INFORME DE LABORATORIORADIACION DE CUERPO NEGRO

CARLOS FERNANDO PIÑEROS ROLDAN 201010033CRISTIAN CAMILO JIMENEZ GIL 201010511JULIANA PINEDA LARA 201010003

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIAFACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA CIVILTUNJA2012

MARCO TEORICO

Un cuerpo que a cualquier temperatura absorbe toda la radiación que incide sobre él, cualquiera sea la longitud de onda.

De modo que:

“Todos los cuerpos negros tienen la misma distribución de energía”.“Todos los cuerpos negros tienen las mismas curvas espectrales”.

Cuerpos reales que se aproximan a un Cuerpo negro:

Cuerpo recubierto con negro de humo. Cuerpo recubierto con negro de Platino. El Sol, es un radiador o emisor ideal. Las estrellas.

La temperatura de un cuerpo que esta más caliente que su entorno tiende a decrecer con el tiempo, lo que equivale a decir que el cuerpo está desprendiendo energía. Esta pérdida de energía por parte del cuerpo se puede producir mediante los mecanismos de conducción y de convección, en los que la magnitud del intercambio energético es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el entorno. Además estas modalidades de transmisión necesitan de la presencia de algún medio que se encuentre en contacto con el cuerpo que se considera. No obstante, si aislamos completamente un cuerpo caliente de cualquier medio que pueda estar en contacto con él (es decir, hacemos el vacío) podemos comprobar que la temperatura también disminuye con el tiempo y que el cuerpo pierde energía. El tipo de transmisión de energía registrado en estos casos es completamente distinto al de los dos anteriores y se conoce con el nombre de radiación térmica. Todos los cuerpos emiten energía y a su vez la absorben de sus inmediaciones. Cuando se alcanza el equilibrio térmico, la velocidad de emisión y absorción son iguales. La materia en estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro continuo de radiación. Este espectro depende sobremanera de la temperatura. A temperaturas ordinarias, los cuerpos se ven por la luz que reflejan, no por la que emiten. Sin embargo, a temperaturas altas los cuerpos son autoluminosos y es

posible verlos brillar en cuartos oscuros. Si se eleva uniformemente la temperatura de un cuerpo caliente, se observa: A mayor temperatura, mayor radiación térmica emitida. Entre más alta la temperatura, más alta es la frecuencia de la parte del espectro que radia más intensamente; los colores cambian de rojo vivo a rojo blanco a azul. Así, se puede estimar la temperatura de cuerpos incandescentes (estrellas, hierro, etc.) a través del análisis de su espectro o del color principal que es visible. La forma detallada del espectro de radiación térmica depende de la composición del cuerpo que la emite. Cuando el origen de la radiación es el calor, la energía se emite en función solo de la temperatura y se denomina radiación térmica., es la zona del espectro radiante comprendida entre las longitudes de onda de 1×10-7m a 1×10-

4m

De esta manera definimos como:

Poder absorbente, a, es la fracción de la radiación absorbida.Poder reflexivo, r, es la fracción de la radiación reflejada.Poder transmisivo, t, es la fracción de la radiación transmitida.

La aproximación consiste en que la distribución de la energía que emite el cuerpo tiene la forma característica de la de cuerpo negro.

No todas las superficies emiten o absorben la misma cantidad de energía radiante cuando se calientan a la misma temperatura. Un cuerpo que absorba o emita a una temperatura determinada la máxima cantidad de energía se denomina superficie negra o simplemente cuerpo negro. El cuerpo negro es un cuerpo imaginario que se supone con capacidad para absorber toda la radiación térmica incidente; es decir, aquel en el que

a = 1 y r = 0

Este es el cuerpo absolutamente negro, o, en otras palabras, un absorbente perfecto de la radiación. Se llaman ”negros” porque las superficies pintadas de negro suelen presentar poderes absorbentes muy altos. En la práctica nos podemos acercar bastante a las propiedades de una superficie negra perfecta empleando un cuerpo negro, digamos esférico, ennegrecido en su superficie interior con una sustancia que sea muy absorbente para la radiación térmica (por ejemplo, negro de humo). Si practicamos un pequeño orificio, la radiación que él penetre se absorberá en parte y, en parte, se reflejará. La fracción reflejada

incidirá sobre otra zona de la superficie interna y también se absorberá y reflejará en parte, y así sucesivamente. Por consiguiente, nada o prácticamente nada, de la radiación incidente se escapará por el orificio por el que penetró, por lo que el plano del orifico se comporta como un cuerpo negro perfecto con respecto a la radiación que incide sobre él.

