Bu madde, uygun değildir.Kasım 2016) ( |
Termodinamikte, Kirchoff’un termal radyasyon kanunu, ışınımsal değişim dengesini de içeren, termodinamik dengede kendine özgü salınım ve emilim yapan herhangi bir maddenin dalga boyuna denktir.
T sıcaklığındaki bir madde elektromanyetik dalga yayar. Termodinamik dengede bulunan kusursuz bir kara cisim, kendine hücum eden bütün ışınımları soğurur. Aynı cisim bu soğurduğu ışınımları, T sıcaklığı için eşsiz bir kanun olan ışınım yayan güç kanuna göre enerji olarak yayar. Unutulmamalıdır ki bu kanun bütün kusursuz kara cisimler için evrenseldir.
Kirchoff kanunu şunu ifade eder:
“Rastegele seçilmiş herhangi bir cisim için, termodinamik dengede olan bütün dalga boylarında, termal elektromanyetik radyasyonun ışıması ve soğunması durumunda; cismin salım gücünün cismin boyutsuz soğurma katsayısına oranı evrensel fonksiyona eşittir.”
Burada, boyutsuz soğurma katsayısı (veya emme sığası) termodinamik dengede bulunan cisim tarafından yapılan yayma ve soğurma eylemi sırasında cisim tarafından emilen gelen ışınımın (gücün) oranına eşittir. Biraz daha farklı açıklayacak olursak, belirli bir sıcaklıkda bulunan, sabit bir şekle ve ölçüye sahip rastgele seçilmiş opak bir cismin yayım gücü boyutsuz oran kullanılarak tanımlanabilir. Bu bahsettiğimiz terim bazı durumlarda yayma kuvveti, yayım kabiliyeti veya yayımlılık olarak da geçebilmektedir. Bu terim sayesinde Kirchoff kanunun doğal bir neticesi olarak, termodinamik dengede bulunan termal radyasyon emilimi ve yayılımı yapan rastegele seçilmiş herhangi bir cisim için yayma kuvveti soğurma katsayısına eşittir. Bazı durumlarda yayma kuvveti ve soğurma katsayısı açıya bağlı olarak tanımlanabilir. Bu durum matematiksel olarak aşağıda bulunan formüllerde görülebilir.
Kirchoff kanunun farklı bir doğal sonucu daha bulunmaktadır. Yayma kuvveti asla birden büyük olamaz. Doğal olarak soğurma katsayısıda biri geçememektedir. Bu durum enerjinin korunumu yasasından gelmektedir. Denge durumunda, kara cisimden termal olarak daha fazla enerji yaymak mümkün değildir. Negatif ışıldanımda (lüminesansda), açıyla ve dalga boyuyla bütünleşik olan soğrulma cismin emisyonunu geçer. Fakat dışarıdan gelen bir kaynağa sahip olan yani termodinamik dengede olmayan sistemler bu kurula uymaz.
Kirchoff kanunu tanımlanmadan önce, iyi bir soğurucunun aynı zamanda iyi bir yayıcı, kötü bir soğurucunun kötü bir yayıcı olduğu deneysel olarak görülmüştü. Doğal olarak iyi bir yansıtıcı kötü bir emicidir. Bu nedenle termal battaniyelerde optik kaplama kullanılır.
Teori
Termodinamik dengede bulunan bir kara cisimde belirli bir miktarda enerji ile elektromanyetik radyasyon muhafaza edilir. Buradaki foton gazı Planck dağılımı enerjisine sahip olacaktır.
İkinci bir sistemi düşünürek, her ikisi de aynı sıcaklıkta bulunan; duvarları olan opak, biçimi bozulmaz ve dalga boylarına karşı yansıtıcı olmayan bir oyuk ile optik bir filtre boyunca muhafaza edilen karacisim aynı bağlantıya getirilebilir. Radyasyon bir sistemden diğerine geçebilir. Örnek vericek olursak, ikinci sistemde bir durum ele alındığında, dar frekans bandında λ kadar dalga boyu olan fotonun özkütlesi bahsettiğimiz birinci sistemden daha büyüktür. Eğer optik filtre sadece bu frekans bandında geçseydi, burada ikinci sistemden birinci sisteme kesin bir foton ve enerji transferi olurdu. Bu olay termodinamiğin ikinci kanununa ters düşmektedir. Çünkü termodinamiğin ikinci kanununda, aynı sıcaklıkta bulunan iki cisim arasında sıcaklık transferi olamıyacağı belirtilmektedir.
