Välkommen till Resurscentrums frågelåda!

 

Vill du ha ett snabbt svar - sök i databasen: Anpassad Google-sökning
(tips för sökningen).
Använd diskussionsforum om du vill diskutera något.
Senaste frågorna. Veckans fråga.

19 frågor/svar hittade

Ljud-Ljus-Vågor [20120]

Fråga:
Hej

Jag har en fråga gällande värmestrålning/svartkroppsstrålning.

När man värmer en bit järn så att den börjar glöda är det ett exempel på svartkroppsstrålning, där strålnings våglängd och intensitet endast beror av järnets temperatur. Jag har trott att denna typ av strålning uppkommer genom rörelse (acceleration) hos elektroner som är mer eller mindre fria. Då en gas istället sänder ut ljus och skapar ett linjespektra är det elektronbanornas energiskillnad och elektrondeexcitation som ger upphov till ljusets våglängd.

När jag hjälpte min dotter med grundskolefysiken fann vi nedanstående förklaring, i hennes moderna kursbok, till varför järn börjar glöda då det blir varmt.

Är nedanstående förklaringen till varför järn glöder verkligen korrekt? Som jag själv ser det är den väl förenklad och beskriver istället varför en upphettad gas lyser med en viss färg. Kanske är det jag som är ute och cyklar och att det är helt rätt att säga “När man värmer järnbiten så att den glöder gör elektronerna i järnatomerna korta hopp och därför blir järnbiten gulröd.

Mvh Karl Sitell

Texten i sin helhet: "Om du värmer en bit järn tillräckligt börjar den glöda. Den lyser gult och rött. Men varför börjar den lysa? Jo elektroner som befinner sig i olika skal har olika mycket energi. Om en järnatom tillförs energi kan en elektron i ett inre skal hoppa till ett yttre skal. Det gör att järnatomen hamnar i obalans. Vi säger att den är instabil. Så fort det finns möjlighet kommer elektronen att hoppa tillbaka till det ursprungliga skalet. På så sätt blir elektronen av med överskottsenergin och atomen blir stabil igen. Den energi som släpps fri när elektronen hoppar tillbaka till sitt ursprungliga skal sänds ut från atomen i form av strålning. Strålningen kan av gulrött ljus från en glödande järnbit. Korta hopp mellan elektronskal avger mindre mängd energi än långa hopp. Energirikt rött ljus avges vid korta hopp. När man värmer järnbiten så att den glöder gör elektronerna i järnatomerna korta hopp och därför blir järnbiten gulröd."
/Karl S, Uppsala

Svar:
Det är inte direkt fel men lite pratigt.

En gas ger ett linjespektrum eftersom bara vissa väldefinierade nivåer kan exciteras.

I en fast kropp ligger atomerna mycket tätt så nivåerna störs av omgivande atomer. Man får då en kontinuerlig fördelning av tillgängliga nivåer. Detta gäller speciellt kroppar som absorberar all inkommande strålning. Den utsända strålningen kallas svartkroppsstrålning eller (eftersom den endast beror av temperaturen) temperaturstrålning.

Se vidare fråga 176 och 12564 .
/Peter E

Nyckelord: temperaturstrålning [21];

*

Ljud-Ljus-Vågor [19813]

Fråga:
Hej, vid min säng har jag en ledslinga med RGB-belysning. Jag tittar nu på en plastkort från en Coca Cola-flaska(röd) lyser upp men blir även helt mörk i samband med att färgen i slingan ändras. Det är vid grön och blå färg som korken inte "lyser upp" och är då enda tillfället den röda lampan inte lyser i slingan. Så min fråga är hur det fungerar, hur kan plastkorken bli nästan självlysande av det röda ljuset och alla dess färgkombinationer? Det är nästan lättare att se själv än att förklara själva scenariot!
/Viktor W, Ingen för tillfället, Östersund

Svar:
En röd yta reflekterar rött ljus och absorberar andra färger. Därför ser en röd yta röd ut om den belyses med alla färger. Ett varmt föremål (solen, glödtråd i en lampa) sänder ut ett kontinuerligt spektrum med alla färger (temperaturspektrum).

Om den röda ytan belyses med en röd LED kommer ytan att reflektera strålningen. Ytan blir mycket röd. Om man i stället belyser den röda ytan med grönt eller blått LED-ljus kommer den att se svart ut eftersom grönt och blått absorberas och något rött ljus, som skulle reflekterats, finns inte.
/Peter E

Nyckelord: lysdiod [12]; färg/färgseende [30]; temperaturstrålning [21];

*

Elektricitet-Magnetism [19502]

Fråga:
Hur lyser glödtråden i lampan? Alltså vad händer?
/Alma A, Kulturama

Svar:
När man lägger elektrisk spänning över glödtråden går det en ström av elektroner igenom den. Elektronerna kolliderar med atomerna i glödtråden. Detta kallas motstånd eller resistans, se fråga 12826 .