Ley de Stefan Boltzman

En 1879, Josef Stefan (1835-1893) propuso la dependencia de la potencia de radiación o ritmo de emisión de energía electromagnética con la temperatura elevada a la cuarta potencia a partir del análisis de los datos experimentales. Cinco años más tarde Ludwig Boltzmann obtuvo la ley teóricamente partiendo de valores experimentales. Sugirió que la emitancia de una superficie, W, es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Más tarde, Boltzman aplicó los conceptos del ciclo de Carnot, considerando la energía radiante como medio operatorio, y obtuvo la misma relación por vía analítica. Como el cuerpo negro perfecto, ya definido, tiene un comportamiento único y característico, es conveniente emplearlo como base para representar la proporcionalidad indicada en las observaciones de Stefan Boltzman. Ley de Stefan Boltzman para la radiación del cuerpo negro es:

donde es la emisividad del cuerpo, siempre será 0, cuando =1, estamos en el caso del cuerpo negro mK

La radiación que emitiría un cuerpo negro puede aproximarse con la precisión deseada por la radiación emitida a través de un agujero pequeño practicado en una cavidad (que está a una temperatura inferior a la temperatura de fusión del material que forma las paredes de la cavidad). En cada una de las reflexiones en su interior se absorbe una parte de la luz, y después de las múltiples reflexiones, toda la energía que penetró por el orificio ha sido virtualmente absorbida, de esta forma, el orificio de la cavidad se comporta como un cuerpo negro ideal. Por tanto, la luz que sale por el agujero de la cavidad es una radiación de cuerpo negro. La emisividad y la potencia irradiada por un cuerpo negro, o por el agujero de la cavidad, son independientes del material que forma sus paredes interiores. La potencia dada por la ley de Stefan Boltzman incluye todas las frecuencias. Veremos cómo se distribuye la radiación emitida por un cuerpo negro en función

de la frecuencia. Esta dependencia resulta universal, esto es, igual para todos los cuerpos negros. Esta característica de la interacción de la luz con la materia constituía uno de los problemas irresolubles mediante la física clásica y su solución ayudó al desarrollo de la teoría cuántica.

El primer intento teórico para formular una Ley de distribución de la energía del cuerpo negro lo realizaron Rayleigh y Jeans.

Rayleigh y Jeans asumieron que:

La radiación contenida en una cavidad de paredes metálicas a la temperatura T, en el estado de equilibrio termodinámico, tiene el mismo espectro que el del cuerpo negro cuando se encuentra a la misma temperatura. O sea, la forma como se distribuye la radiación emitida por el cuerpo negro es la misma que la de la radiación contenida dentro de la cavidad. En el estado estacionario, la radiación se encuentra en forma de OEM estacionarias, con nodos sobre las paredes metálicas; es decir la REM está en forma de Vibraciones Electromagnéticas (VEM) permitidas. Rayleigh y Jeans calcularon el número de vibraciones electromagnéticas permitidas en el interior de la cavidad.

MATERIALES

Censor de radiación Cubo de radiación Multímetros (voltímetro y amperímetro)

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Conecte el óhmetro y el voltímetro (utilice la escala de mV) como se muestra en la figura.

2. Lleve el interruptor del cubo a “on” y lleve la perilla que controla la potencia del bombillo a “high” mantenga la vista de la lectura de óhmetro cuando haya bajado alrededor de 40 kΩ, ponga la perilla en 5.0

3. Cuando el cubo encuentre el equilibrio térmico la lectura del óhmetro fluctuara alrededor de un relativo valor fijo. Use el sensor de radiación para medir la radiación emitida por cada una de las 4 superficies del cubo. Coloque el sensor tal que las terminales estén en contacto con la superficie del cubo. Anote sus medidas en la tabla. Mediante la tabla suministrada determine la temperatura correspondiente.

