|
|
KN.Mesék mind |
Fizika egyszerűen |
Demokritos, az ókori görög filozófus, aki jó kedélyéről volt ismert (a "nevető bölcs", valószínűleg ennek köszönhetően élt száz évet), egy ízben kenyeret vágott a város főterén, tanulóival és bámészkodókkal körülvéve: - a kenyeret félbevágta, - a fél kenyeret is félbevágta, - a negyedet is félbevágta, - a nyolcadot is félbevágta, - a tizenhatodot is ... ... és így folytatta amíg már alig látta a morzsát .... A nézelődők két hangosan drukkoló, egymással heves vitába keveredő táborra oszlottak: - az egyik tábor azon a nézeten volt, ha Demokritosnak élesebb volna a szeme (öreg korára meg is vakult) és élesebb a kése, akkor a végtelenségig vághatná a maradékokat, - a másik tábor meg azt állította, hogy ha végtelenül jól is látna és mindig elég éles késsel rendelkezne, elérkezne addig, amikor már nem lehetne az anyagot tovább felezni... a-tomos monda Demokritos ógörögül, ami annyit jelent: nem-osztható (osztha-tatlan) és nevetve magára hagyta a tülekedő drukkereket .... ... volt is miért nevetnie, majd két és félezer évet kellett az emberiségnek várnia, hogy Demokritos zseniális meglátása be is legyen bizonyítva.  
Demokritos, az ókori görög filozófus tanítása szerint minden anyag szemmel
nem látható kicsi tömör részecskékből, atomokból van felépítve.
Az atomoknak nincs belső strukturájuk, közöttük üres tér van. Az
atomok nagyságban, alakban és súlyban különböznek egymástól,
ezért hozhatnak létre más-más anyagot. Aristoteles és a többi görög filozófus nagyon ellenséges volt Demokritos tanítása iránt. Szerintük minden létező a világon tüz, víz, levegő és föld elegyéből van felépítve. Így feledésbe is merült az atomisztikus elmélet... Több mint kétezer év eltelte után, a XVIII. század végéig felgyülemlett kémiai ismeretek alapján egy angol tanár aki maga is kísérletezett, John Dalton újraélesztette Demokritos atomelméletét 1803-ban. A következő posztulátumokat fogalmazta meg:(1) Az elemek oszthatatlan kis részecskékből állnak (atomok). (2) Egyazon elemnek minden atomja azonos; különböző elemek különböző típusú atomokkal rendelkeznek. (3) Az atomokat nem lehet létrehozni vagy elpusztítani. (4) ’Vegyült elemek’ (azaz vegyületek) képződnek, amikor különböző elemek atomjai egyszerű arányok szerint kapcsolódnak ’vegyült atomokat’, (azaz molekulákat) létrehozva.
A hidrogén atomja a legkisebb és legegyszerűbb: az atommagot egy proton alkotja, az elektronburokban egy elektron kering. Az uránium atommagjában 92 proton és 136 neutron található, elektronburkaiban 92 elektron kering, héjanként 2, 8, 18, 32, 21, 9 és 2 elektron.
Képzeletben lépcsőzetesen nagyítsuk fel a hidrogén atomját (de úgy, hogy tömege a térfogat növekedésével arányosan növekedjen, azaz anyagsűrűsége ne változzon): - ezerszer (megjelenik a mikroszkóp alatt), - majd még ezerszer ( tíz atom a gombostű fején), - majd még ezerszer (egy szép nagy kilós narancs, félgrammos elektronnal a héjon), - és még ezerszer (egy focipálya nagyságú atomot kapunk, a pálya közepén a borsószem nagyságú megatonnás atommag /a kilós "narancsatom" ezerszeres nagyításával térfogata és súlya 1000x1000x1000 lesz nagyobb/ , a kifutón száguld a tűhegy nagyságú félezertonnás elektron),  - majd végül még százszor (egy Budapest nagyságú atomot kapunk, Deák téren a millió megatonnás strandlabda nagyságú atommag, az M0-on száguld az üveggolyó nagyságú félezer megatonnás elektron)
- az atomok/molekulák semlegesek, gáznemű halmazállapotban semmilyen kölcsönhatásban nincsenek egymással, száguldanak mint a puskagolyók, néha ütköznek egymással és lepattannak egymásról mint a billiárdgolyók: ugyanis amikor a két egymásnak ütköző atom elektronburkai közel kerülnek egymáshoz akkor egyik elektron sem tűri meg azt, hogy egy másik elektron a helyére tolakodjon, ezért hatalmas energiával eltaszítják egymást (legfeljebb, ha az ütközési energia óriási, akkor az elektronok leszakadnak az ütköző atomokról és plazma halmazállapot jön létre ). - amikor az atomok/molekulák lasabban mozognak, csökken a gáz hőmérséklete, nyomása és térfogata. Az ütközések többé már nem olyan hevesek, így az atomok habár nagy távolságból nézve semlegesek, egymás közelségében megérzik egymás pozitív és negatív töltéseit (ezt az aszimmetrikus töltéseloszlást dipólusnak nevezzük), az azonos töltések taszítják az ellentétes töltések vonzzák egymást, s így orientált elrendeződés alakul ki: az atomi dipólusok ellentétes töltésükkel egymás felé fordulnak.
- folyadékban az atomok/molekulák egymáson "elcsúsznak" miközben folyamatos kölcsönhatásban vannak egymással, a folyadék felveszi a tárolóedény alakját és nem nyomható össze mint a gáz. A hőmérséklet csökkenésével a részecskék mozgása mind lassúbb lesz mígnem mozgásukban meg nem dermednek és fázisátalakulással szilárd halmazállapotba nem mennek át. - szilárd anyagok atomjai/molekulái nem változtathatják helyzetüket, helyhez vannak kötve, egy helyben rezegnek. A hőmérséklet csökkenésével a részecskék mind lasabban rezegnek, mígnem minden rezgés is megdermed amikor -273C, azaz 0K fokra, azaz abszolút nullára nem esik a hömérséklet. - az atomok azért nem vághatók félbe egy éles késsel, mert ha sikerülne is olyan éles szamurájpengét kovácsolnunk, melynek éle egyetlen kitüremlő atomsorból állna, és sikerülne a penge élét a céltárgy egy atomjára irányítani, úgy a két egymásnak feszülő atom elektronburkai oly erősen taszítanák egymást, hogy a kés éle a végén férecsúszna az atomról, kétoldalra nyomná az útjába kerülő atomokat, azaz belevágna az anyagba. - az ősember pattintott kovakövet használt kezdetleges vágószerszámnak, ládzsa és nyíl hegyének, a szilíciumvölgyi ember pedig félvezetők útján okostelefonok gyártásához. A fűszálak éle SiO2 szilícium-dioxid-ból van: a fűfélék éles kovapengével védekeznek az őket lelegelő állatok ellen. - kovakőnek megfelel az obszidián, a kvarc félék, vulkanikus kőzetek, stb., de akár összetört folyami kavics darab is. A kovakő és az acél összeütésével szikrát pattintunk: a kova éles, kemény széle leválaszt egy apró acéldarabot mely atomjai a kiszakítás folyamán olyan sok energiát kapnak, hogy a darabka átizzik, amit mi repülő szikraként látunk.
Valójában mi is a mechanikai kölcsönhatás? Ezt két billiárdgolyó ütközésével fogjuk szemléltetni: gondolkozzunk el, mi történik akkor amikor két golyó összekoccan és lepattan egymásról? Ehhez nagyítsuk fel a golyókat ezerszer: focipálya nagyságú golyók ütköznek, majd nagyítsuk fel a golyókat még ezerszer: Pest megye nagyságú golyók ütköznek, és még ezerszer nagyítsuk fel a golyókat: az ütköző golyók tízszer nagyobbak a földgömbtől, Saturnus nagyságúak... ... és már a narancs nagyságú atomokat is látjuk az atommag körül keringő elektronokkal, de inkább az atommag körül szétmaszatolt elektronfelhőkkel ... ... "látjuk", valójában mit is jelent "látni"? Nos, a tárgyakat azért látjuk, mert a fénysugár visszaverődik róluk. A fénysugár fény-részecskékből: fotonok-ból áll össze. Egy-egy foton hullámhossza 1µm (mikrométer, a milliméter ezredrésze, ami azonban a mi ezer- ezer- ezerszeres nagyításunkban kilóméteres nagyságú hullám mely nemigen alkalmas a narancs nagyságú atomban keringő vagy maszatolódó ezer-ezerszer kisebb elektron és atommag megfigyelésére), energiája 1eV (mellesleg, a kémiai reakciók energiája eV (elektronVolt) nagyságrendű, hát persze: a lángoló tűz látható fényt bocsájt ki, )...
... de mi is az az "eV"? Mekkora energia? Nos: 1V (Volt) az a feszültség, melyen felgyorsulva 1C (Coulomb/kulon) töltés 1J (Joule/dzsúl) munkát végez... ... és az 1J munka, az mi? Vízierőmű: 1m magasról (ez a feszültség) lezúdul/felgyorsul egy pohár víz (ez a töltésmennyiség), a turbina lapátkerekeire csapódik és 1J munkát végez, azaz 1J elektromos energiát termel a generátor... ... nem volt érthető? Jó, még egyszer az 1J munka: vegyük kezünkbe mobiltelefonunkat (olyan nehéz mint egy pohár víz, tíz pohár egy liter, azaz 1kg), 1N (Newton/nyuton) erővel tartjuk. Emeljük 1m magasra, és máris elvégeztünk/befektettünk 1J munkát! Megjegyzés: az ismert W=F*s képlelet (Work/munka = Force/erő * spatio/út) alapján 1J=1N*1m. Most eresszük el a mobiltelefont, zuhanjon a turbina lapátkerekére, megpörgeti, és ilymód 1J elektromos energiát termel a generátor... ... ugyanígy zuhannak 1V "magasságról" az elektronok is hogy 1J munkát elvégezzenek (az elektromotor tekercseiben keringve forgásra kényszerítik a motor tengelyét, mely felcsévéli a huzalt melyen mobiltelefonunk lóg, és azt 1m magasra emeli). Csak azt nem árultam el, hogy hány elektron iparkodik a munka elvégzéséhez? A válasz: 6*1018e-, azaz hat milliárd milliárd elektron (olyan sok, hogy ha elosztanánk őket a földgömbön élő hat milliárd írástudó ember között, mindegyikünkre egy milliárd elektron jutna!), ami pontosan az egységnyi 1C töltésmennyiséget eredményezi! ... és most térjünk vissza az 1eV, a látható fény, a kémiai reakciók energiájához: 1eV az az energia, amikor egy elektron 1V "magasról" zuhan alá a "turbinakerékre". Az általa kifejtett munka hat milliárd milliárdszor kisebb az egységnyi 1J munkától... ... azonban, bármennyire is parányi a látható fénysugár 1eV energiája, amikor a kilóméteresre felnagyított hullámhosszú fénysugár telibe találja a narancsatom még ezer-ezerszer kisebb elektronját, szegény pára kizökken a helyéből: csak azt nem tudjuk, melyik narancsatom elektronja a kilóméteres körben, és azt még kevésbbé tudjuk, hogy hol is volt egészen pontosan az atomban a kizökkentett elektron... ...jó van, akkor nézzünk ezerszer erősebb röntgensugarakkal: nanométeres hullámhosszuk a mi nagyításunkban méteres lesz, de még mindig nem tudjuk, melyik narancsatomot nézzük, azonban az elektron az 1000eV=1keV energiájú X-sugártól olyan hatalmas pofont kap, hogy ez semmiképp sem minősül békés megfigyelésnek... ...jó van, akkor nézzünk még ezerszer erősebb gamma sugarakkal: pikométeres hullámhosszuk a mi nagyításunkban milliméteres lesz, most már tudjuk, melyik narancsatomot nézzük, azonban az elektron az 1000keV=1MeV energiájú gamma-sugártól olyan fricskát kap, ami egy atombombával történő símogatásnak minősül ... ... sok szó mint száz: nincs sok értelme elképzelni azt, hogy az elektron pontosan meghatározott pályán kering az atommag körül, mint például a Nap körül a Föld. Fölösleges és férevezető elmélkedni arról, amit soha sem tapasztaltunk meg és soha sem lesz lehetőségünk a szó szoros értelmében meglátni. El kell fogadnunk azt a tényt, hogy az elektron ott van valahol valahogyan az atom elektronburkában, hogy csak pontosan meghatározott energiájú energiaszinteken létezhet, és hogy ugyanazon a szinten egynél több elektron nem tartózkodhat, mert két elektron nem tűri meg egymást ugyanazon a helyen. Na most jöhet a két óriásbilliárdgolyó ütközése: valójában mi is ütközik? A két billiárdgolyó legkülső felszíni atomjai elektronburkában lévő elektronok ütköznek egymással. Valójában a legkülső atomok elektronhéjai nyomulnának egymásba, azonban ugyanazon a helyen két elektron nem lehet, így a két atom erőteljesen taszítja egymást. A Saturnus nagyságúra felnagyított billiárdgolyók ütköző felszínei kilómétereket és kilómétereket horpadnak be (sok százezer narancsatom-réteg mozdul meg) majd ellentámadásba lendülve erőteljesen ellökik egymást egy "klakk" felkiáltással... ... tehát a hagyományos mechanikai kölcsönhatás valójában az atomok elektronhéjában található elektronok kölcsönhatására vezethető vissza, és nem is a hagyományos elektromágneses kölcsönhatásra ahol az egynemű töltések a távolság négyzetével csökkenő mértékben taszítják egymást, hanem a kvantummechanika Pauli-féle
kizárási
elvre épülő (egyazon állapotban két elektron nem lehet)
törvényszerűségre, ahol az elektronok közötti taszítóerő megközelítőleg
a közelség tizenkettedik hatványával növekszik, miközben az egymással
tolakodó két elektron virtuális fényrészecskék/fotonok cseréje útján
hat egymásra, ami továbbra is elektromágneses kölcsönhatás, melyet
pontosan a kvantum-elektrodinamika ír le...
Hőterjedés valójában az egymással kapcsolatba kerülő anyaghalmazok általános tendenciája a kiegyenlítődésre, makroszkopikus megfogalmazással élve: hőmérséklet kiegyenlítődése hőterjedés útján. A hő terjedhet: - hővezetéssel amikor csak a mozgási energia lesz továbbadva a részecskék helybenmaradása mellett, vagy - hőáramlással amikor a közeg egy része magával viszi a hőenergiát, vagy - hősugárzással . Hőmérsékleti sugárzás : A hőmérsékleti sugárzás egy külön téma: az egymással ütköző részecskék lényegében elektromágneses kölcsönhatás révén pattannak le egymásról (a gravitációs kölcsönhatás elenyésző, nagyságrendekkel gyengébb, az ütközések pedig messze nem olyan nagy energiájúak, hogy az erős vagy a gyenge kölcsönhatás is porondra léphessen), ez a lepattanás azonban nem elasztikus, mint a billiárdgolyók esetében, hanem energiaveszteséggel jár, mely makroszkopikus szinten a hőmérsékleti sugárzással jellemezhető: ilyen értelemben azon tartományok hőmérséklete is ki fog egyenlítődni, melyek nincsenek közvetlen érintkezésben egymással .
Így például egy izzó vasdarab látható fénytartományban fogja kisugározni hőenergiáját, majd vörös lesz, majd további hüléssel már a szemmel nem látható közeli infravörös tartományban sugároz mikrométeres hullámhosszon, majd szobahőmérsékleten már a 10-100 mikrométeres hősugárzás lesz jellemző, míg végül a világűr kietlen hidegében tovább hülve a centiméteres mikrohullámok energiaspektrumában fog sugározni -270C fokra lehülve. Abszolút nullára, -273C fokra már nem fog lehülni, mert az ősrobbanás felvillanásából hátramaradó 3K fokos kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás folyamatosan visszapótolja a kisugárzott energiát. Amennyiben azonban az izzó vasdarabot tükröző alufóliával vesszük körül (a hagyományos termoszpalack külső tükörbúrája), akkor a kibocsájtott fény- és hősugárzás vissza fog verődni, és így az izzó vasdarab soha sem fog kihülni, legalábbis az ideális esetben. Mivel azonban az alufólia csak 99%-ban veri vissza a hősugárzást, a látható fényt meg 95%-ban, úgy az elnyelt energia következtében az alufólia is fel fog melegedni, aminek köszönhetően úgy befelé mint kifelé hőenergiát fog kisugározni. A kifelé sugárzott energia már nem a kezdetben izzó vasat fogja visszamelegíteni, így a forró vasdarab százszor hoszabb idő után mégis ki fog hülni a legvégén...