Elektronerna förlorar en del av sin rörelseenergi, vilket värmer upp glödtråden.

Ett föremål med en temperatur över absoluta nollpunkten strålar ut elektromagnetisk strålning, så kallad temperaturstrålning, se fråga 12564 .

Glödtråden blir så varm att en liten del av strålningen (ett par procent) är synligt ljus. Största delen av lampans effekt blir emellertid till värmestrålning som normalt inte är till någon nytta. Detta är skälet till att vi nu håller på att ersätta glödlampan med lysdiodslampor.

Se vidare Glödlampa



/Peter E

Nyckelord: glödlampa [18]; temperaturstrålning [21];

*

Värme [19446]

Fråga:
Kan vatten frysa vid lufttemperaturer över noll grader.
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
En fråga jag fått från elev under praktik:

Ett tunt lager vatten ligger på ett fat som är isolerat mot underlaget. På natten sjunker lufttemperaturen till 1 grader och det är molnfritt. Kan vattnet på fatet frysa? Motivera ditt svar!

Hur ska jag svara på bästa sätt?
/Jack E, Lunds Universitet, Lund

Svar:
Ja, vattnet kan frysa. Det finns två effekter som kan kyla vattnet så det fryser: strålning och förångning.

Om det är molnfritt är det nästan ingen instrålning av värmestrålning (infrarött/mikrovågor) från himlen. Utstrålningen är emellertid vad som motsvarar 1oC. Det betyder att vi har mer utstrålning än instrålning: temperaturen hos vattnet sjunker. Se vidare fråga 7130 .

Om omgivande luftfuktigheten inte är för hög kommer en del av vattnet att förångas. Detta kräver en energi på 2260 kJ/kg (14203 ). Energi tas alltså från vattnet för att sänka temperaturen (2.1 kJ/kg.K) och bilda is (333 kJ/kg). Denna effekt används i snökanoner, se fråga 15592 .
/Peter E

Nyckelord: vatten/is [31]; temperaturstrålning [21]; *vardagsfysik [60];

*

Ljud-Ljus-Vågor [19366]

Fråga:
Hej! Frågan gäller svarta kroppar. Definitionen av en svart kropp är att den absorberar all infallande elektromagnetisk strålning. Kroppar som själv är en ljuskälla, som solen eller en glödtråd, kan approximativt ses som en svart kropp. Är det så att dessa, likt ett hål i en låda, absoberar all infallande strålning? Eller är det något annat som gör att vi kan kalla dessa för svarta kroppar, som att de i allmänhet utsänder betydligt mer strålning än de själva blir bestrålade med? Tack!
/Jimmy R, VBU, Ludvika

Svar:
Solen är en bra approximation av en absolut svart kropp, så bortsett från absorptionslinjer strålar solen enligt Plancks strålningslag, se fråga 12397 . Observera att fördelningen av strålning endast beror av den absoluta temperaturen, därav namnet temperaturstrålning.

Man kan tycka att absorptionsförmågan inte borde vara relevant när man är intresserad av emission, men enligt Kirchhoffs strålningslag (fråga 9333 ) är spektrala absorptansen och spektrala emissiviteten lika. Maximal absorption ger alltså maximal emission av temperaturstrålning.
/Peter E

Nyckelord: temperaturstrålning [21];

*

Blandat [18635]

Fråga:
Jordens strålningsbalans
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej,

När man räknar på jordens strålningsvikt och undantar växthuseffekten, är två vanliga antaganden som följer:

1. Jorden absorberar ca 70% av den infallande strålningen från solen.

2. Jorden strålar som en svartkropp.

I mina ögon motsäger dessa två antaganden varandra. Om jorden endast absorberar 70% av den infallande strålningen så är den ju bevisligen ingen svartkropp. Vore det då inte rimligt att räkna med att jorden till 70% strålar som en svartkropp; d.v.s. att vi modifierar Stefan-Boltzmanns lag med en faktor 0,7. Räknar man dock på detta senare sätt spelar det ingen roll hur många procent av strålningen som jorden absorberar, eftersom dessa faktorer 0,7 tar ut varandra. Följden av detta blir att beräknad temperatur blir ca 6 grader C; vilket är alldeles för varmt (utan hänsyn tagen till växthuseffekten ska ju jordens temperatur landa på ca -15 grader C). Var tänker jag fel?
/Patrik F, Södra Latins gymnasium, Stockholm

Svar:
Patrik! Bra fråga. Som du anar så tänker du fel.

Instrålningen från solen har sitt maximum i det synliga området (400-700 nm) eftersom solen har en temperatur på c:a 5800 K. Utstrålningen från jorden har sitt maximum i infrarött/mikrovågor eftersom temperaturen är c:a 300 K.

