Absolutně černé těleso
Z Encyklopedie o termovizi a termovizní diagnostice - Termowiki
Absolutně černé těleso je důležitým fyzikálním konstruktem (modelem) s kterým se pracuje při odvození Planckova vyzařovacího zákona i při odvození správné metodiky termovizní diagnostiky. Anglický termín pro absolutně černé těleso je black body.
Obsah |
Definice pojmu absolutně černého tělesa
Absolutně černé těleso je definováno, jako těleso, které zcela pohlcuje veškeré elektromagnetické záření (tj. bez ohledu na vlnovou délku, frekvenci, polarizaci apod.), které na něj dopadá. Tedy absolutně černé těleso neodráží záření na žádné vlnové délce. Těleso lze modelovat pomocí vyzařovací charakteristiky (malého) otvoru vytvořeného v izotermní dutině neprůhledného absorbujícího materiálu. Pohltivost takového tělesa je veliká, neboť záření, které vstoupí otvorem do vnitřku tělesa je v tělese odráženo od jeho stěn, až je prakticky všechno pohlceno. Ven je tedy z tělesa vyzářeno minimum dopadajícího záření a tím se vlastnosti otvoru přibližují vlastnostem absolutně černého tělesa.
Jak uvidíme dále, reálný objekt můžeme s absolutně černým tělesem poměřovat pomocí tří pojmů: spektrální pohltivost, spektrální odrazivost a spektrální propustnost. V praxi termovizní diagnostiky si pak často vystačíme s pojmem emisivita.
Modely absolutně černého tělesa
Aproximace reálného tělesa
Reálná tělesa můžeme aproximovat následujícími modely: Pro aproximaci reálných předmětů (jejichž chování je více nebo méně vzdáleno od chování absolutně černého tělesa) jsou důležité následující pojmy:
- spektrální pohltivost, odrazivost a propustnost
- emisivita
- šedé těleso a selektivní zářič
Spektrální pohltivost, odrazivost a propustnost
Reálné těleso se od absolutně černého tělesa odlišuje následujícími třemi vlastnostmi (faktory):
- spektrální pohltivost
- tj. poměr energie pohlcené spektrálním zářičem a celkovým tokem
- spektrální odrazivost
- tj. poměr energie odražené spektrálním zářičem a celkovým tokem
- spektrální propustnost
- tj. poměr energie propuštěná spektrálním zářičem a celkovým tokem, u nepropustných
materiálů je tento faktor roven nule
Suma všech těchto tří faktorů je rovna jedné, tj.:
Všechny tři vlastnosti jsou obecně závislé na vlnové délce vyzařovaného záření. V praxi jsou však v řadě případů považovány za konstanty (viz definice šedého zářiče dále). Absolutně černé těleso má jednotkovou spektrální pohltivost, nulovou spektrální odrazivost a nulovou spektrální propustnost, neboť dopadající záření nepropouští ani neodráží, ale naopak zcela pohlcuje.
Lze odvodit, že pro všechny tělesa platí rovnost mezi spektrální pohltivostí a vyzařováním 
. Pro lesklé objekty (například leštěné kovové plochy apod.) se emisivita blíží nule.
Emisivita
Emisivita 
je poměr mezi energií 
spektrálního zářiče skutečného (reálného) objektu a energií 
absolutně černého tělesa při stejné vlnové délce a teplotě:
Emisivita je obecně funkcí vlnové délky 
. U tzv. šedých těles si vystačíme bez uvažování této frekvenční závislosti, u tzv. selektivních zářičů je třeba uvažovat emisivitu jako funkci vlnové délky.
Mohlo by se zdát (a různé tzv. tabulky emisivit tomuto zdání napomáhají), že emisivita je konstantní. Ve skutečnosti emisivita závisí na všech představitelných parametrech: úhlu odklonu od normály povrchu, teplotě, vlnové délce, barvě povrchu, struktuře povrchu apod.
Více informací o emisivitě, včetně jejího nastavené při termovizním měření a tabulku emisivit základních materiálů naleznete v samostatném článku: emisivita.
Modely reálných těles
- šedé těleso - emisivita šedého tělesa je menší než jedna, ale není závislá na frekvenci (tj. emisivita je konstantní na všech vlnových délkách
)
- selektivní zářič - emisivita selektivního zářiče je funkcí vlnové délky záření
Každý skutečný předmět se ve skutečnosti chová jako selektivní zářič (tedy jeho emisivita je funkcí frekvence), ale v řadě případů (a pro jistý rozsah vlnových délek) je "šedé těleso" dostačující aproximací.
Podle Stefan-Boltzmannova zákona platí, že při rovnosti teplot šedého a černého tělesa je konečná energie vyzařovaná šedým zářičem v porovnání s vyzářenou energií černého tělesa menší a to úměrně emisivitě šedého zářiče.
Historie
Absolutně černé těleso v roce 1860 definoval Kirchhoff společně s tzv. Kirchhoffův zákon termální radiace.
Související články
-
Wienův posunovací zákon
- Stefan-Boltzmannův zákon
- Planckův vyzařovací zákon
- Teplota
- Emisivita
- Kirchhoffův zákon termální radiace
Odkazy
CZ:
EN:
