Um corpo negro é, no âmbito da física, um objecto idealizado que absorve a totalidade da radiação electromagnética que incide sobre si e reemite a energia absorvida num espectro contínuo. O facto de nenhuma luz (radiação electromagnética visível) ser reflectida ou transmitida faz com que dito objecto surja a negro quando está frio. Emite no entanto um espectro de luz dependente da temperatura.
Radiação de corpo negro A referida radiação térmica emitida por corpos negros é designada por radiação de corpo negro. No espectro electromagnético quanto mais curto for o comprimento de onda maior é a frequência, encontrando-se os valores mais altos desta última associados a temperaturas mais elevadas. A cor de um objecto mais quente está assim mais próxima da zona azul do espectro, e a de um objecto mais frio mais próxima da zona vermelha do espectro.
Os corpos negros à temperatura ambiente emitem sobretudo radiações com comprimentos de onda no espectro dos infravermelhos mas, à medida a sua temperatura ultrapassa algumas centenas de graus Celsius, começam igualmente a emitir no espectro da luz visível: Inicialmente vermelho, e depois respectivamente laranja, amarelo, branco, e por fim azul, à medida que a temperatura vai aumentando. Na altura em que o objecto está a emitir luz branca emite também uma quantidade substancial de radiação ultravioleta.
As emissões de corpo negro permitem apurar o estado de equilíbrio térmico de um campo contínuo. Na física clássica cada função da série de Fourier em equilíbrio térmico deve ter a mesma energia. Esta abordagem dá origem a um paradoxo designado por catástrofe dos ultravioletas, segundo o qual há uma quantidade infinita de energia em qualquer campo contínuo. Os corpos negros podem testar as propriedades de equilíbrio térmico pelo facto de emitirem radiação que é distribuída termicamente.
À medida que a temperatura aumenta o pico da radiação de corpo negro curva em direcção a comprimentos de onda mais longos
A temperatura da lava pode ser estimada pela observação da sua cor
História
O termo “corpo negro” foi introduzido pelo físico alemão Gustav Kirchhoff em 1860. O estudo das leis de corpo negro conduziu historicamente ao desenvolvimento da disciplina da mecânica quântica no início do século XX.
Foram as questões levantadas pela catástrofe dos ultravioletas que levaram Max Planck a introduzir a noção de quanta.
Explicação
A radiação de corpo negro manifesta-se sob a forma de luz quando aquele se encontra em equilíbrio térmico a uma determinada temperatura, sendo assim a referência para a luz em estado de equilíbrio termodinâmico. Está estabelecido experimentalmente que a radiação em estado de equilíbrio é aquela presente numa cavidade de limites rígidos com um corpo negro no seu interior. Não existem corpos negros em sentido restrito na natureza, embora a grafite seja material mais aproximado e uma caixa fechada com paredes de grafite num estado de equilíbrio térmico permita uma boa noção da radiação ideal de corpo negro. Já uma cavidade que não contenha qualquer material negro emite radiação de corpo negro quando em equilíbrio, um facto que foi descoberto experimentalmente por Kirchhoff.
Pelo facto da luz constituir a oscilação de um campo electromagnético contínuo, o estudo da radiação de corpo negro revela a forma como os campos contínuos podem possuir uma temperatura (algo que contradiz a física clássica). O facto do estado térmico da luz ser tão confuso antes do advento da mecãnica quântica deu origem a que os postulados feitos no século XIX de que a luz era um equilíbrio térmico fossem feitos com muito cuidado.
Um objecto a uma temperatura fixa T (como um forno) regista uma certa incandescência. O seu ponto de Draper é o nome atribuído ao ponto no qual todos os sólidos apresentam uma ténue incandescência vermelha (a cerca de 798º K). A 1000º K o forno aparenta ser vermelho, e a 6000º K aparenta ser branco. Independentemente da forma como forno em questão é construído, a cor da luz depende apenas da temperatura (desde que o material não seja demasiado brilhante). O facto da cor constituir uma medida directamente visível do comprimento de onda faz com que a luz a diferentes temperaturas possua também uma diferente distribuição de energia entre os vários comprimentos de onda. A quantidade de energia E por unidade de volume ao comprimento de onda λ e a uma temperatura T é a designada curva de corpo negro. Experiências pormenorizadas revelaram que a curva de corpo negro depende apenas da temperatura e não do corpo emissor. Isto sugere que a luz deriva de facto do equilíbrio térmico, e que o conceito de luz à temperatura T faz sentido.
Dois objectos que se encontram à mesma temperatura mantêm-se em equilíbrio, pelo que um corpo à temperatura T rodeada por uma nuvem de luz também à temperatura T vai em média emitir tanta luz para a nuvem quanta a que absorve da mesma.
O princípio do equilíbrio detalhado afirma que não existem correlações estranhas entre o processo de emissão e o de absorção. O primeiro não é afectado pelo segundo mas apenas pelo astado térmico do corpo emissor. Isto significa que a luz total emitida por um corpo à temperatura T (seja ou não negro) é sempre igual ao total de luz que o mesmo corpo iria absorver se estivesse rodeado de luz à temperatura T. Quando o corpo é negro a absorção é contudo óbvia: a quantidade de luz absorvida é toda a luz que incide sobre a superfície do mesmo. Para um corpo negro muito maior do que o comprimento de onda, a energia luminosa absorvida a qualquer comprimento de onda λ por unidade de tempo é somente proporcional à curva de corpo negro. Esta última é assim a quantidade de luz emitida por um corpo negro, justificando o seu nome.