GRAFICAS Y ANALISIS DE RESULTADOS

VARIACIONES DE RADIACIÓN PROVENIENTES DE DIFERENTES SUPERFICIES

DATOS Y CALCULOS

DIAL DE POTENCIA: 5 DIAL DE POTENCIA: 6.5

Resistencia térmica 40.8 Ohm Resistencia térmica 36.5 OhmTemperatura 1227 °C Temperatura 1127 °C

SUPERFICIELECTURA DEL SENSOR (mV)

SUPERFICIELECTURA DEL SENSOR (mV)

NEGRA 6.6 NEGRA 7.5

BLANCA 6.5 BLANCA 7.3

ALUMINIO PULIDO 0.8 ALUMINIO PULIDO 0.6

ALUMINIO OPACO 3.2 ALUMINIO OPACO 3.5

VARIACIONES DE RADIACIÓN PROVENIENTES DE DIFERENTES SUPERFICIES

DATOS Y CALCULOS

DIAL DE POTENCIA: 8 DIAL DE POTENCIA: 9

Resistencia térmica 35.5 Ohm Resistencia térmica 33.6 OhmTemperatura 1027 °C Temperatura 927 °C

SUPERFICIELECTURA DEL SENSOR (mV)

SUPERFICIELECTURA DEL SENSOR (mV)

NEGRA 8.1 NEGRA 9.4

BLANCA 8.0 BLANCA 9.2

ALUMINIO PULIDO 0.9 ALUMINIO PULIDO 0.9

ALUMINIO OPACO 4.4 ALUMINIO OPACO 4.5

Las superficies del cubo de radiación térmica en orden descendiente de la cantidad de radiación emitida son:

1. Negra2. Blanca3. Aluminio opaco4. Aluminio pulido

¿es el orden independiente de la temperatura?Si debido a que la cantidad de radiación emitida por cada cara del cubo depende de la naturaleza del material que la compone y no de la temperatura.

¿es una regla general que los buenos absorbentes de radiación son también buenos emisores? ¿son sus mediciones consistentes con esta regla?

En efecto los buenos absorbentes de radiación son también buenos emisores, esto se evidencia en el experimento ya que la radiación medida es la radiación emitida por el material una vez que el material ha absorbido la radiación del bombillo.

¿diferentes objetos aproximadamente a la misma temperatura emiten diferentes cantidades de radiación?

Si debido a que la mayor a menor emisión de radiación depende directamente de la naturaleza del material o del objeto.

¿puede usted encontrar materiales en el laboratorio que bloqueen la radiación térmica? ¿puede usted encontrar materiales que no bloqueen la radiación térmica?

Si en el laboratorio se pueden hallar materiales que bloqueen la radiación térmica. No la radiación térmica se ve afectada o se interrumpe cada vez que interactúa con un material, inclusive se ve afectado por el aire.

¿Qué sugieren sus resultados acerca del fenómeno de pérdida de calor a través de las ventanas?

La perdida de calor a través de las ventanas es una muestra de que el aire entra por las ventanas y circula por el laboratorio hasta salir de este busca un equilibrio térmico aprovechando la radiación emitida por el experimento, de esta forma se pierde cierto porcentaje del calor que debería emitir el experimento.

¿Qué sugiere sus resultados acerca del efecto invernadero?En el caso de la atmosfera sugiere que está compuesta por materiales que reflejan la gran parte de la radiación pero la contaminación de esta hace que su composición cambie por materiales que no reflejan la radiación sino que la absorben y no permiten que esta radiación salga de la atmosfera provocando un considerable aumento en su temperatura.

Cuestión:

Los cuerpos negros ¿se ven siempre negros?

No. Un cuerpo negro emite en una longitud de onda que depende de la temperatura, y puede alcanzar cualquier valor de longitud de onda, por tanto puede emitir en cualquier parte del espectro (incluido el visible).

CONCLUSIONES

Se comprueba que la emisividad de la placa negra es mayor que la mostrada por la placa blanca, debido a que esta se asemeja más a un cuerpo negro.

La emisividad depende claramente de la temperatura, y al acabado superficial de cada material.

En cada una de las paredes; la radiación de estas depende de la temperatura, puesto que todas las paredes del cubo no alcanzan el equilibrio térmico en el mismo intervalo de tiempo.

Si un cuerpo (o superficie) está en equilibrio termodinámico con su entorno, su emisividad es igual a su absorbancia ( ), es decir para nuestro caso en particular dicha ley se cumple, debido a que la cara negra en especial absorbe de una manera y emite esta radiación de igual forma.

BIBLIOGRAFIA

R. SERWAY y J. W. JEWTT, Física para ciencias e ingeniería. Volumen dos. Séptima edición.

M. GARCIA CASTAÑEDA. Introducción a la física moderna. Primera edición.Manual and Experiment Guide for the PASCO scientific Model TD-8553/8554A/8555