A fizikus azonban nem hagyja magát elszédíteni a nagy vagy kicsi számokkal, hideg fejjel számlálja Isten nyáját: - k (103, kiló) : ezer méter a kilóméter, ezer gramm a kilógramm, ezer tonna a kilotonna, ezer óhm a kiloóhm, ezer watt a kilowatt (porszívó), ezer volt a kilovolt, ezer bájt a kilobájt - M (106, mega) : ezer kilo a mega, ezer kilotonna a megatonna, ezer koloóhm a megaóhm, ezer kilowatt a megawatt (szélerőmű), ezer kilobájt a megabájt - G (109, giga) : ezer mega a giga, ezer megatonna a gigatonna, ezer megaóhm a gigaóhm, ezer megawatt a gigawatt (atomerőmű), ezer megabájt a gigabájt - T (1012, tera) : ezer giga a tera, ezer gigatonna a teratonna, ezer gigawatt a terawatt, ezer gigabájt a terabájt (csillagok száma a Tejútrendszerünkben, galaxisok száma a világmindenségben, emberi idegsejtek száma az agyban) - P (1015, peta) : ezer tera a peta - E (1018, exa) : ezer peta az exa (vezetékben elmozduló elektronok száma, egységnyi elektromos töltés: 1C=6*1018 e-) - Z (1021, zetta) : ezer exa a zetta - Y (1024, yotta) : ezer zetta a yotta (atomok száma 1g hidrogénben, vízmolekulák száma 18g vízben, vasatomok száma 56g vasban, Avogadro szám: 6*1023) - kY (1027, kiloyotta) : ezer yotta (emberi testet alkotó molekulák száma) - MY (1030, megayotta) : millió yotta (baktériumok száma a Földön )- m (10-3, milli) : egy ezred a milli, ezred méter a milliméter (bolha), ezred gramm a milligramm, ezred óhm a millióhm, ezred farad a millifarad, ezred volt a millivolt - μ (10-6, mikro) : ezred milli a mikro, ezred milliméter a mikrométer (baktérium, fény), ezred milligramm a mikrogramm, ezred millifarad a mikrofarad - n (10-9, nano) : ezred mikro a nano, ezred mikrométer a nanométer (fehérjemolekula, röntgensugár), ezred mikrofarad a nanofarad - p (10-12, piko) : ezred nano a piko, ezred nanométer a pikométer (gamma sugár), ezred nanofarad a pikofarad - f (10-15, femto) : ezred piko a femto, ezred pikométer a femtométer (atommag, erős kölcsönhatás hatótávolsága) - a (10-18, atto) : ezred femto az atto, ezred femtométer az attométer (gyenge kölcsönhatás hatótávolsága) - z (10-21, zepto) : ezred atto a zepto, ezred attométer a zeptométer - y (10-24, yocto) : ezred zepto a yocto, ezred zeptométer a yoctométer
Így például egy izzó vasdarab látható fénytartományban fogja kisugározni hőenergiáját, majd vörös lesz, majd további hüléssel már a szemmel nem látható közeli infravörös tartományban sugároz mikrométeres hullámhosszon, majd szobahőmérsékleten már a 10-100 mikrométeres hősugárzás lesz jellemző, míg végül a világűr kietlen hidegében tovább hülve a centiméteres mikrohullámok energiaspektrumában fog sugározni -270C fokra lehülve. Abszolút nullára, -273C fokra már nem fog lehülni, mert az ősrobbanás felvillanásából hátramaradó 3K fokos kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás folyamatosan visszapótolja a kisugárzott energiát. Amennyiben azonban az izzó vasdarabot tükröző alufóliával vesszük körül (a hagyományos termoszpalack külső tükörbúrája), akkor a kibocsájtott fény- és hősugárzás vissza fog verődni, és így az izzó vasdarab soha sem fog kihülni, legalábbis az ideális esetben. Mivel azonban az alufólia csak 99%-ban veri vissza a hősugárzást, a látható fényt meg 95%-ban, úgy az elnyelt energia következtében az alufólia is fel fog melegedni, aminek köszönhetően úgy befelé mint kifelé hőenergiát fog kisugározni. A kifelé sugárzott energia már nem a kezdetben izzó vasat fogja visszamelegíteni, így a forró vasdarab százszor hoszabb idő után mégis ki fog hülni a legvégén...
- a fekete felszín elnyel minden beeső sugárzást és Kirchhoff
törvényével összhangban ugyanolyan mértékben mindent a lehető
legnagyobb mértékben ki is sugároz magából. Számszerűsítve a=1 -et
írhatunk az elnyelésre (abszorpció), e=1
-et a kisugárzásra (emisszió),
r=0 -át a visszaverődésre
(reflexió). - fényes fémfelületek gyakorlatilag az összes rájuk eső sugárzást visszatükrözik (ez 99% körül van), és csak elenyésző részét nyelik el (ez 1% kürül van). Kirchhoff törvényével összhangban ugyanazon a hőmérsékleten fényes fémfelület kisugárzása csak 1% lesz a fekete felszínhez viszonyítva. Számszerűsítve: r=0.99 és a=e=0.01.
