Стефан - Больцман және Винн заңдары

Стефан - Больцман және Винн заңдары 1879 жылы австриялық физик И. Стефан тәжірибелердің нәтижелерін зерделей отырып, ал 1884жылы А. Больцман теориялық зерттеуге термодинамикалық тәсілді қолдана отырып, мынаны тағайындады: абсолют қара дененің интегралдың энергетикалық жарқырауы абсолют температураның төртінші дәрежесіне тура пропорционал:

$R=\sigma T^{4},$

Бұл — Стефан-Больцман заңы. Мұнда $\sigma$ = 5,67 • 10⁻⁸Вт/м²К⁴ - Стефан-Больцман тұрақтысы деп аталады. өрнегінен абсолют қара дененің интегралдық энергетикалық жарқырауы тек температураға тәуелді екеінін көреміз. Бірақ, бұл заң абсолют қара дененің сәулеленуінің спектрлік құрамы туралы ештеңе айтпайды. Сондықтан алдымен тәжірибе жүзінде арнайы зерттеулер жүргізілді. Абсолют қара дененің энергетикалық жаркырауының спектрлік тығыздығының (сәулелену қабілетінің) жиілікке тәуелділігі түрлі-түсті қосымшадағы 6-суретте көрсетілген.

Суреттен абсолют қара дененің сәулелену спектрінде энергияның таралуы біркелкі емес екені байқалады. Барлық қисықтарда айқын максимум бар, ол температура өскен сайын қысқа толқындар (үлкен жиіліктер) жайына қарай ығыса береді. Осы себепті де металл кесегін қыздырғанда, ол алдымен, қызыл, содан соң қызғылт сары, содан кейін ақ сары жарық шығарады. Әрбір қисық пен абсциссалар осінің арасында жатқан аудан берілген Т температурадағы интегралдық энергетикалық жарқырау R- ға тең. Бұл аудан (яғни R) Стефан-Больцман заңы бойынша температураның 4-дәрежесіне тәуелді (Т⁴ - не пропорционал) өседі.

Неміс физигі Винн абсолют қара дененің сәулелену қабілетінің максимумы сәйкес келетін жиіліктің температураға тәуелділігін тағайындайды:

${\frac {\nu _{\mathrm {m} }}{T}}=b_{\mathrm {1} }$

Абсолют қара дененің энергетикалық жарқырауының спектпрлік тығыздығының максимумына сәйкес келетін жиілік дененің абсолют температурасына тура пропорционал. Әдетте, Винн заңын жиілік емес, толқын ұзындығы арқылы мына түрде жазады:

$\lambda _{\mathrm {m} }={\frac {b}{T}}$

мұндағы b=2,9 -103 м•К — Винн тұрақтысы деп аталады.

Абсолют қара дененің сәулеленуінің спектрлік заңдылықтарын алғаш рет теориялық түрде дұрыс негіздеген Макс Планк. Ол үшін оған кванттық гипотезаны енгізуге тура келді. Бұл классикалық физикаға мүлде жат тұжырымдама еді. Классикалық физикада кез келген жүйенің энергиясы үздіксіз өзгереді. Ал Планктің кванттық гипотезасы бойынша энергия "үлестермен", дискретті түрде ғана шығарылады. Энергия "үлесін" квант деп атайды. Әр кванттың энергиясы жиілікке пропорционал:

$E=h\nu$

мұндағы һ = 6,626 10³⁴Дж*с — Планк тұрақтысы деп аталатын фундаментал (жарық жылдамдығы, элементар заряд секілді) тұрақты шама.

Қатты қызған денелердің сәулеленуі түрлі жарықтандыру құралдарын жасауда қолданылады. Мысалы, кәдімгі электр шамының вольфрам қылы өте жоғары температураға (-3000К) дейін қыздырылуы нәтижесінде жарық шығарады. Түрлі техникалық қажеттіліктер үшін доғалық шамдар пайдаланылады.

Қатты қызып тұрған денелердің температурасын Стефан-Больцман заңының негізінде жасалған құралдармен өлшейді. Мұндай тәсілді оптикалық пирометрия, ал аспаптарды пирометрлер дейді.

Жылудидар (тепловизор) деп аталатын құралдардың көмегімен денелердің инфрақызыл сәулелерін "көруге" болады. Осы сәулелердің көмегімен түрлі заттардағы өте ұсақ сызаттарды, ақауларды анықтайды және бұл тәсілдер өндірісте, түрлі технологиялық процестерде, автосервисте сапаны анықтауға мүмкіндік береді.

Медицинада ИК (инфрақызыл) — термография әдісімен адам ағзасындағы қабыну, ісіктер немесе қан айналуының бұзылуы сияқты көптеген ауруларды анықтап тауып, оны емдейді.

Дереккөздер

Стефан-Больцман заңы