više energije od hladnijih. Količina emitovane energije zavisi od temperature na kojoj se tijelo nalazi. 3) Što je tijelo toplije to je kraća talasna dužina najviše (maksimalno) emitovatog zračenja To je Wien’ov zakon max  3000 m T(K)

max  3000 m T(K)  Stefan-Boltzmann-ov zakon E =  T4
E = fluks energije (W/m2) T = temperatura (K)  = 5.67 x 10-8 W/m2K4 (konstanta)  Wien’ov zakon max  3000 m T(K)

Koristeći ove zakone možemo izračunati karakteristike toplotnog zračenja koje dolazi sa Sunca i od Zemlje 6,000 K 300 K

T (K) max (m) Region u spektru E (W/m2) Sunce 6000 Zemlja 300

T (K) max (m) Region u spektru E (W/m2) Sunce 6000 0.5 Zemlja 300 10

Electromagnetni spektar
vidljiva svjetlost mikrotalasi infracrveni ultravioletna x-zraci 1000 100 10 1 0.1 0.01 Niska Energija Visoka Energija  (m)

T (K) max (m) F (W/m2) Sunce 6000 0.5 Vidljiva (žuta?) Zemlja 300 10
Region u spektru F (W/m2) Sunce 6000 0.5 Vidljiva (žuta?) Zemlja 300 10 Infra crvena

Plava svjetlost sa Sunca je uklonjena iz snopa Rayleigh-jevim rasijanjem, tako da Sunce izgleda žuto kad se gleda sa Zemljine površine iako je maksimum njegovog zračenja u zelenom.

T (K) max (m) E (W/m2) Sunce 6000 0.5 vidljiva Zemlja 300 10
Region u spektru E (W/m2) Sunce 6000 0.5 vidljiva (zelena) Zemlja 300 10 Infra crvena

 Stefan-Boltzman’ ov zakon E =  T4 E = fluks energije (W/m2)
T = temperatura (K)  = 5.67 x 10-8 W/m2/K4 (konstanta)

T (K) max (m) E (W/m2) Sunce 6000 0.5 vidljiva 7 x 107 Zemlja 300 10
Region u spektru E (W/m2) Sunce 6000 0.5 vidljiva (zelena) 7 x 107 Zemlja 300 10 Infra crvena 460

Sunčevo zračenje i Zemljin energetski bilans

Planetarna energetska ravnoteža
Možemo iskoristiti ove zakone kako bismo izračunali ravnotežu zračenja na Zemlji.

Neke osnovne formule: Površina kruga =  r2 Površina kugle = 4  r2

Energetska ravnoteža:
Energija koju dobije Zemlja jednaka je onoj koju Zemlja izgubi. Da nije tako, temperatura Zemlje bi stalno rasla ili opadala.

Ein = Eout Energetska ravnoteža: Upadna energija = izlazna energija

Koliko Sunčeve energije stigne na Zemlju?

Kako se energija rasipa dalje od Sunca, ona se širi preko veće i veće površine.

Kako se energija rasipa dalje od Sunca, ona se širi preko veće i veće površine.  To je zakon inverznog kvadrata

So = L / površina sfere

So je solarna konstanta za Zemlju
So = L / (4  rs-e2) = 3.9 x 1026 W = 1370 W/m2 4 x  x (1.5 x 1011m)2 So je solarna konstanta za Zemlju

So = L / (4  rs-e2) = 3.9 x 1026 W = 1370 W/m2 4 x  x (1.5 x 1011m)2 So je solarna konstanta za Zemlju Određena je rastojanjem između zemlje (rs-e) i Sunca i Sunčevom luminoznošću.

Svaka planeta ima svoju solarnu konstantu...

Koliko solarne energije stigne na Zemlju?
Ako pretpostavimo da Sunčevo zračenje pokriva krug definiran radijusom Zemlje (re) Ein re

Koliko solarne energije stigne na Zemlju?
Ako pretpostavimo da Sunčevo zračenje pokriva krug definiran radijusom Zemlje (re) Ein = So (W/m2) x  re2 (m2) Ein re

Koliko energije emituje Zemlja?

Eout = E x (površina Zemlje)

Eout = E x (površina Zemlje) E =  T4 Površina = 4  re2

Eout = E x (površina Zemlje) E =  T4 Površina = 4  re2 Eout = ( T4) x (4  re2)

 (m) Sunce Zemlja Toplija tijela emituju Više energije od hladnijih
1000 100 10 1 0.1 0.01 Toplija tijela emituju Više energije od hladnijih F =  T4  (m)

Toplija tijela emituju na kraćoj talasnoj dužini.
max = 3000/T Sun Earth 1000 100 10 1 0.1 0.01 Toplija tijela emituju Više energije od hladnijih E =  T4  (m)

Eout = E x (površina Zemlje) Eout

Eout = E x (površina Zemlje) E =  T4 Površina = 4  re2 Eout = ( T4) x (4  re2) Eout

Koliko solarne energije dolazi na Zemlju?
Ein

Možemo da pretpostavimo da solarno zračenje pokriva površinu kruga koji je definiran Zemljinim radijusom (re). Ein re

Možemo da pretpostavimo da solarno zračenje pokriva površinu kruga koji je definiran Zemljinim radijusom (re). Ein = So x (površina kruga) Ein re

Ako se prisjetimo ... So = L / (4  rs-e2) = 3.9 x 1026 W = 1370 W/m2 4 x  x (1.5 x 1011m)2 So je solarna konstanta za Zemlju Određena je rastojanjem između zemlje (rs-e) i Sunca i Sunčevom luminoznošću.