A visszatökrözött fény lehet szabályos és diffúz szórt fény. Az utóbbit úgy képzelhetjük el, hogy egyetlen tükörsíma felület helyett a beeső fénnyalábot egy összetört tükör szilánkjainak százezrei tükrözik vissza, mindegyik a saját fekvése szerint... A korom és a tükrön túl létezik azonban egy harmadik anyag is: az üveg. Az átláthatóság (transzparencia) a tükrözés (reflexió) ikertestvére: egyik sem nyeli el a sugárzást, de amíg a tükör visszafordítja azt, addig az üveg irányváltozás nélkül továbbengedi a merőlegesen beeső fényt (egyéb szögek esetén fénytörés, irányváltás lép fel). Azonban az üvegnek van két igen fontos tulajdonsága: - az üveg csak a látható fény mikrométeres tartományában fényáteresztő, a hősugárzás nagyon hosszú hullámhosszán (kettő, tíz, száz mikrométer és azon túl) és az ultraubolyasugárzás nagyon rövid hullámhosszán (egytized, egyezred mikrométer és azon túl) koromfekete, fényelnyelő, - az üveg átlagosan 8%-ban a látható fényt is visszatükrözi. Általában minden anyag kb. 10% környékén tükrözi vissza a fényt, de diffúz, szórt módon, mivel azonban az üveg általában szabályos sík felületet alkot (a dunai mosott homok csillogó kvarclapocskái ugyanúgy), a ferde szögben ráeső párhuzamos fénnyalábot visszatükrözi (aminek felvillanása elárulja a karórát, szemüveget viselő rejtőző katonát). A fényelnyelés ( a , apszorpció) , tükrözés (r , reflexió) és fényáteresztés (t , tramszparencia) összefüggése: a+r+t=1 .
Az izzó vas fénye prizmán áthaladva színekre bomlik, akárcsak a szivárvány kialakulása amikor a nap fénye esőcseppeken halad át. Sorrendben vörös, narancs, sárga, zöld, kék, ibolyaszínű csíkok követik egymást.
A látható fény hullámhossza 0.4 és 0.7 μm között van: 0.4μm ibolya (3eV), 0.45μm a kék (2.8eV), 0.5μm zöld (2.4eV), 0.58μm a sárga (2.1eV), 0.6μm narancs (2eV) és 0.7μm a vörös (1.8eV) szín. A fekete felület minden színkomponenst egyaránt elnyel, a fehér felület minden színkomponenst egyaránt visszatükröz. Egy kék felület minden színkomponenst egyaránt elnyel, kivéve a kék színt, melyet visszatükrözi... Egy sárga felület minden színkomponenst egyaránt elnyel, kivéve a sárga színt, melyet visszatükrözi... Általánosítva fogalmazhatunk úgy, hogy adott szín/hullámhossz esetében a felület tükröző: aλ=eλ=0 és rλ=1, máskülönben minden más hullámhosszon abszolút fekete: a=e=1 és r=0 . Szürke felület kisugárzása és elnyelése definíció szerint ugyanaz bármely hullámhosszon: a=e=const, a=e>0 és a=e<1. Valós anyagok sugárzási spektruma nem csak hőmérsékletfüggő, hanem hullámhosszfüggő is egyben: e = e(λ,T). Felületek sugárzási/elnyelési tulajdonságai mások a beeső és kimenő sugárzásra, így a szürke felület közelítés valós anyagokra NEM alkalmazható. Valós felületek kétféleképpen viselkednek: a szoláris spektrum elnyelési tényezője merőben eltér a szobahőmérsékleti hősugárzás kisugárzási tényezőjétől. Valós felületek elnyelő- és kisugárzó képessége (valamint komplemensük, a tükrözés) nagyon eltérő lehet különböző hullámhosszakra: így például szokásos fekete felületek egyaránt jól elnyelik és kisugározzák a szoláris (λ=1μm, látható és közeli infravörös) és termális (λ=10μm) spektrumot as=es=0.9, at=et=0.9. Fehérre festett felületek gyengén nyelik el és sugározzák ki a szoláris (λ=1μm) spektrumot: as=es=0.1, de nagyon jól elnyelik és kisugározzák a termális (λ=10μm) spektrumot: at=et=0.9, tehát nagyon hatékonyan tükrözik a szoláris spektrumot: rs=0.9, de nagyon rosszul tükrözik vissza a termális spektrumot: rt=0.1. A fehér festék gyakorlatilag "fekete" a hősugárzással szembe.
