חוק קירכהוף לקרינה תרמית

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

בהעברת חום, חוק קירכהוף לקרינה תרמית הוא לפליטה ובליעה באורך גל ספציפי של גוף כלשהו בשיווי משקל תרמודינמי.

גוף בטמפרטורה T פולט קרינה אלקטרומגנטית. גוף שחור מושלם בשיווי משקל תרמודינמי בולע את כל הקרינה הפוגעת בו, ופולט קרינה על פי חוק מסוים עבור גוף שחור מושלם. חוק קירכהוף קובע כי:

עבור גוף כללי הפולט וקולט קרינה תרמית בכל אורך גל בשיווי משקל תרמודינמי, היחס בין הספק הקליטה לבין מקדם חסר ממדים של הפליטה, הוא פונקציה אך ורק של אורך הגל של הקרינה והטמפרטורה של הגוף. פונקציה זו מתארת את הספק הפליטה של גוף שחור מושלם[1][2][3][4][5][6].

המקור באנגלית.

For a body of any arbitrary material emitting and absorbing thermal electromagnetic radiation at every wavelength in thermodynamic equilibrium, the ratio of its emissive power to its dimensionless coefficient of absorption is equal to a universal function only of radiative wavelength and temperature. That universal function describes the perfect black-body emissive power.

כאשר מקדם הבליעה חסר הממדים הוא הספק האור הנבלע בגוף ביחס להספק האור ההתחלתי, במצב שיווי משקל תרמודינמי, מכונה גם אבסורפטיביות.

בהסתכלות מעט שונה, ניתן לתאר את הספק הפליטה של גוף אטום כלשהו בעל צורה וממדים מסוימים בטמפרטורה מוגדרת, באמצעות גודל חסר ממדים המכונה אמיסיביות: היחס בין הספק הפליטה של הגוף להספק הפליטה של גוף שחור, באותם ממדים וצורה ובאותה טמפרטורה. בהגדרה זו, החוק של קירכהוף קובע בשפה פשוטה יותר:

עבור גוף כלשהו שנמצא בשיווי משקל תרמודינמי ופולט ובולע קרינה תרמית, האמיסיביות שווה לאבסופטיביות.

המקור באנגלית.
For an arbitrary body emitting and absorbing thermal radiation in thermodynamic equilibrium, the emissivity is equal to the absorptivity.

התנאי של שיווי המשקל התרמודינמי נחוץ כאן, מכיוון שהשוויון בין האמיסיביות והאבסורפטיביות אינו תקף בדרך כלל, כאשר הגוף לא נמצא בשיווי משקל תרמודינמי.

לחוק של קירכהוף יש תוצאה אחרת: האמיסיביות אינה יכולה להיות יותר גדולה מ - 1, (מכיוון שהאבסורפטיביות לא יכולה, מתוך שיקולים של שימור אנרגיה ), כך שלא ניתן להקרין יותר אנרגיה מגוף שחור בשיווי משקל.

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

לפני שהחוק של קירכהוף הוכר, נקבע באופן ניסיוני כי גוף שבולע טוב הוא גוף שפולט טוב, ולהפך. באופן טבעי, רפלקטור טוב חייב להיות קולט לא טוב. זו הסיבה למשל, ששמיכות מילוט מבוססות על ציפויים מתכתיים רפלקטיביים: הם מאבדים יחסית מעט חום מהקרינה. קירכהוף תיאר את החוק במאמריו בשנים 1859–1860.

התובנה הגדולה של קירכהוף הייתה להכיר באוניברסליות ובייחודיות של הפונקציה המתארת את הספק הפליטה של הגוף השחור, אך הוא לא ידע את צורתה או אופייה המדויק של אותה פונקציה. לורד ריילי וסר ג'יימס ג'ינס בשנים 1900–1905, ניסו לתאר זאת במונחים קלאסיים, והתוצאה הייתה חוק ריילי – ג'ינס, אשר התגלה כבלתי עקבי והניב את האסון האולטרה - סגול. הצורה הנכונה של החוק נוסחה על ידי מקס פלאנק בשנת 1900, בהנחת פליטה קוונטית של קרינה, והיא מכונה חוק פלאנק[7]. חוק פלאנק סימל את התחלתה של מכניקת הקוונטים.

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ Kirchhoff 1860
  2. ^ Planck 1914
  3. ^ Milne 1930, p. 80
  4. ^ Chandrasekhar 1960, p. 8
  5. ^ Mihalas & Weibel-Mihalas 1984, p. 328
  6. ^ Goody & Yung 1989, pp. 27–28
  7. ^ Kangro, H. (1970/1976).