Sonuç olarak ikinci sistemde, her bir frekanda cismin duvarları karacisim rastegele dağılımında olduğu gibi enerjiyi hem soğurmak hem de yaymak zorundadır. Termal denge durumu için soğurganlık duvar tarafından emilen enerjinin duvara gelen enerjiye oranıdır. Bu durum belirli dalga boyları için geçerlidir. Sonuç olarak emilen enerji ye eşittir. Bu denklemde kadar bir dalga boyunda ve sıcaklığındaki karacisim radyasyonun yoğunluğuna eşittir. Termal dengeden bağımsız bir durumda duvarın yayma kuvveti yayılan enerjinin ışıma miktarına oranıdır eğer duvar kusursuz bir karacisimse. Sonuç olarak yayılmış enerji, kadar bir dalga boyunda ’ya eşittir. Bu denklemde yayma kuvvetine eşittir. Termal dengenin sürdürülebilmesi için bu iki miktar birbirine eşit olmaklıdır veya boşluktaki foton enerjisi dağılımı sözü geçen kara cisimden sapmalıdır. Bu durum Kirchoff kanunu tanımlar.
Buna benzer fakat daha karmaşık delil olarak, kara cisim radyasyonu bütün yönlerde aynıdır (izotropik). Yayma kuvveti ve soğurma katsayısı eğer yöne bağlı olarak ele alınırsa, bu kavramlar birbirlerine her yönde eşit olmalıdır.
Ortalama ve toplam yayma kuvveti ve soğurma katsayısı verileri genellikle birbirinden farklı iki cisim için verilir. Örneğin beyaz boyanın soğurma kuvveti 0.16 iken yayma katsayısı 0.93’dür. Bu nedenle soğurma katsayısının ağırlığı güneş spektrumu için ortalanmıştır. Fakat yayma katsayısı cismin kendisi için ortlanmıştır. kotası aşağıdaki şekilde tanımlanmıştır:
Burada yayma kuvveti:
Bu denklemde güneşin yayma spektrumu ve boyanın yayma spektrumudur. Yukarıda belirttiğimiz Kirchoff kanununa ters düşmesine rağmen and genellikle birbirine eşit değildir. Beyaz boya güneşsel (solar) radyasyona karşın oldukça güzeş bir yalıtkandır. Çünkü beyaz boya çok iyi bir yansıtıcıdır.
Siyah Cisimler
Siyaha Yakın Cisimler
Uzun zamandır bilinen üzere karbon-karası kaplama herhangi bir cisme neredeyse siyah yapmaktadır. Bazı diğer cisimler belirli dalga boylarında neredeyse siyahdır. Bu tip cisimler yüksek sıcaklıkta bulunamazlar.
Karbon karası kaplamada yeni bir gelişme karbon-nanotüplerde yaşanmıştır. Nano gözenekli materyaller vakumlu ortamda kırılma indisine sahip olabilirler. Örnek olarak sunabileceğimiz bir vakada kırılma indisi 0.045% olarak ölçülmüştür.
Opak (Şeffaf Olmayan) Cisimler
Termal radyasyonla karşılaşınca opak olan materyaller, sıcaklık radyasyonu için yapılan çalışmalarda kullanılabilecek değerli bir kavramdır. Planck yaptığı çalışmalar sonucundu bu tip materyaller için yapılan yakınlaştırmaların ilingesel olarak bir arayüz paylaşması gerektiği kanısına varmıştır. Bu materyaller arayüzlerini bitişik ortalarıyla paylaşırlar ki bunlar hava gibi oksijeni az olan maddeler olmaktadır. Bahsedilen arayüz herhangi bir cisim veya materyal olmamakla birlikte herhangi bir soğurma veya yayma yapmaz. Bu birbirine temas eden iki farklı ortamın matematiksel yüzeyidir. Bu nüfuz eden radyasyonun kırılmasıdır. Bu durum Helmholtz karşılıklığına prensibine uymaktadır. Opak cisim içinde bir cisim varmış ve bu cisim kendine ulaşan bütün radyasyonu emiyormuş gibi düşünülür. İçteki bu cisim ayrıca herhangi radyasyon yayılımı yapmaz. Bu durumda opak cismin materyali radyasyona göre siyah gibi davranır fakat gerçekçe içteki cisim ve arayüz asla kusursuz bir siyahlık göstermezler. Planck’ın modelinde, kusursuz siyah cisimler -ki kendisi doğada bulunmalarının imkânsız olduğunu savunmuştur- kendilerinin opak içlerine ek olarak kusuruz iletim yapan ve yansıtmayan arayüzlere sahiptir.
Boşluk (Kavite) Radyasyonu
Boşluğun etrafındaki duvarlar bütün dalga boylarında önemli miktarda radyasyon emen opak materyallerden yapılabilir. İç duvarların bütün bölgelerinin her dalga boyunda çok iyi birer emici olması çok önemli değildir. Emilen radyasyon dalga boylarının mesafesi farklı tipte materyallerin boşluğun iç duvarları boyunca kullanılarak sağlanabilir. Termodinamik dengede boşluk (kavite) radyasyonu tam olarak Plank kanununa uyar. Bu durumda termodinamik dengedeki boşluk (kavite) radyasyonu Kirchoff kanunun tam olarak uygulandığı termodinamik denge karacisim radyasyonu olarak ele alınabilir.
