¿Qué es la Ley de desplazamiento de Wien? Definición

Ley de desplazamiento de Viena

Como se puede ver en la figura, la curva de radiación del cuerpo negro para diferentes temperaturas alcanza un pico en una longitud de onda inversamente proporcional a la temperatura . La ley de Wien (llamada así por un físico alemán) describe el cambio de ese pico en términos de temperatura. La ley de desplazamiento de Wien , y el hecho de que la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda, también indica que la frecuencia _máxima f _max  ( color del objeto ) es proporcional a la temperatura absoluta T del cuerpo negro. Por lo tanto, a medida que aumenta la temperatura, el color del resplandor cambia de rojo a amarillo a blanco a azul.

De acuerdo con la ley de desplazamiento de Wien , la radiación espectral de la radiación del cuerpo negro por unidad de longitud de onda, alcanza su punto máximo en la longitud de onda λ _max dada por:

donde T es la temperatura absoluta en Kelvins, b es una constante de proporcionalidad, conocida como constante de desplazamiento de Wien , igual a 2.8978 × 10 ⁻³ Km . Cabe señalar que incluso a una temperatura candente de 2000 K, aproximadamente el 99% de la energía radiante todavía se irradia en el espectro infrarrojo (invisible).

Aunque el cambio de ese pico es una consecuencia directa de la ley de Planck , Wilhelm Wien lo había descubierto varios años antes de que Max Planck desarrollara esa ecuación más general.

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 .

Un 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.