A lei da radiação térmica de Kirchhoff postula assim que se a curva de emissões de corpo negro for uma característica térmica da luz (a qual depende somente da temperatura das paredes da cavidade) desde que a cavidade possua algum material perfeito de corpo negro e se encontre em equilíbrio radiativo.
Os corpos negros à temperatura ambiente emitem sobretudo radiações com comprimentos de onda no espectro dos infravermelhos mas, à medida a sua temperatura ultrapassa algumas centenas de graus Celsius, começam igualmente a emitir no espectro da luz visível: Inicialmente vermelho, e depois respectivamente laranja, amarelo, branco, e por fim azul, à medida que a temperatura vai aumentando. Na altura em que o objecto está a emitir luz branca emite também uma quantidade substancial de radiação ultravioleta.
As emissões de corpo negro permitem apurar o estado de equilíbrio térmico de um campo contínuo. Na física clássica cada função da série de Fourier em equilíbrio térmico deve ter a mesma energia. Esta abordagem dá origem a um paradoxo designado por catástrofe dos ultravioletas, segundo o qual há uma quantidade infinita de energia em qualquer campo contínuo. Os corpos negros podem testar as propriedades de equilíbrio térmico pelo facto de emitirem radiação que é distribuída termicamente.
História
O termo “corpo negro” foi introduzido pelo físico alemão Gustav Kirchhoff em 1860. O estudo das leis de corpo negro conduziu historicamente ao desenvolvimento da disciplina da mecânica quântica no início do século XX.
Foram as questões levantadas pela catástrofe dos ultravioletas que levaram Max Planck a introduzir a noção de quanta.
Explicação
A radiação de corpo negro manifesta-se sob a forma de luz quando aquele se encontra em equilíbrio térmico a uma determinada temperatura, sendo assim a referência para a luz em estado de equilíbrio termodinâmico. Está estabelecido experimentalmente que a radiação em estado de equilíbrio é aquela presente numa cavidade de limites rígidos com um corpo negro no seu interior. Não existem corpos negros em sentido restrito na natureza, embora a grafite seja material mais aproximado e uma caixa fechada com paredes de grafite num estado de equilíbrio térmico permita uma boa noção da radiação ideal de corpo negro. Já uma cavidade que não contenha qualquer material negro emite radiação de corpo negro quando em equilíbrio, um facto que foi descoberto experimentalmente por Kirchhoff.
Pelo facto da luz constituir a oscilação de um campo electromagnético contínuo, o estudo da radiação de corpo negro revela a forma como os campos contínuos podem possuir uma temperatura (algo que contradiz a física clássica). O facto do estado térmico da luz ser tão confuso antes do advento da mecãnica quântica deu origem a que os postulados feitos no século XIX de que a luz era um equilíbrio térmico fossem feitos com muito cuidado.
Um objecto a uma temperatura fixa T (como um forno) regista uma certa incandescência. O seu ponto de Draper é o nome atribuído ao ponto no qual todos os sólidos apresentam uma ténue incandescência vermelha (a cerca de 798º K). A 1000º K o forno aparenta ser vermelho, e a 6000º K aparenta ser branco. Independentemente da forma como forno em questão é construído, a cor da luz depende apenas da temperatura (desde que o material não seja demasiado brilhante). O facto da cor constituir uma medida directamente visível do comprimento de onda faz com que a luz a diferentes temperaturas possua também uma diferente distribuição de energia entre os vários comprimentos de onda. A quantidade de energia E por unidade de volume ao comprimento de onda λ e a uma temperatura T é a designada curva de corpo negro. Experiências pormenorizadas revelaram que a curva de corpo negro depende apenas da temperatura e não do corpo emissor. Isto sugere que a luz deriva de facto do equilíbrio térmico, e que o conceito de luz à temperatura T faz sentido.
Dois objectos que se encontram à mesma temperatura mantêm-se em equilíbrio, pelo que um corpo à temperatura T rodeada por uma nuvem de luz também à temperatura T vai em média emitir tanta luz para a nuvem quanta a que absorve da mesma.
O princípio do equilíbrio detalhado afirma que não existem correlações estranhas entre o processo de emissão e o de absorção. O primeiro não é afectado pelo segundo mas apenas pelo astado térmico do corpo emissor. Isto significa que a luz total emitida por um corpo à temperatura T (seja ou não negro) é sempre igual ao total de luz que o mesmo corpo iria absorver se estivesse rodeado de luz à temperatura T. Quando o corpo é negro a absorção é contudo óbvia: a quantidade de luz absorvida é toda a luz que incide sobre a superfície do mesmo. Para um corpo negro muito maior do que o comprimento de onda, a energia luminosa absorvida a qualquer comprimento de onda λ por unidade de tempo é somente proporcional à curva de corpo negro. Esta última é assim a quantidade de luz emitida por um corpo negro, justificando o seu nome.
A lei da radiação térmica de Kirchhoff postula assim que se a curva de emissões de corpo negro for uma característica térmica da luz (a qual depende somente da temperatura das paredes da cavidade) desde que a cavidade possua algum material perfeito de corpo negro e se encontre em equilíbrio radiativo.
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