Các định Luật Bức Xạ Nhiệt - VinaBase

Nội dung

CÁC ĐỊNH LUẬT BỨC XẠ NHIỆT

 

Ai cũng biết vật nóng bất kỳ có thể dùng làm nguồn nhiệt, ví dụ như lò sưởi trong nhà. Còn nếu vật rất nóng thì nó có thể phát sáng, chẳng hạn như sợi dây tóc bóng đèn. Theo ngôn ngữ quang học sóng một vật được nung nóng dần thì ban đầu nó phát ra các sóng nhiệt, tức các tia hồng ngoại không nhìn thấy được, sau đó đến các sóng ánh sáng: đỏ, da cam, v.v... theo phổ đã biết. Như ta đã biết, trong các điều kiện bằng nhau thì phổ bức xạ tùy thuộc vào chất liệu vật thể. Từ hai quả cầu bằng đá và trong thép chẳng hạn được nung nóng tới nhiệt độ đủ cao, bằng nhau, thì cái thứ nhất sẽ chiếu sáng hơn nhiều so với các thứ hai. Bên cạnh đó, theo phát hiện của Gustav Kirchhoff, trong tự nhiêncó những quy luật chung về bức xạ của các vật nóng, không phụ thuộc vào bản chất hình dạng hay kích thước của các vật đó.

Giả sử bức xạ đi tới vật nào đó. Một phần các tia bị phản xạ từ bề mặt vật phần các tia khác thì xuyên vào bên trong, một số bị hấp thụ chuyển thành nhiệt, số khác sau hàng loạt phản xạ lại đi ra khỏi vật thể. Một tỷ phần của tổng bức xạ tới trong khoảng tần số từ v đếnv + v, vẫn còn lại ở trong vật và chuyển thành nhiệt, được gọi là khả năng hấp thụ ứng với tần số v  v + v cho trước. Bức xạ phát ra từ 1cm2 bề mặt vật sau một giây, được gọi là khả năng phát xạ hay bức xạ.

Năm 1859 Kirchhoff khám phá được rằng ở trạng thái cần bằng nhiệt tỷ số các khả năng bức xạ và hấp thụ của vật là một hàm số phổ quát K(v,T), chỉ phụ thuộc tần số bức xạ n và nhiệt độ tuyệt đối T và đúng với mọi chất, mọi cấu trúc vật thể (định luật Kirchhoff).Định luật này được suy ra từ các nguyên lý nhiệt động lực học; đặc biệt là từ nguyên lý không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại hai (không thể thu được năng lượng bằng cách truyền nhiệt từ vật lạnh tới vật nóng). Cũng giống các nguyên lý nhiệt động lực học định luật Kirchhoff có đặc tính chung bao quát. Cần tìm dạng hiển thị rõ của hàm số K(v,T) hay đại lượng uv(T) =  với c là tốc độ ánh sáng trong chân không, uv là mật độ năng lượng bức xạ qua khoảng tần số đơn vị (uv chỉ ra sự phân bố năng lượng bức xạ theo các tần số ở nhiệt độ cho trước và được gọi là mật độ phổ bức xạ). Lấy tổng uv theo tất cả các tần số v sẽ được mật độ năng lượng tức năng lượng toàn phần của bức xạ trong một đơn vị thể tích.

Khả năng hấp thụ của vật là cực đại khi nó hấp thụ toàn thể năng lượng tới. Theo Kirchhoff, đó chính là một vật đen tuyệt đối- một khái niệm do ông đưa ra năm l860. Vật đen có thể chế tạo ở dạng hộp rỗng có các vách không xuyên thấm được giữ nóng đồng đều. Bên trong nó do kết quả của nhiều phát xạ và hấp thu các bức xạ ở nhiệt độ cho trước mà thiết lập được cân bằng nhiệt và bức xạ bị giam giữ là ổn định - như bức xạ của một vật đen ở nhiệt độ tương đương. 

Nếu trên vách hộp rỗng khoét một lỗ nhỏ thì năng lượng phát ra qua lỗ ấy chính là năng lượng bức xạ vật đen ở nhiệt độ đã cho.

Đo mật độ phổ bức xạ là công việc khá khó khăn. Một trong những người đầu tiên giải quyết được bài toán ấy là nhà vật lý và thiên văn Mỹ Samuel Langley (1834 - 1906). Ông chế ra một thiết bị đặc biệt là xạ năng kế (bolometer) thường gọi là nhiệt kế bức xạ và năm 1886 đã thu được các số liệu về phân bố năng lượng trong phổ bức xạ nhiệt của các nguồn bôi đen bằng bồ hóng trong vùng hồng ngoại xa ( = 5,3 mm).

Trong khi đó các nhà vật lý thực nghiệm Đức do Otto Richard Lummer (1860 - 1925) lãnh đạo thì chế ra các mô hình vật đen tuyệt đối khác nhau và các bộ thu bức xạ có độ nhạy cao, cho phép nâng cao đáng kể độ chính xác các phép đo. Năm 1896 người Đức Wilhelm Wien (1864 - 1928) đã đưa ra địnhluật dịch chuyển) dựa trên kết quả của các nhà vật lý Nga V. A. Mikhelson (1860 - 1927) và B. B. Golitsyn (1862 - 1916). Wien chỉ ra rằng mật độ phổ bức xạ vật đen cần phải đạt cực đại ở một bước sóng và bước sóng đó là tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối T của vật sử dụng định luật dịch chuyển của Wien có thể dựa vào đường cong phân bố năng lượng bức xạ theo tần số (hay bước sóng) đo đạc được để xác định nhiệt độ của vật. Bằng cách ấy người ta đã xác định được nhiệt độ của Mặt Trời chẳng hạn. Còn các thợ nấu thép giàu kinh nghiệm cũng biết được nhiệt độ của lò căn cứ vào màu của kim loại nóng chảy trong đó.

Từ khóa » định Luật Kirchhoff Về Bức Xạ Nhiệt