Բացարձակ սև մարմին

Բացարձակ սև մարմին, իդեալականացված ֆիզիկական մարմին, որը կլանում է իր վրա ընկնող ամբողջ էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը` հաճախությունների ամբողջ սպեկտրում։ Բացարձակ սև մարմնի կլանման գործակիցը (կլանված էլեկտրամագնիսական էներգիայի և մարմնի վրա ըկնող ամբողջ էներգիայի հարաբերությունը) հավասար է 1` ցանկացած հաճախության, բևեռացման և ճառագայթման տարածման ուղղության համար։

Չնայած իր անվանը, բացարձակ սև մարմինը կարող է ունենալ գույն՝ պայմանավորված բացարձակ սև մարմնի կողմից էլեկտրամագնիսական ճառագայթմամբ։ Շրջակա միջավայրի հետ ջերմային հավասարակշռության վիճակում (ջերմաստիճանը հաստատուն է) գտնվող բացարձակ սև մարմնի ճառագայթումը կոչվում է բացարձակ սև մարմնի ճառագայթում, և իր մեջ պարունակում է ճառագայթում ըստ սպեկտրի բոլոր հաճախությունների։ Բացարձակ սև մարմնի ճառագայթման ինտենսիվության բաշխումն ըստ հաճախությունների որոշվում է Պլանկի օրենքով։

Բացի նրանից, որ բացարձակ սև մարմինը հարմար իդեալականացում է շրջակա միջավայրի հետ ջերմային հավասարակշռության մեջ գտնվող էլեկտրամագնիսական ճառագայթումն ուսումնասիրելու համար, թերմոդինամիկայի օրենքները թույլ են տալիս կամայական գույն և կլանման ու անդրադարձման գործակից ունեցող մարմինների ճառագայթման սպեկտրի ուսումնասիրությունը հանգեցնել բացարձակ սև մարմնի ճառագայթման խնդրին։

Բացարձակ սև մարմինը իդեալականացում է, և իրականում գոյություն չունեն այնպիսի մարմիններ որոնք կլանում են իրենց վրա ընկնող կամայական հաճախության ամբողջ ճառագայթումը։ Սակայն կան նյութեր կամ մարմիններ, որոնք էլեկտրամագնիսական ճառագայթման սպեկտրի այս կամ այն հատվածում ունեն մեկին շատ մոտ կլանման գործակից, և այդ հաճախային տիրույթում նրանց կարելի է դիտել որպես բացարձակ սև մարմին։ Օրինակ մուրն ունի 0.99 կլանման գործակից էլեկտրամագնիսական ճառագայթման տեսանելի տիրույթում (սակայն բավականին վատ է կլանում օրինակ ինֆրակարմիր տիրույթում)։ Մեկին ինչքան հնարավոր է մոտ կլանման գործակցով մարմինների պատրաստումը մինչև այժմ գիտական ակտիվ հետաքրքրության թեմա է^[1]։ Բացարձակ սև մարմնին ամենամոտը 2014 թվականի ստեղծված Vantablack նյութն է, որը կլանում է իր վրա ընկնող էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը տեսանելի, միկրոալիքային և ռադիոալիքային տիրույթներում։ Արեգակն իր հակություններով շատ մոտ է բացարձակ սև մարմին։

Ջերմային հավասարակշռության մեջ գտնվող բացարձակ սև մարմինը ցանկացած հաճախությամբ առաքում է ավելի շատ գամ գոնե հավասար էներգիա, քան ցանկացած իրական մարմին^[2]։ Մարմնի ճառագայթողունակությունը ճառագայթման էներգիայի հաաբերությունն է բացարձակ սև մարմնի ճառագայթման էներգիային։ Բացարձակ սև մարմնի ճառագայթողունակությունը 1 է, իսկ ցանկացած իրական մարմնինը՝ փոքր է մեկից։ Այն մարմինները, որոնք ունեն մեկից փոքր ճառագայթողունակություն, որը նույնն է բոլոր հաճախությունների համար, կոչվում են մոխրագույն մարմիններ^[3]։