Maxvåglängden ges av Wiens förskjutningslag, se fråga 12397 . Låt oss beräkna våglängderna för maximum för dessa temperaturer:

Solen, T=5800 K
lmax = 2.898×10−3/T = 2.898×10−3/5800 = 500 nm

Jorden, T=300 K
lmax = 2.898×10−3/T = 2.898×10−3/300 = 9.7 mm

Emissiviteten (e i Stefan-Boltzmanns lag, fråga 12397 ) är en funktion av våglängden och relaterad (lika med) absorptionsförmågan, se fråga 9333 . Eftersom jorden och solen sänder ut strålning vid vitt skilda våglängder, så finns det ingen anledning att emissiviteten (och absorptionsförmågan) skulle vara densamma.

Att jorden och solen strålar i helt olika våglängdsområden förklarar alltså varför strålningen från solen (ljus) kan ta sig igenom atmosfären medan strålningen från jorden (infrarött) stoppas av atmosfären, se figuren i fråga 12668 .

I fråga 16846 beräknas jordens temperatur från strålningsbalansen. Fråga 17681 behandlar en liknande fråga om vita värmeelement. I fråga 14936 behandlas selektiva absorbanter.
/Peter E

Nyckelord: växthuseffekten [30]; temperaturstrålning [21];

*

Ljud-Ljus-Vågor [18448]

Fråga:
finns det något som inte reflekterar ljus och i så fall vad och hur fungerar det?
/sofia g

Svar:
En absolut svart kropp reflekterar inget ljus alls. Enklaste sättet att åstadkomma detta är en låda med ett hål i, se nedanstående figur. Hålet är då en bra approximation på en absolut svart kropp eftersom praktiskt taget all strålning som faller in i hålet absorberas inne i lådan. Om lådan har en temperatur T som överstiger absoluta nollpunkten bildas temeraturstrålning (fråga 12564 ) i lådan. Denna temperaturstrålning kommer ut genom hålet och kan detekteras.

En svart kropp som strålar kan låta konstigt, men definitionen på svart är att all inkommande strålning absorberas. Att sedan kroppen kan sända ut temperaturstrålning (kallas ibland svartkroppsstrålning) är en helt annan sak. Även solen är en ganska bra approximation för en svart kropp!

En matt, svart yta är en hygglig approximation på en svartkropp. I Cavity_radiation#Blackbody_simulators ges ett par ännu bättre exempel.



/Peter E

Nyckelord: temperaturstrålning [21]; ljusreflektion [16];

*

Värme [18250]

Fråga:
Varför har nyhuggen ved sämre eldningsvärde än torr ved?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Varför har nyhuggen ved sämre eldningsvärde än torr ved?
/Per O, Borgarskolan, Malmö

Svar:
Nyhuggen ved innehåller mycket mer vatten än torkad ved. Det traditionella svaret är att vattnets ångbildningsvärme är stor, och att alltså mycket energi förloras till att förånga vatten. Låt oss göra en kvantitativ uppskattning.

Energiinnehållet i torr ved är enligt Energy_density#Common_energy_densities 16 MJ/kg. Ångbildningsvärmet för vatten är 2.3 MJ/kg. Om vatteninnehållet är 30% så utvecklas 0.7*16=11.2 MJ. För att förånga vatteninnehållet går det åt 0.3*2.3=0.7 MJ. Nettoenergiinnehållet blir alltså 11.2-0.7=10.5 MJ. Förhållandet torr ved/fuktig ved blir alltså 16/10.5=1.5.

Det mesta av effektförlusten kommer sig av att vattnet inte ger något bidrag till energiutvecklingen. Totalt sett är det alltså inte ångbildningsvärmet som är den stora effekten utan det faktum att massa försvinner vid torkning. Den fuktiga vedklabben ger alltså nästan samma totala energiutveckling om man torkar den.

Men den som eldat med fuktig och torr ved vet att det är en enorm skillnad! Det måste alltså vara en annan effekt som dominerar, t.ex. hur effektivt värmen transporteras till rummet.

Det är självklart att torr ved brinner bättre (vid högre temperatur) än fuktig ved. Den utstrålade effekten per m2 ges av Stefan-Boltzmanns lag (Stefan–Boltzmann_law ):

P = sT4

där konstanten s=5.67*10-8 W/m2/K4 och T är den absoluta temperaturen i kelvin. Vi har alltså för strålning ett mycket häftigt beroende av temperaturen. Låt oss anta att temperaturen är 1000 K med torr ved och 750 K med fuktig. Strålningen är då 1.334=3 gånger högre för torr ved. (De uppskattade temperaturerna är från länk 1 sidan 4.)

Men vi måste självklart bevara den totala energin, hur går det ihop? Om förbränningen sker långsamt vid lägre temperatur kommer en större andel av värmen försvinna ut i skorstenen. Eftersom man knappast vill ha någon konvektion (strömning) av rökgaser ut i rummet, så är det strålningen (värmestrålning och synligt ljus) som värmer upp spisen och rummet. Effektiviteten hos spisen är alltså mycket beroende på temperaturen, som i sin tur beror av fuktinnehållet i veden.