Amennyiben azonban egy fekete és egy fényes fémfelület áll egymással szemben, a fényes fémfelület hőmérséklete ugyancsak ki kell hogy egyenlítődjön a fekete felület hőmérsékletével ahhoz, hogy 1%-os hatékonysággal visszasugározza az 1%-os hatékonysággal elnyelt sugárzást (a hatékonyság azonos hőmérsékletű fekete felülethez lett viszonyítva). Valójában az elnyelés/kisugárzás páros a hőhíd a két átellenes felület között bármely a=e értékre,kivéve az abszolút tükröző felületet ahol a=e=0 és r=1: az abszolút tükröző felület a teljes visszaverődésnek és nulla kisugárzásnak köszönhetően megtartja saját hőmérsékletét az átellenes a=e>0 és a=e<1 szürke felülettel szemben (szürke felület kisugárzása és elnyelése definíció szerint ugyanaz bármely hullámhosszon, ami valós felületekre nézve nem igaz). Valós anyagok sugárzási spektruma nem csak hőmérsékletfüggő, hanem hullámhosszfüggő is egyben: e = e(λ,T). Felületek sugárzási/elnyelési tulajdonságai mások a beeső és kimenő sugárzásra, így a szürke felület közelítés valós anyagokra NEM is alkalmazható. Valós felületek kétféleképpen viselkednek: a szoláris spektrum elnyelési tényezője merőben eltér a szobahőmérsékleti hősugárzás kisugárzási tényezőjétől. Valós felületek elnyelő- és kisugárzó képessége (valamint komplemensük, a tükrözés) nagyon eltérő lehet különböző hullámhosszakra: - így például szokásos fekete felületek egyaránt jól elnyelik és kisugározzák a szoláris (λ=1μm, látható és közeli infravörös) és termikus (λ=10μm) spektrumot as=es=0.9, at=et=0.9. - fehérre festett felületek gyengén nyelik el és sugározzák ki a szoláris (λ=1μm) spektrumot: as=es=0.1, de nagyon jól elnyelik és kisugározzák a termikus (λ=10μm) spektrumot: at=et=0.9, tehát nagyon hatékonyan tükrözik a szoláris spektrumot: rs=0.9, de nagyon rosszul tükrözik vissza a termikus spektrumot: rt=0.1. A fehér festék gyakorlatilag "fekete" a hősugárzással szembe. Az izzásig felhevített fekete és fehér felületek közötti termikus egyensúly fenntartásához a fekete felület szoláris hullámhossztartományban (λ=1μm) fog sugározni, az átellenes fehér felület a ráeső sugárzás 90%-át visszatükrözi, 10%-ot elnyel majd kibocsát ugyanabban a szoláris hullámhossztartományban, ugyanis az azonos felszíni hőmérséklet változatlan marad a két különböző felület között. Amennyiben ugyanez szobahőmérsékleten indul, úgy mindkét felület feketének minősíthető, és itt is az egyensúly folyamatosan meg fog maradni. Ha azonban izzó fekete felszínnel indul a folyamat, a fehér pedig szobahőmérsékleten van, a 10%-ban elnyelt szoláris (λ=1μm) spektrum energiája 90%-os hatékonysággall lesz kisugározva a termikus (λ=10μm) spektrumban. Ezzel is azonban az elnyelt energia csak elenyésző hányada lesz vissza kisugározva a Stefan-Boltzmann q = σ T*T*T*T F képlettel összhangban, ahol a kisugárzott energia a hőmérséklet negyedik hatványával arányos, σ a Stefan-Boltzmann állandó, F a felület. Az izzó felület igen gyorsan fel fogja melegíteni a szobahőmérsékletű felületet, létrejön a termikus egyensúly: - leggyorsabban két fekete felület között, - tízszer lasabban fekete és fehér felület között, - százszor lasabban két fehér felület között. Fényes fémes felület magas rs=0.9 szoláris reflektivitással bír, tehát sugárzási és elnyelési tényezője alacsony: as=es=0.1. Termikus reflektivitása még egy nagyságrenddel nagyobb, rt=0.99, amiből kifolyólag termikus sugárzási és elnyelési tényezője még alacsonyabb: at=et=0.01. Párhuzamos fekete és fémes felületek ugyancsak elérik a termikus egyensúlyt, szoláris sugárzási tartományban hasonlóan mint a fehér színű felületek, szobahőmérsékleten azonban százszor lasabban a fekete- és fémfelület között, tízezerszer lasabban a fém- és fémfelület között.