Možemo da pretpostavimo da solarno zračenje pokriva površinu kruga koji je definiran Zemljinim radijusom (re). Ein = So x (area of circle) Ein = So (W/m2) x  re2 (m2) Ein re

**Nešto energije se reflektuje**
Koliko solarne energije dolazi na Zemlju? Ein = So  re2 ALI OVO NIJE SASVIM TAČNO! **Nešto energije se reflektuje** Ein re

Albedo (A) = % energije koja se reflektuje Ein = So  re2 (1-A) Ein re

Albedo (A) = % energije koja se reflektuje A= 0.3 today Ein = So  re2 (1-A) Ein = So  re2 (0.7) re Ein

Ein = Eout Energetski balans: Upadna energija = izlaznoj energiji Eout

Energetski balans: Ein = Eout Ein = So  re2 (1-A) Eout Ein

Ein = Eout Energetski balans: Ein = So  re2 (1-A)
Eout =  T4(4  re2) Eout Ein

Energetski balans: Ein = Eout So  re2 (1-A) =  T4 (4  re2) Eout Ein

Energetski balans: Ein = Eout So (1-A) =  T4 (4) Eout Ein

Ein = Eout Energetski balans: So (1-A) =  T4 (4) T4 = So(1-A) 4 Eout

T4 = So(1-A) 4 Ako poznajemo So i A, možemo izračunati temperaturu Zemlje. To zovemo očekivana temperatura (Texp). To je temperatura koju bi očekivali kada bi se Zemlja ponašala kao crno tijelo. Ovaj proračun se može napraviti za svaku planetu ako znamo njenu solarnu konstantu i njen albedo.

T4 = So(1-A) 4 Za Zemlju je: So = 1370 W/m2 A = 0.3
 = 5.67 x 10-8 W/m2K4

T4 = So(1-A) 4 Za Zemlju je: So = 1370 W/m2 A = 0.3  = 5.67 x 10-8
T4 = (1370 W/m2)(1-0.3) 4 (5.67 x 10-8 W/m2K4)

T4 = So(1-A) 4 Za Zemlju je: So = 1370 W/m2 A = 0.3  = 5.67 x 10-8
T4 = (1370 W/m2)(1-0.3) 4 (5.67 x 10-8 W/m2K4) T4 = 4.23 x 109 (K4) T = 255 K

Očekivana temperatura:
Texp = 255 K (oC) = (K) - 273

Očekivana temperatura:
Texp = 255 K (oC) = (K) - 273 Texp = ( ) = -18 oC

Da li je temperatura Zemljine površine zaista -18 oC?

NE. Stvarna temperatura je viša! Mjerena temperatura (Tobs) je 15 oC.

NE. Stvarna temperatura je viša! Mjerena temperatura (Tobs) je 15 oC. Razlika između mjerene i očekivane temperature je (T): T = Tobs - Texp T = 15 - (-18) T = + 33 oC

T = + 33 oC Drugim riječima, Zemlja je za 33 oC toplija nego što se očekuje prema proračunu za crno tijelo i prema poznatom imputu solarne energije.

T = + 33 oC Drugim riječima, Zemlja je za 33 oC toplija nego što se očekuje prema proračunu za crno tijelo i prema poznatom imputu solarne energije. Ova dodatna toplina je ono što mi zovemo GREENHOUSE EFFECT (efekat staklenika).

T = + 33 oC Drugim riječima, Zemlja je za 33 oC toplija nego što se očekuje prema proračunu za crno tijelo i prema poznatom imputu solarne energije. Ova dodatna toplina je ono što mi zovemo GREENHOUSE EFFECT (efekat staklenika). To je rezultat zagrijavanja Zemljine površine usljed apsorpcije zračenja u atmosferi.

Efekat staklenika: Toplota se apsorbuje ili “je zarobe” gasovi u atmosferi. Zemlja prirodno ima efekat staklenika od +33 oC.

Postoji bojazan da će iznos stakleničkog zagrijavanja rasti sa porastom količine CO2 u atmosferi uzrokovanog ljudskim aktivnostima.

Da bismo zadržali ugodnu temperaturu na Zemlji mi trebamo efekat staklenika !
Kompliciranost globalnog zagrijavanja sastoji se u tome što povećanje količine CO2 (i drugih “stakleničkih” gasova) u atmosferi utječe na povećanje Zemljine srednje temperature, ali isto tako može povećati oblačnost, koja je snižava. Jedno je ipak jasno: pošto je klima značajno uslovljena toplotnom ravnotežom u atmosferi, sve što mijenja atmosfersku apsorpciju mora imati klimatske posljedice.

Zadatak Spektar sunčevog zračenja je blizak zračenju crnog tijela sa maksimumom zračenja na  = 0.5 m. Naći gubitak mase Sunca u jednoj sekundi. Koliko vremena treba da Sunce izgubi 1% svoje mase usljed zračenja? Radijus Sunca je: 7·108 m, a njegova masa - 2 ·1030 kg.

Toplotno zračenje Zračenje crnog tijela

Liknende presentasjoner

Presentasjon om: "Toplotno zračenje Zračenje crnog tijela"— Utskrift av presentasjonen:

Liknende presentasjoner

Om prosjektet

Tilbakemelding

Logg inn

Logg deg på via sosiale nettverk:

Toplotno zračenje Zračenje crnog tijela

Liknende presentasjoner

Presentasjon om: "Toplotno zračenje Zračenje crnog tijela"— Utskrift av presentasjonen:

Liknende presentasjoner

Om prosjektet

Tilbakemelding