Se även Wood_fuel . Nedanstående bild är därifrån.



/Peter E

Nyckelord: *vardagsfysik [60]; temperaturstrålning [21];

1 http://www.forestry.gov.uk/pdf/eng-woodfuel-woodasfuelguide.pdf/$FILE/eng-woodfuel-woodasfuelguide.pdf

*

Ljud-Ljus-Vågor [17681]

Fråga:
Hej! Svarta ytor svalnar fortare än vita, strålar ut värme bättre. Borde inte då elementen i vår rum vara svarta i stället för vita? Och för att minska avsvalningen från kroppen borde vi vara klädda i vita kläder på vintern. Men mörk klädsel är ju det normala!?
/Thomas Å, Knivsta

Svar:
Thomas! Vitt eller svart hänför sig till synligt ljus (ögats känslighetsområde 400-700 nm) som motsvarar en temperatur på flera tusen K. Ett element strålar i ett helt annat område (infrarött) eftersom temperaturen är mindre än 400 K. Emissiviteten kan alltså vara helt olika i de olika strålningsområdena. Ett vitt element kan alltså vara "svart" i infrarött. Se vidare fråga 9333 och 14936 .

Dessutom sprids en hel del värme genom konvektion (Konvektion ).
/Peter E

Nyckelord: temperaturstrålning [21];

*

Ljud-Ljus-Vågor [16419]

Fråga:
1 Hur stor del av den ir-strålning som kommer från solen och som når yttre jordatmosfären tar sig sedan ner till markytan?

2 Om man ligger och "solar" i svarta kläder - hur mycket av uppvärmningen beror på adsorbtion av synligt ljus, och hur mycket beror på absorbtion av ir-strålning?
/nils h, KAU, Karlstad

Svar:
1 Den mesta går igenom eftersom strålningen från solen innehåller kortvågig ir (nära synligt ljus), se figuren i fråga 12668 nedan.

2 Det är svårt att säga men radiansen (intensiteten) i synligt ljus är mycket större. Dessutom är det inte givet att svart (absorberar mycket synligt ljus) är "svart" (högabsorberande) i infrarött. Detta kan göra den synliga delen av spektrum ännu viktigare. Se även fråga 14936 nedan.
/Peter E

Se även fråga 12668 och fråga 14936

Nyckelord: temperaturstrålning [21];

*

Ljud-Ljus-Vågor [14936]

Fråga:
Hur fungerar selektiva absorbenter i solfångare?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
I termiska solfångare finns s.k. selektiva absorbenter. Dessa sätter de vanliga formlerna för svartkroppsstrålning och för absorbtion och reflektion ur spel. Hur har man lyckats med denna bedrift. Kan man skapa en sådan yta med de resurser som finns i en ordinär gymnasiefysiksal? Om möjligt önskas ett utförligt svar eller hänvisning till litteraturen.
/Anders K, Sollefteå

Svar:
Nej, selektiva absorbenter sätter inte några naturlagar ur spel! Selektiva absorbenter innebär att ytskiktet på solfångaren behandlats med ett ytskikt som skall ge hög absorption av solstrålning och låg emittans av värmestrålning.

Kirchhoffs strålningslag säger att absorpionsförmågan är proportionell mot emissionsförmågan vid en viss våglängd. Solens yttemperatur är c:a 6000 grader, och den mesta energin i solstrålningen ligger i synligt ljus 400-700 nm. Det är alltså i detta område man vill ha maximal absorptionsförmåga hos en solfångare. Normalt innehåller en solfångare vatten som värmebärare, så temperaturen är maximalt 100 grader. Vid denna temperatur ligger maximum hos temperaturstrålningen vid mycket längre våglängder - i infrarött (se fråga 12793).

Med Blackbody Radiation Applet kan man uppskatta maximum i energifördelningen för olika temperaturer. För 6000 K ligger maximum vid 500 nm och vid 350 K (c:a 80oC) vid 8000 nm.

Även naturen utnyttjar denna selektiva absorption i växthuseffekten . Solljuset går obehindrat igenom atmosfären och värmer upp jordytan. Värmestrålningen från jordytan hindras att försvinna ut i rymden av växthusgaser - framför allt vattenånga och koldioxid. Utan denna värmande effekt skulle jorden vara c:a 35 grader kallare i medeltemperatur än vad den är.

