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Qué es la catástrofe ultravioleta – Catástrofe de Rayleigh-Jeans – Definición

La inconsistencia entre las observaciones y las predicciones de la física clásica se conoce como la catástrofe ultravioleta o la catástrofe de Rayleigh-Jeans. Ingenieria termal

Catástrofe ultravioleta

Antes de la hipótesis de Planck , los físicos intentaron describir la radiación espectral de la radiación electromagnética mediante la física clásica . La aproximación basada en la física clásica se conoce como la ley Rayleigh-Jeans .

Del mismo modo que para la ley de Planck , la ley de Rayleigh-Jeans da la radiancia espectral de un cuerpo en función de ν frecuencia a la temperatura absoluta T:

Ley de Rayleigh-Jeans - ecuacióndónde

  • ν (v, T) es la radiancia espectral (la potencia por unidad de ángulo sólido y por unidad de área normal a la propagación) densidad de frecuencia ν radiación por unidad de frecuencia en equilibrio térmico a temperatura T
  • c es la velocidad de la luz en el vacío
  • B es la constante de Boltzmann
  • ν es la frecuencia de la radiación electromagnética
  • T es la temperatura absoluta del cuerpo
catástrofe ultravioleta
La catástrofe ultravioleta es el error en las longitudes de onda cortas en la ley de Rayleigh-Jeans (representada como “teoría clásica” en el gráfico) para la energía emitida por un cuerpo negro ideal. El error, mucho más pronunciado para las longitudes de onda cortas, es la diferencia entre la curva negra (como lo predice clásicamente la ley de Rayleigh-Jeans) y la curva azul (la curva medida como lo predice la ley de Planck).
Fuente: wikipedia.org Licencia: Dominio público

El espectro electromagnético predicho por esta fórmula concuerda con los resultados experimentales a bajas frecuencias (longitudes de onda grandes) pero no está de acuerdo con las frecuencias altas (longitudes de onda cortas). Esta inconsistencia entre las observaciones y las predicciones de la física clásica se conoce comúnmente como la catástrofe ultravioleta o la catástrofe de Rayleigh-Jeans . Al calcular la cantidad total de energía radiante (es decir, la suma de las emisiones en todos los rangos de frecuencia), se puede demostrar que un cuerpo negro en este caso liberaría una cantidad infinita de energía, lo que está en contradicción con la ley de conservación de la energía. .

El estudio de las leyes de los cuerpos negros y el fracaso de la física clásica para describirlos ayudó a establecer los fundamentos de la mecánica cuántica. La solución de este problema fue propuesta por el físico teórico alemán Max Planck, quien introdujo una suposición muy extraña (por el momento), de que la energía se irradia y se absorbe en discretos “cuantos” (o paquetes de energía). Los supuestos de Planck condujeron a la forma correcta de las funciones de distribución espectral:

ley de plancks - ecuacióndónde

  • ν (v, T) es la radiancia espectral (la potencia por unidad de ángulo sólido y por unidad de área normal a la propagación) densidad de frecuencia ν radiación por unidad de frecuencia en equilibrio térmico a temperatura T
  • h es la constante de Planck
  • c es la velocidad de la luz en el vacío
  • B es la constante de Boltzmann
  • ν es la frecuencia de la radiación electromagnética
  • T es la temperatura absoluta del cuerpo

Albert Einstein resolvió el problema postulando que los cuantos de Planck eran partículas físicas reales, lo que ahora llamamos fotones, no solo una ficción matemática.

Radiación de cuerpo negro

Se sabe que la cantidad de energía de radiación emitida desde una superficie a una longitud de onda dada depende del material del cuerpo y del estado de su superficie , así como de la temperatura de la superficie . Por lo tanto, varios materiales emiten diferentes cantidades de energía radiante incluso cuando están a la misma temperatura. Un cuerpo que emite la cantidad máxima de calor para su temperatura absoluta se llama cuerpo negro .

radiación de cuerpo negroUn cuerpo negro es un cuerpo físico idealizado, que tiene propiedades específicas. Por definición, un cuerpo negro en equilibrio térmico tiene una emisividad de ε = 1.0 . Los objetos reales no irradian tanto calor como un cuerpo negro perfecto. Irradian menos calor que un cuerpo negro y, por lo tanto, se llaman cuerpos grises.

La superficie de un cuerpo negro emite radiación térmica a una velocidad de aproximadamente 448 vatios por metro cuadrado a temperatura ambiente (25 ° C, 298,15 K). Los objetos reales con emisividades inferiores a 1.0 (p. Ej., Alambre de cobre) emiten radiación a velocidades proporcionalmente más bajas (p. Ej., 448 x 0.03 = 13.4 W / m 2 ). La emisividad juega un papel importante en los problemas de transferencia de calor. Por ejemplo, los colectores de calor solar incorporan superficies selectivas que tienen muy bajas emisividades. Estos colectores desperdician muy poca energía solar a través de la emisión de radiación térmica.

Dado que la absorción y la emisividad están interconectadas por la Ley de radiación térmica de Kirchhoff , un cuerpo negro también es un absorbente perfecto de radiación electromagnética.

Ley de Kirchhoff de radiación térmica :

Para un cuerpo arbitrario que emite y absorbe radiación térmica en equilibrio termodinámico, la emisividad es igual a la capacidad de absorción.

emisividad ε = absorbencia α

Un cuerpo negro absorbe toda la radiación electromagnética incidente, independientemente de la frecuencia o el ángulo de incidencia. Su capacidad de absorción es, por lo tanto, igual a la unidad, que también es el valor más alto posible. Es decir, un cuerpo negro es un absorbente perfecto (y un emisor perfecto ).

Tenga en cuenta que la radiación visible ocupa una banda muy estrecha del espectro de 0.4 a 0.76 nm, no podemos hacer ningún juicio sobre la negrura de una superficie sobre la base de observaciones visuales. Por ejemplo, considere el papel blanco que refleja la luz visible y, por lo tanto, parece blanco. Por otro lado, es esencialmente negro para la radiación infrarroja ( absorción α = 0.94 ) ya que absorben fuertemente la radiación de longitud de onda larga.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.