Transcript Toplotno zračenje ppt

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
1) Sva tijela emituju toplotno zračenje na račun svoje unutrašnje
energije.
2) To zračenje se emituje na svakoj temperaturi T
3) 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)
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)
 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)
Sunce
6000
Zemlja
300
max
(m)
Region u
spektru
E
(W/m2)
T
(K)
max
(m)
Sunce
6000
0.5
Zemlja
300
10
Region u
spektru
E
(W/m2)
Electromagnetni spektar
infracrveni
mikrotalasi
1000
Niska
Energija
vidljiva
svjetlost ultravioletna x-zraci
100
10
 (m)
1
0.1
0.01
Visoka
Energija
T
(K)
max
(m)
Region u
spektru
Sunce
6000
0.5
Vidljiva
(žuta?)
Zemlja
300
10
Infra
crvena
F
(W/m2)
• 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.
Sunce
T
(K)
max
(m)
Region u
spektru
6000
0.5
vidljiva
(zelena)
Zemlja
300
10
Infra
crvena
E
(W/m2)
 Stefan-Boltzman’ ov zakon
E =  T4
E = fluks energije (W/m2)
T = temperatura (K)
 = 5.67 x 10-8 W/m2/K4 (konstanta)
Sunce
T
(K)
max
(m)
6000
0.5
Region u
spektru
E
(W/m2)
vidljiva 7 x 107
(zelena)
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.
Energetska ravnoteža:
Upadna energija = izlazna energija
Ein = Eout
Eout
Ein
Koliko Sunčeve energije stigne na Zemlju?
Koliko Sunčeve energije stigne na Zemlju?
Kako se energija rasipa dalje od Sunca, ona
se širi preko veće i veće površine.
Koliko Sunčeve energije stigne na Zemlju?
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 = L / (4  rs-e2) = 3.9 x 1026 W
4 x  x (1.5 x 1011m)2
= 1370 W/m2
So je solarna konstanta za Zemlju
So = L / (4  rs-e2) = 3.9 x 1026 W
4 x  x (1.5 x 1011m)2
= 1370 W/m2
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?
300 K
Koliko energije emituje Zemlja?
Eout = E x (površina Zemlje)
Koliko energije emituje Zemlja?
Eout = E x (površina Zemlje)
E =  T4
Površina = 4  re2
Koliko energije emituje Zemlja?
Eout = E x (površina Zemlje)
E =  T4
Površina = 4  re2
Eout = ( T4) x (4  re2)
Sunce
Zemlja
1000
100
10
 (m)
1
0.1
0.01
Toplija tijela emituju
Više energije od
hladnijih
F =  T4
Toplija tijela emituju na
kraćoj talasnoj dužini.
max = 3000/T
1000
100
Sun
Earth
10
 (m)
1
0.1
0.01
Toplija tijela emituju
Više energije od
hladnijih
E =  T4
Koliko energije emituje Zemlja?
Eout = E x (površina Zemlje)
Eout
Koliko energije emituje Zemlja?
Eout = E x (površina Zemlje)
E =  T4
Površina = 4  re2
Eout = ( T4) x (4  re2)
Eout
Koliko solarne energije dolazi na Zemlju?
Ein
Koliko solarne energije dolazi na Zemlju?
Možemo da pretpostavimo da solarno zračenje
pokriva površinu kruga koji je definiran Zemljinim
radijusom (re).
Ein
re
Koliko solarne energije dolazi na Zemlju?
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
4 x  x (1.5 x 1011m)2
= 1370 W/m2
So je solarna konstanta za Zemlju
Određena je rastojanjem između zemlje (rs-e) i
Sunca i Sunčevom luminoznošću.
Koliko solarne energije dolazi na Zemlju?
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
Koliko solarne energije dolazi na Zemlju?
Ein = So  re2
ALI OVO NIJE SASVIM TAČNO!
**Nešto energije se reflektuje**
Ein
re
Koliko solarne energije dolazi na Zemlju?
Albedo (A) = % energije koja se reflektuje
Ein = So  re2 (1-A)
Ein
re
Koliko solarne energije dolazi na Zemlju?
Albedo (A) = % energije koja se reflektuje
A= 0.3 today
Ein = So  re2 (1-A)
Ein = So  re2 (0.7)
Ein
re
Energetski balans:
Upadna energija = izlaznoj energiji
Ein = Eout
Eout
Ein
Energetski balans:
Ein = Eout
Ein = So  re2 (1-A)
Eout
Ein
Energetski balans:
Ein = Eout
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  re2 (1-A) =  T4 (4  re2)
Eout
Ein
Energetski balans:
Ein = Eout
So (1-A) =  T4 (4)
Eout
Ein
Energetski balans:
Ein = Eout
So (1-A) =  T4 (4)
T4 = So(1-A)
4
Eout
Ein
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 = (255 - 273) = -18 oC
Da li je temperatura Zemljine površine zaista -18 oC?
Da li je temperatura Zemljine površine zaista -18 oC?
NE. Stvarna temperatura je viša!
Mjerena temperatura (Tobs) je 15 oC.
Da li je temperatura Zemljine površine zaista -18 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.