Se vidare länk 1, solenergi , temperaturstrålning och Plancks strålningslag .
/Peter E

Se även fråga 12793

Nyckelord: solenergi [14]; Kirchhoffs strålningslag [4]; temperaturstrålning [21]; strålning, in-/ut- [6]; #ljus [63];

1 http://www.iva.se/upload/Verksamhet/Projekt/Energiframsyn/El%20och%20V%C3%A4rme%20komplett3.pdf

*

Ljud-Ljus-Vågor [14668]

Fråga:
Hur bildas temperaturstrålningen?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hur bildas temperaturstrålningen? Är det fotonemission på samma sätt som i en fri gas. Linjespektrat från en gas beror väl inte på temperaturen. Dessutom varför ger temperaturstrålningen ett kontinuerligt spektrum? Vilka är skillnaderna?
/Marianne A, Komvux, Karlskrona

Svar:
Marianne! I en fri gas med låg densitet är atomerna fria och stör inte varandra så mycket. Strålningen uppkommer då i övergångar mellan diskreta tillstånd (tillstånd med en väldefinierad energi), och man får ett linjespektrum. Detta beror inte på temperaturen på annat sätt än att populeringen av exiterade tillstånd (dvs hur många atomer som i medeltal befinner sig i ett visst tillstånd) varierar med temperaturen. För att atomen skall kunna befinna i högt exiterade tillstånd krävs hög temperatur eller något annat som exciterar dem, t.ex. elektroner som accelererats av spänningen över ett lysrör.

I en fast kropp eller en gas med högre densitet (som den synliga ytan på solen) kolliderar atomerna hela tiden och man har elektroner som rör sig fritt. När dessa fria elektroner accelereras (kolliderar) utsänds strålning med en energi som är slumpmässig men fördelningen bestäms av materialets temperatur. Man får ett kontinuerligt spektrum.

Den kosmiska bakgrundsstrålningen (se kosmisk bakgrundsstrålning ) skapades när universum var mycket ungt, varmt och med hög densitet. Universum var då ogenomskinligt. När universum svalnade blev det genomskinligt (detta skedde när universum var 379000 år), och bakgrundsstrålningen har varit frikopplad från materian sedan dess.

Black Body Radiation innehåller en härledning av strålningslagen och lite resonemang om hur absorption och emission "går till".
/Peter E

Se även fråga 12564

Nyckelord: temperaturstrålning [21];

*

Ljud-Ljus-Vågor [14613]

Fråga:
Jag håller på och utbildar mig till smed, och smider just nu eldstål. En fråga som jag ställt mig under arbetet med eldstålen är vilken metall som ger varmast gnistor. När jag slipar på stål i bandslipen så ger olika stål olikfärgade gnistor och jag har antagit att ju ljusare gnistor - desto varmare gnistor. Problemet är att olika legeringar ger olika färg på gnistorna och jag är osäker om mitt antagande ovan stämmer. Frågan till er är om det verkligen är så att färgen på gnistorna helt enkelt ger ett rättvist svar på temperaturen?
/Magnus M

Svar:
Magnus! Du har rätt i din misstanke att det inte är temperaturen som bestämmer färgen hos gnistorna. Olika legeringar innehåller olika ämnen. När atomerna förångas under hög temperatur kommer de att exciteras till högre tillstånd genom kollisioner. Dessa exciterade tillstånd sönderfaller sedan tillbaka grundtillståndet genom att sända ut ljus med en för atomslaget karakteristisk våglängd.

Detta används för att få vackra färger på fyrverkerier: natriumsalter ger gul färg, koppar blå, strontium röd och barium grön. Se vidare Fyrverkeri#Ingredienser_i_fyrverkerier och länk 1.

Ett temperaturstrålande gult objekt skulle ha en temperatur på c:a 6000 grader (som solens yta). Detta är uppenbarligen mycket högre temperatur än vad man har i en gnista!
/Peter E

Se även fråga 12409

Nyckelord: spektrum [11]; temperaturstrålning [21]; #ljus [63];

1 http://webmineral.com/help/FlameTest.shtml#.VNndQpV0zIU

*

Ljud-Ljus-Vågor [14368]

Fråga:
Temperaturmätning med en IR-pyrometer
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Vi mäter temperaturen med en IR-pyrometer på en Leslie kub som har en blank koppar yta, matt koppar yta, svart yta och en vit yta. Vi fyller kuben med kokande vatten och mäter temperaturen. Vi mäter även innertemperaturen med en vanlig termometer. Den svarta ytan och den vita ytan visar samma temperatur och följer inner temperaturen. Den matta kopparytan stiger långsamt men inte lika mycket som den svarta och vita ytan. Den blanka kopparytan visar konstant temperatur på ca 26 C. Kan du förklara varför det visar så här.
/Laila N, Mälardalens högskola, Eskilstuna

Svar:
Laila! Resultaten du fått är helt korrekta och förklarliga - man måste bara tolka resultaten korrekt.

En IR-pyrometer mäter inte temperaturen direkt utan den mäter värmestrålningen från ett objekt. Om man sedan antar att kroppen strålar som en svart kropp, så kan man räkna ut temperaturen, se temperaturstrålning . Pyrometern mäter alltså vad man kallar effektiv temperatur vilket inte behöver vara densamma som den verkliga temperaturen man mäter med en termometer.