Ha most azonban két átellenes felület helyett egy állandó fényforrásunk van (a Nap), mely folyamatosan és kimeríthetetlenül sugároz, felületeink egészen másképp fognak viselkedni: - a fekete felület fel fog melegedni annyira, míg el nem éri azt a hőmérsékletet, amelyen az összes elnyelt napenergiát hősugárzás alakjában képes lesz leadni, - a fekete felületet véve referenciának, a fehér tízszer kevesebb energiát nyel el, így jelentősen alacsonyabb hőmérsékleten is képes lesz leadni az elnyelt napenergiát, - a fémes felület is (mint a fehér) csak 10%-át nyeli el a beeső napsugárzásnak, de óriási gond van a termális tartománnyal: a fémes felület csak 1%-ot képes kisugározni a fekete (és fehér) felülethez képest, így hőmérséklete jelentősen meg kell hogy növekedjen, hogy mégis megszabadulhasson az elnyelt napenergiától. Felvetődik még a kérdés, hogy milyen hőfokra melegszik fel a fekete felület? Egyértelműen forróbb lesz, ha hátoldalán egy hőtükör van (kőzetgyapot vagy hungarocell szigetelés nem szükséges, mert vákuumban vagyunk), így hátrafelé nincsen sugárzási veszteség. Ugyancsak sokkal forróbb lesz, ha közelebb vagyunk a Naphoz, így a Nap egyfokos látószög helyett például tízszer nagyobbnak fog látszani és tízfokos látószögből sugározza be a fekete felületet, ami százszor (=tízszer tíz=10*10) több elnyelt napenergiát jelent. 6000 C fokos lesz a felszín hőmérséklete akkor, amikor olyan közel vagyunk a Naphoz, hogy a teljes látóhatárt a Nap felszíne tölti ki. A napfelszíni hőmérséklet elméletileg akkor is elérhető lenne, ha a fekete felületet elölről is egy befelé tükröző kupola fedné (olyan, mint amilyennel szállodák éttermeiben lefedik a pulykapecsenyét), mely azonban kívülről befelé átlátszó, de belülről kifelé visszatükröz. Ez valóban az üvegházhatás.
A felületek sugárzása és elnyelése tovább bonyolodik, ha a végtelen napsugárzás mellett figyelembe vesszük a földi környezet ugyancsak végtelen hőenergiáját (mármint a képzeleti felületünkhöz képest végtelen a környezeti hőenergia). A napsugárzás hozománya 1000W/m2=1kW/m2, a környezeti hősugárzás 500W/m2=0.5kW/m2 (33C nyári hőségben). A világűrben, ahol csak napsugárzás van, a fekete felület 92C fokra fog felmelegedni ahhoz, hogy a besugárzott felület óránként 1kWh/m2 energiát leadjon ( hátoldalon nincsen kisugárzás a hátoldali hőtükörnek köszönhetően), a Föld felszínén azonban 130C fokra kell felmelegednie ahhoz hogy óránként 1+0.5kWh/m2 energiát leadhasson, amennyiben nincs kapcsolatban a levegővel (nincs hőáramlás), nem érintkezik más nagy testekkel (nincs hővezetés), és csak a hősugárzás marad mint egyetlen hőterjedési mechanizmus. Amennyiben azonban a vékony felület hátoldalán nincsen hőtükör, és hátrafelé is ugyanolyan mértékben képes hősugárzás útján leadni a felvett energiát, akkor az előlapon felvett 1kW/m2 az elő-és hátoldalon lesz leadva 0.5+0.5kW/m2 kisugárzásával, a felület 92C helyett csak 33C fokra melegszik fel. Ugyanez a felület földi környezetben 1+2x0.5kW/m2 besugárzást kap, amit 1+1kW/m2 kisugárzásával ad le, amihez a felület 130C helyett 92C fokra kell hogy felmelegedjen. És végül, amikor nincsen napsütés (éjszaka, árnyék, borus idő), csak a földi környezet kimeríthetetlen hőenergiája, mely hozománya 500W/m2 33C hőmérsékleten, a fekete, fehér (termikus tartományban ugyancsak fekete) és fémes (hőtükör) felületek termikus egyensúlyban lesznek, azonos hőmérsékleten lesznek a környező tárgyakkal (kontakthőmérővel mérve), ugyanannyit kisugározva amennyit elnyelnek. Azonban, amennyiben a hőmérséklet megméréséhez kontaktmentes infra-hőmérőt/infra-kamerát alkalmazunk, akkor a fémes felületek látszólag sokkal hidegebbnek látszanak (ha olyan szögből csinálunk felvételt, hogy sikerül kiküszöbölni a környezet visszavert hősugárzását, ugyanis a 33C meleg fémes felület hősugárzása 500W/m2 helyett csak 5W/m2, egy téli fagyos környezet pedig továbbra is jelentős 300W/m2 hősugárzást bocsájt ki -3C fokon). Megjegyzés: a fenti eszmefuttatásokban figyelmen kívül hagytuk az éjjel-nappali hőmérsékletingadozásokat és figyelmen kívül hagytuk a légkör összetett spektrális tulajdonságát (elsősorban a kozmikus ablak jelenségét): a háttérsugárzó környezetet és légkört feketetestnek vettük.
|
