ما هو قانون ستيفان في الفيزياء؟

1 إجابة واحدة

يدرس قانون ستيفان بولتزمان العلاقة بين الإشعاع الحراري ودرجة الحرارة، اخترع هذا القانون العالم الفيزيائي جوزيف ستيفان في عام 1879، حيث اعتمد على الدراسات التجريبية في استنتاجاته، ثم اشتق العالم لودفيغ بولتزمان عدة قوانين أخرى من ذلك القانون في عام 1884، حيث اعتمد على النهج الديناميكي الحراري، بالإضافة لدراسات ستيفان النظرية، فأصبح يعرف هذا القانون بقانون ستيفان بورلتزمان، كما اعتمد أيضًا لودفيغ على عمل الفيزيائي أدولفو بارتولي، الذي عرف الضغط الشعاعي بالاعتماد على الديناميكية الحرارية للأشعة، وكان ذلك في عام 1876.

كما يشرح قانون ستيفان مقدار الطاقة التى يطلقها أي جسم، مع العلم أن نقل الحرارة الإشعاعي هام جدًا في درجات الحرارة العالية التي يستخدم فيها قانون ستيفان، كما يمكن تحديد مقدار كثافة تدفق الطاقة من الشمس إلى سطح الأرض، مع الأخذ بالاعتبار امتصاص الغلاف الجوي جزء من هذه الطاقة الواردة.

وينص قانون ستيفان على مجموع الطاقة الحرارية المشعة والمنبعثة من الأجسام، كالجسم الأسود، حيث تتناسب هذه الطاقة مع القوة الرابعة لدرجة الحرارة المطلقة، أي يطبق القانون على أي كائن ينبعث منه طيف حراري، ويعبر عن القانون وفق التالي:

q =ε σT^4

  • q : يعبر عن المجموع الكلي للطاقة المشعة من سطح المادة.
  • σ : هو ثابت ستيفان .
  • T: هي درجة الحرارة المنبعثة من الجسم وتقاس بالكلفن.
  • ε: تساوي قيمة الواحد إذا كان الجسم جسمًا أسودًا.

مع العلم أن الطاقة المشعة الإجمالية تزداد مع زيادة درجة الحرارة، نتيجة اهتزاز الإلكترونات بسرعة كبيرة، أي أن الجسم الأكثر سخونة يضئ ويتوهج أكثر من باقي الأجسام، وبالتالي تشع الكائنات ذات الحرارة العالية كميات كبيرة من الطاقة الكهرومغناطيسية.

كما يطبق هذا القانون بطرق مختلفة، حيث يقدر درجة الحرارة المنبعثة من النجوم، ويتعامل مع الطاقة كأنها منبعثة من جسم أسود، وفق القانون التالي:

 q=4πr^2 [Tσ]^4

وترتبط علاقة ستيفان أيضًا بالكثافة الإشعاعية لأكثر من جسم، وتحدد النقل الحراري الإشعاعي بين جسمين يشعان باتجاه بعضهما البعض، وهذا ما يسمى بالتدفق الحراري الصافي، حيث يعطى معدل التدفق للحرارة بينهما بالقانون التالي:

[q = ε σ[T1^4 -T2^4 ]

كما أن كمية الطاقة المنبعثة من جسم ما تعتمد على نوع مادة الجسم، وحالة سطحه، بالإضافة لدرجة حرارته، فسمي الجسم الذي تنبعث منه أكبر كمية ممكنة من الحرارة وبترددات مختلفة بالجسم الأسود. حيث يمتص هذا الجسم الأشعة التي يتلقاها بشكل مثالي، بالإضافة إلى أنه لا يعكس الضوء ولا يسمح بمروره من خلاله، وتوجد العديد من الأجسام التي تتصرف كالأجسام السوداء مثل النجوم.

كما يعد الطول الموجي الذي تنبعث منه الطاقة على صلة عكسية مع درجة حرارة الجسم الأسود، حيث يبث الجسم طيف مستمر، مما يعنى أنه يعطي طاقة لجميع الأطوال الموجية التي تمتلك ذروة في طول موجي محدد .كما يعد الجسم الأسود الحالة المثالية للمادة حيث يمتلك خصائص محددة، فخلال التوازن الحراري يعطى e=1، ويبلغ معدل الإشعاع الحراري لسطح الجسم الأسود في درجة درجة حرارة الغرفة العادية 448 واط في متر المربع الواحد، بينما تنبعث الإشعاعات في الأجسام العادية بمعدلات أقل.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هو قانون ستيفان في الفيزياء؟"؟