Leslie-kuben är en vattenfylld kub, se bilden nedan. De fyra vertikala ytorna är belagda på olika sätt: svartmålad, vitmålad, matt yta, blank yta. Vattnet i kuben kan värmas med en bunsenbrännare, och temperaturen hos vattnet (och därmed även temperaturen hos sidoytorna) kan mätas med en termometer. Utstrålningen (värmestrålningen, den infraröda strålningen) från var och en av de fyra ytorna mäts med en pyrometer (se Pyrometer ).

Emmissionsförmågan för de olika sidorna kan vara:

   svart        100
   vit           97
   matt          20
   blank          7
Det är alltså, kanske lite förvånande, inte mycket skillnad mellan svart och vit - den stora skillnaden är mellan svart och blank. Eftersom emissionförmågan är mycket lägre för den blanka sidan blir den effektiva temperaturen mycket lägre, precis som du observerar. Men kom ihåg att detta inte är den verkliga temperaturen - den är lika för alla fyra ytorna! Emissionsförmågan är enligt Kirchhoffs strålningslag (fråga 9333 ) direkt relaterad till absorptionsförmågan - hög absorbtionsförmåga ger hög emissionsförmåga.

Kan man förstå den lilla skillnaden mellan vit yta och svart yta? För synligt ljus är det ju stor skillnad i absorptionsförmåga - svart absorberar naturligtvis ljus mycket mer, så emissionsförmågan borde vara stor. Men detta gäller synligt ljus som motsvarar en temperatur på 5000-6000 oC. Vid den aktuella temperaturen (0-100 oC) är det infraröd strålning som dominerar, och absorptionsförmågan för infrarött är uppenbarligen nästan lika för den svarta och den vita ytan. Därför blir även emissionsförmågan nästan densamma.



/Peter E

Nyckelord: temperaturstrålning [21]; Kirchhoffs strålningslag [4];

1 http://www.pasco.com/prodCatalog/TD/TD-8554_thermal-radiation-cube-leslies-cube/

*

Universum-Solen-Planeterna [13938]

Fråga:
Hur mycket värms jorden upp av radioaktivt sönderfall i dess inre?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Eftersom jordens inre är varmt borde jordskorpan värmas "innifrån". Hur stor är denna effekt, dvs vilken temperatur skulle jordytan ha om vi bortser uppvärmningen från solen?
/Henrik P, Katedralskolan, Lund

Svar:
Den av radioaktivt sönderfall i jordens inre utvecklade effekten är c:a 1013 kalorier/s. Jordytan är

4p r2 = 4p*(6.37*106)2 = 5*1014 m2 = 5*1018 cm2

Effekten per cm2 som i ett jämviktstillstånd måste transporteras genom jordytan blir

1013/5*1018 = 2*10-6 kal/cm2/s

Nu är jorden ganska inhomogen, speciellt är det stor skillnad mellan land och hav. Detta beror dels på jordskorpans varierande tjocklek och dels på variationer i sammansättningen. Den uppmätta energitransporten är i havsområden 2.4*10-6 kal/cm2/s och i landområden 1.4*10-6 kal/cm2/s. Ovanstående medelvärde är i god överensstämmelse med dessa värden.

Hur stor är uppvärmningseffekten från jordens inre jämfört med solstrålningen? Låt oss börja med att göra om till SI-enheter

2*10-6 kal/cm2/s = 2*10-2 kal/m2/s = 0.08 W/m2

eftersom 1 kalori är c:a 4 joule.

Solarkonstanten, dvs den från solen instrålande effekten är 1370 W/m2, se fråga 13917. Värmen från jordens inre ger alltså ett mycket litet bidrag även med hänsyn taget att solstrålningen fördelas på ytan p r2 (cirkelyta) medan jordvärmen fördelas på ytan 4p r2 (klotyta).

Om vi, som frågan sade, bortser från solstrålningen, vilken temperatur skulle jordytan ha? Transporten av energi ut från jorden kan bara ske med elektromagnetisk strålning, s.k. temperaturstrålning. Den utstrålade effekten per m2 ges av Stefan-Boltzmanns lag:

P = sT4

där konstanten s=5.67*10-8 W/m2/K4 och T är den absoluta temperaturen i kelvin. Tillämpning av denna på energiflödet från jordens innandöme ger

0.08 = 5.67*10-8 T4

dvs

T4 = 1400000

och

T = 34 K eller -239oC (brrrr...)

Detta gäller om jorden kan betraktas som en absolut svart kropp, dvs om den absorberar all inkommande strålning.

Observera att vad vi räknat ut är temperaturen vid jordytan. Temperaturen i jordens inre är ju mycket högre (jordens inre är ju flytande). Man har en temperaturgradient (ökande temperatur med ökat djup) som bestäms av värmeledningsförmågan, se figuren i fråga 19301 .

Tack Per-Gunnar Andreasson, Geologi, Lund för uppgifter om jordens inre!