Աստղագիտությունում, աստղերի ճառագայթումն հաճախ նկարագրում են էֆեկտիվ ջերմաստիճանի միջոցով, որն իրենից ներկայացնում է այն բացարձակ սև մարմնի ջերմաստիճանը, որն կառաքեր էլեկտրամագնիսական ճառագայթման նույն ամբողջական հոսքը։

Սահմանումը

Բացարձակ սև մարմնի գաղափարն առաջինը ներմուծել է Գուստավ Կիրխհոֆը 1860 թվականին։ Նա բացարձակ սև մարմինը սահմանել է հետևյալ կերպ՝

«Ապացույցը, որ ես շուտով կտամ վերոնշյալ օրենքի համար, հիմնված է այն ենթադրության վրա, որ մարմինները` անվերջ փոքր հաստությունների դեպքում, ամբողջությամբ կլանում են իրենց վրա ընկնող ճառագայթումը, ինչպես նաև չեն անդրադարձնում կամ տեղափոխում (օրինակ, ջերմահաղորդում) էներգիա։ Ես այսպիսի մարմիններին կանվանեմ իդեալական սև, կամ, ավելի համառոտ՝ սև մարմին^[4]։»

Բացարձակ սև մարմնի առավել ժամանակակից սահմանումն իր մեջ չի ներառում անվերջ փոքր հաստությունների մասին ենթադրությունը^[5]`

Իդեալական սև մարմինն այժմ սահմանվում է որպես մարմին, որը թույլ է տալիս իր վրա ընկնող ամբողջ ճառագայթմանն անցնել իր մեջ (չկա անդրադարձում) և կլանում է ամբողջը (չկա էներգիայի փոխանցում մարմնի միջով)։ Սա վերաբերվում է ճառագայթման բոլոր հաճախություններին և անկման բոլոր անկյուններին։ ^[6]

Պրակտիկ իդեալականացում

Բացարձակ սև մարմնի մոտավոր իրականացում է անթափանց պատերով խոռոչը՝ բարակ անցքով։ Խոռոչի պատերը ունեն միևնույն ջերմաստիճանը։ Էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը, ընկնելով անցքից ներս, բազմակի անդրադարձումներից հետո կկլանվի խոռոչի պատերի կողմից, և հավանականությունն այն բանի, որ պատերի կողմից բազմակի անդրադարձումներից հետո կլանվելու փոխարեն ճառագայթումը դուրս կգա անցքից շատ փոքր է՝ անցքի փոքր լինելու պատճառով։ Այսպիսի անցքը բավականին մեծ ճշտությամբ կարելի է համարել բացարձակ սև մարմին^[7]^[8]։

Ծանոթագրություններ

↑ Ai Lin Chun (2008 թ․ հունվարի 25). «Carbon nanotubes: Blacker than black». Nature Nanotechnology. doi:10.1038/nnano.2008.29.
↑ Mahmoud Massoud (2005). «§2.1 Blackbody radiation». Engineering thermofluids: thermodynamics, fluid mechanics, and heat transfer. Springer. էջ 568. ISBN 3-540-22292-8.
↑ Որևէ մակերևույթի ճառագայթողունակությունն, ըստ էության, կախված է հաճախությունից, դիտման անկյունից և ջերմաստիճանից։ Սակայն, ըստ սահմանման, մոխրագույն մարմնի ճառագայթումը ուղղակի համեմատական է նույն ջերմաստիճանում գտնվող բացարձակ սև մարմնի ճառագայթմանը, հետևաբար նրա ճառագայթողունակությունը անկախ է ճառագայթման հաճախությունից։ Տե՛ս Massoud Kaviany (2002). «Figure 4.3(b): Behaviors of a gray (no wavelength dependence), diffuse (no directional dependence) and opaque (no transmission) surface». Principles of heat transfer. Wiley-IEEE. էջ 381. ISBN 0-471-43463-9. and Ronald G. Driggers (2003). Encyclopedia of optical engineering, Volume 3. CRC Press. էջ 2303. ISBN 0-8247-4252-4.
↑ Translated by F. Guthrie from Annalen der Physik: 109, 275-301 (1860): G. Kirchhoff (July 1860). «On the relation between the radiating and absorbing powers of different bodies for light and heat». The London, Edinburgh and Dublin philosophical magazine and journal of science. Taylor & Francis. 20 (130).
↑ Անվերջ բարակ թաղանթի գաղափարից ազատվել է Պլանկը։ Տե՛ս Planck 1914, էջ. 10, footnote 2, .
↑ Siegel, Robert; Howell, John R. (2002). Thermal Radiation Heat Transfer; Volume 1 (4th ed.). Taylor & Francis. էջ 7. ISBN 1-56032-839-8.
↑ Անցքում ճառագայթման ջերմային հավասարակշռությունը կարելի է արդյունավետ մոդելավորել խոռոչում այնպիսի նյութ ավելացնել, որն ընդունակ է ճառագայթել և կլանել ցանկացած հաճախություն։ Տե՛ս Peter Theodore Landsberg. Thermodynamics and statistical mechanics (Reprint of Oxford University Press 1978 ed.). Courier Dover Publications. էջ 209. ISBN 0-486-66493-7.
↑ Planck 1914, էջ. 44, §52

Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից (հ․ 2, էջ 341)։

[Chun-1] Ai Lin Chun (2008 թ․ հունվարի 25). «Carbon nanotubes: Blacker than black». Nature Nanotechnology. doi:10.1038/nnano.2008.29.

[Massoud-2] Mahmoud Massoud (2005). «§2.1 Blackbody radiation». Engineering thermofluids: thermodynamics, fluid mechanics, and heat transfer. Springer. էջ 568. ISBN 3-540-22292-8.

[emissivity-3] Որևէ մակերևույթի ճառագայթողունակությունն, ըստ էության, կախված է հաճախությունից, դիտման անկյունից և ջերմաստիճանից։ Սակայն, ըստ սահմանման, մոխրագույն մարմնի ճառագայթումը ուղղակի համեմատական է նույն ջերմաստիճանում գտնվող բացարձակ սև մարմնի ճառագայթմանը, հետևաբար նրա ճառագայթողունակությունը անկախ է ճառագայթման հաճախությունից։ Տե՛ս Massoud Kaviany (2002). «Figure 4.3(b): Behaviors of a gray (no wavelength dependence), diffuse (no directional dependence) and opaque (no transmission) surface». Principles of heat transfer. Wiley-IEEE. էջ 381. ISBN 0-471-43463-9. and Ronald G. Driggers (2003). Encyclopedia of optical engineering, Volume 3. CRC Press. էջ 2303. ISBN 0-8247-4252-4.

[Kirchhoff-4] Translated by F. Guthrie from Annalen der Physik: 109, 275-301 (1860): G. Kirchhoff (July 1860). «On the relation between the radiating and absorbing powers of different bodies for light and heat». The London, Edinburgh and Dublin philosophical magazine and journal of science. Taylor & Francis. 20 (130).

[infinitesimal-5] Անվերջ բարակ թաղանթի գաղափարից ազատվել է Պլանկը։ Տե՛ս Planck 1914, էջ. 10, footnote 2, .

[Siegel-6] Siegel, Robert; Howell, John R. (2002). Thermal Radiation Heat Transfer; Volume 1 (4th ed.). Taylor & Francis. էջ 7. ISBN 1-56032-839-8.

[Landsberg-7] Անցքում ճառագայթման ջերմային հավասարակշռությունը կարելի է արդյունավետ մոդելավորել խոռոչում այնպիսի նյութ ավելացնել, որն ընդունակ է ճառագայթել և կլանել ցանկացած հաճախություն։ Տե՛ս Peter Theodore Landsberg. Thermodynamics and statistical mechanics (Reprint of Oxford University Press 1978 ed.). Courier Dover Publications. էջ 209. ISBN 0-486-66493-7.

[Planck_1914_44-8] Planck 1914, էջ. 44, §52

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]