Tillägg 12/11/08:
Enligt länk 1 är den utvecklade effekten 44 TW, vilket motsvarar 44/4=1.1 1013 cal/s, vilket stämmer bra med ovanstående värde. Länk 1 nämner även en referens som ger effektutvecklingen till 31 TW. Dessa värden är alltså ganska osäkra. Man har gjort uppskattningarna genom att mäta temperaturgradienten i borrhål på olika ställen av jordytan.

De isotoper som bidrar mest till uppvärmningen är 40K, 232Th och 238U (halveringstider 1.3 Ga, 14 Ga och 4.5 Ga [Ga=miljarder år]). Om man visste hur mycket av dessa isotoper som finns i jordens inre, skulle man lätt kunna räkna ut effektutvecklingen. Men man kan inte komma åt att analysera vilka halter dessa spårämnen har. Seismologiska data ger bra information om huvudsammansättningen, men spårämnena måste man uppskatta från halterna i meteoriter och solatmosfären.

I länk 1 föreslår man att man skall mäta ovanstående sönderfall genom att detektera neutriner. Dessa tar sig lätt genom jordens inre och kan detekteras på ytan. Genom att mäta neutrinernas antal, energi och vilken riktning de kommer ifrån, kan man räkna ut hur mycket av ovanstående isotoper som finns i jordens inre, och därmed få en direkt mätning av effektutvecklingen. Mätningen är emellertid ganska svår och kräver stora och dyra detektorer.
/Peter E

Se även fråga 13917

Nyckelord: jordens inre [11]; temperaturstrålning [21]; radioaktivt sönderfall [33]; solarkonstanten [6]; *geologi [16];

1 http://arxiv.org/abs/physics/0607230

*

Ljud-Ljus-Vågor [12564]

Fråga:
Jag har en kort fråga angående Plancks strålningslag. Är det så att vid en viss temperatur sänder en kropp ut EN sorts ljus, det som ligger vid maximum för våglängdsfördelningen, eller sänder den ut alla sorters ljus bara det att maximat syns mest? Tack!
/Jonas F, Kista gymnasium, Kista

Svar:
Det senare. Vid en viss temperatur sänds i princip ut elektromagnetisk strålning av alla våglängder. Man har en ganska bred fördelning med maximum vid våglängden som ges av Wiens förskjutningslag. Det är också faktiskt så att för en högre temperatur ligger hela fördelningen över kurvan för en lägre temperatur, se Applet: Blackbody Spectrum . Se vidare Radiation Laws . Bilden nedan är från denna sida. Black Body Radiation innehåller en härledning av strålningslagen och lite resonemang om hur absorption och emission "går till".

Se även Planck's_law .



/Peter E

Nyckelord: Plancks strålningslag [5]; temperaturstrålning [21];

*

Ljud-Ljus-Vågor [12409]

Fråga:
Varför är solen gul när den är mycket varmare än en gaslåga som är blå?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Varför är solen gul när den är mycket varmare än en gaslåga som är blå? Blått är ju varmare än gult? Har det med att göra hur långt elektronerna hoppar?
/Catharina R, Sollentuna musikklasser, Sollentuna

Svar:
Bra fråga Catharina!

Solens "yta" (fotosfären) sänder ut temperaturstrålning, dvs elektromagnetisk strålning som utsänds från varje kropp med temperatur över absoluta nollpunkten. Maximum för denna fördelning ligger i gult för solytans temperatur, c:a 6000 grader. Temperaturstrålningen för en s.k. absolut svart kropp (en kropp som absorberar all strålning som kommer in) beror bara på temperaturen, inte sammansättningen. Spektrum för temperaturstrålningen visas nedan för några temperaturer; figuren kommer från Radiation Laws .

Genom att mäta upp vid vilken våglängd maximum ligger, kan man bestämma temperaturen hos en kropp. Det är så man bestämt solytans temperatur till c:a 6000oC.

En gaslåga sänder ut ett linjespektrum, dvs ett spektrum som består av spektrallinjer. Vilka linjer som utsänds beror på atomernas egenskaper. Så färgen på gaslågan beror på atomernas energinivåer.

Försök: tänd en bunsenlåga och justera den så den är blå. Kasta lite koksalt i lågan. Vad händer? Effekten beror på natriumet i NaCl.

Se vidare temperaturstrålning och linjespektrum i Nationalencyklopedin . Temperaturstrålning (även kallad svartkroppsstrålning, ett begrepp som är förvirrande) behandlas även i Svartkropp .



/Peter E

Nyckelord: spektrum [11]; Plancks strålningslag [5]; temperaturstrålning [21]; #ljus [63];

*

Ljud-Ljus-Vågor [9333]

Fråga:
Hur kommer det sig att en svart yta avger mer värme än en ljus? (Jag vet att det har med svartkroppsstrålning att göra men hittar ingen förklaringsmodell som fungerar, det är lättare att förstå varför en svart yta absorberar ljus bra.)
/Mikael L, Sannerudsskolan, Kil

Svar:
I härledningen av Stefan–Boltzmanns lag (Stefan–Boltzmann_law ) om strålningen från en yta från Plancks strålningslag ingår en konstant som kan kallas spektral emissivitet e(l). Den är normalt en funktion av våglängden hos strålningen. Den har värdet 1 för en svart yta och 0 för en perfekt speglande yta.

Absorptionsförmågan hos en kropp beskrivs av den spektrala absorptansen a(l).

Kirchhoffs strålningslag (Kirchhoff's_law_of_thermal_radiation ) säger att dessa konstanter är lika:

  e(l) = a(l)

Lagen säger alltså att en god absorbator, en svart och matt yta, även strålar ut värmestrålning effektivt, medan en blank yta strålar ut mindre effektivt, se fråga 14368 .

I Kirchhoff's_law_of_thermal_radiation#Theory förs ett (ganska komplicerat) resonemang som visar att Kirchhoffs lag måste gälla. Härledbarheten har diskuterats i 150 år, men lagen är emellertid väl etablerad experimentellt.

Länk 1 är en mycket detaljerad diskussion om härledbarheten hos Kirchhoffs strålningslag: Experimenting theory: The proofs of Kirchhoff's radiation law before and after Planck.
/Peter E

Nyckelord: temperaturstrålning [21]; Kirchhoffs strålningslag [4]; #ljus [63];

1 http://www.mzwtg.mwn.tum.de/fileadmin/w00bmt/www/Arbeitspapiere/Schirrmacher_2001_1.pdf

*

Ljud-Ljus-Vågor [176]

Fråga:
Hur uppkommer ett absorptionsspektrum?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Beskriv olika typer av spektrum såsom band-, linje-, absorbtions-, emissions- och röntgenspektrum.
/

Svar:
Ljuset som kommer från atomer, molekyler eller atomkärnor är "budbärare" som för med sig information om dessa mycket små kroppar som vi inte kan observera direkt. Ljus utsänds från dessa mikroskopiska kroppar när de "gör sig av" med energi.

Ett spektrum får man när man delar upp ljuset efter våglängd eller frekvens. Ett kontinuerligt spektrum innehåller ljus av alla våglängder (t.ex. temperaturspektrum). Ett diskret spektrum består av ett ändligt antal ljusa linjer (t.ex. emissionsspektrum).

Bandspektra är typiskt för molekyler och beror på att molekyler kan både vibrera och rotera, se bilden nedan.

Tydliga linjespektra kommer från atomer. Dessa som alltid är sfäriska kan varken rotera eller vibrera. Det enda sättet för en atom att ha extra energi är att elektronerna får högre energi.

I emissionsspektra ser man ljusa linjer medan man i absorptionsspektra skickar vitt ljus genom ett prov. Man ser då mörka linjer. Se nedanstående bild. Det kontinuerliga spektrat till vänster (riktning 1) kallas temperaturspektrum (se temperaturstrålning ) eftersom utseendet endast beror av den utsändande kroppens temperatur. Om man tittar på lampans temperaturspektrum genom ett gasmoln, så kommer vissa våglängder att absorberas. Vi får ett absorptionsspektrum (riktning 3). Om man i stället tittar på gasmolnet från sidan, så kommer man att se ljusa linjer - ett emissionsspektrum (riktning 2). För ett visst gasmoln är våglängderna för linjerna samma i emission som absorption förutom att vissa linjer ibland saknas i absorptionsspektrat, se fråga 15042 .

Man kan fråga sig varför man får mörka linjer i riktning 3 när de våglängder som absorberas i gasmolnet sänds ut igen. Anledningen är att de sänds ut i alla riktningar (t.ex. i riktning 2), så det kommer färre fotoner av de absorberade/utsända våglängderna i riktning 3.

Röntgenspektra har mycket kortare våglängd än synligt ljus. Dessa spektra består av två komponeneter: dels kontinuerligt, dels ett karakteristiskt spektrum.

Studera: Studera olika spektra från gasurladdningslampor med hjälp av spektroskop. För att se absorptionsspektrum kan Du på motsvarande sätt studera solljuset.



/Gunnar O/Peter E

Nyckelord: spektrum [11]; temperaturstrålning [21]; #ljus [63];

*

Ämnesområde
Sök efter
Grundskolan eller gymnasiet?
Nyckelord: (Enda villkor)
Definition: (Enda villkor)
 
 

Om du inte hittar svaret i databasen eller i

Sök i svenska Wikipedia:

- fråga gärna här.

 

 

Frågelådan innehåller 7168 frågor med svar.
Senaste ändringen i databasen gjordes 2017-07-06 14:08:20.


sök | söktips | Veckans fråga | alla 'Veckans fråga' | ämnen | dokumentation | ställ en fråga
till diskussionsfora

 

Creative Commons License

Denna sida från NRCF är licensierad under Creative Commons:
Erkännande-Ickekommersiell-Inga bearbetningar
.