Kavite Duvarlarının İçindeki Boşluk
Deneysel çalışmalar için, kavite duvarlarının içindeki boşluk siyah yüzey için güzel bir yaklaşık olmaktadır. Fakat bu durum kusursuz bir Lambertian değildir. Buna ek olarak amacına ulaşabilmesi için neredeyse en doğru açıdan bakılması gerekemektedir. Bu tip kurulumların yapılması Planck Kanunu olarak da bilinen, Kirchoff’un evrensel fonksiyonunun matematiksel anlamına ulaşmak için oldukça önemlidir.
Kirchoff’un Kusursuz Kara Cisimleri
Planck’ın bir başka deyişi ise Kirchoff’un kusursuz kara cisimleri ile alakalıydı. Planck’a göre Kirchoff’un kusursuz kara cisimleri bulunduğumuz fiziksel ortamda var olamazlardı. Planck bunların kuramsal kurgular olduğunu öne sürüyordu. Kirchoff’un kusursuz kara cisimleri üzerinde oldukça ince bir katman bulunmaktaydı ve bu katmanlar emdikleri radyasyonu ne saçıyolardı ne de yansıtıyorlardı. Bu kara cisimler radyasyonu Lambert’in kosinüs kanununa göre kusursuz bir biçimde emiyorlardı
wikipedia, wiki, viki, vikipedia, oku, kitap, kütüphane, kütübhane, ara, ara bul, bul, herşey, ne arasanız burada,hikayeler, makale, kitaplar, öğren, wiki, bilgi, tarih, yukle, izle, telefon için, turk, türk, türkçe, turkce, nasıl yapılır, ne demek, nasıl, yapmak, yapılır, indir, ücretsiz, ücretsiz indir, bedava, bedava indir, mp3, video, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, resim, müzik, şarkı, film, film, oyun, oyunlar, mobil, cep telefonu, telefon, android, ios, apple, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, pc, web, computer, bilgisayar
Bu madde Vikipedi bicem el kitabina uygun degildir Maddeyi Vikipedi standartlarina uygun bicimde duzenleyerek Vikipedi ye katkida bulunabilirsiniz Gerekli duzenleme yapilmadan bu sablon kaldirilmamalidir Kasim 2016 Termodinamikte Kirchoff un termal radyasyon kanunu isinimsal degisim dengesini de iceren termodinamik dengede kendine ozgu salinim ve emilim yapan herhangi bir maddenin dalga boyuna denktir T sicakligindaki bir madde elektromanyetik dalga yayar Termodinamik dengede bulunan kusursuz bir kara cisim kendine hucum eden butun isinimlari sogurur Ayni cisim bu sogurdugu isinimlari T sicakligi icin essiz bir kanun olan isinim yayan guc kanuna gore enerji olarak yayar Unutulmamalidir ki bu kanun butun kusursuz kara cisimler icin evrenseldir Kirchoff kanunu sunu ifade eder Rastegele secilmis herhangi bir cisim icin termodinamik dengede olan butun dalga boylarinda termal elektromanyetik radyasyonun isimasi ve sogunmasi durumunda cismin salim gucunun cismin boyutsuz sogurma katsayisina orani evrensel fonksiyona esittir Burada boyutsuz sogurma katsayisi veya emme sigasi termodinamik dengede bulunan cisim tarafindan yapilan yayma ve sogurma eylemi sirasinda cisim tarafindan emilen gelen isinimin gucun oranina esittir Biraz daha farkli aciklayacak olursak belirli bir sicaklikda bulunan sabit bir sekle ve olcuye sahip rastgele secilmis opak bir cismin yayim gucu boyutsuz oran kullanilarak tanimlanabilir Bu bahsettigimiz terim bazi durumlarda yayma kuvveti yayim kabiliyeti veya yayimlilik olarak da gecebilmektedir Bu terim sayesinde Kirchoff kanunun dogal bir neticesi olarak termodinamik dengede bulunan termal radyasyon emilimi ve yayilimi yapan rastegele secilmis herhangi bir cisim icin yayma kuvveti sogurma katsayisina esittir Bazi durumlarda yayma kuvveti ve sogurma katsayisi aciya bagli olarak tanimlanabilir Bu durum matematiksel olarak asagida bulunan formullerde gorulebilir Kirchoff kanunun farkli bir dogal sonucu daha bulunmaktadir Yayma kuvveti asla birden buyuk olamaz Dogal olarak sogurma katsayisida biri gecememektedir Bu durum enerjinin korunumu yasasindan gelmektedir Denge durumunda kara cisimden termal olarak daha fazla enerji yaymak mumkun degildir Negatif isildanimda luminesansda aciyla ve dalga boyuyla butunlesik olan sogrulma cismin emisyonunu gecer Fakat disaridan gelen bir kaynaga sahip olan yani termodinamik dengede olmayan sistemler bu kurula uymaz Kirchoff kanunu tanimlanmadan once iyi bir sogurucunun ayni zamanda iyi bir yayici kotu bir sogurucunun kotu bir yayici oldugu deneysel olarak gorulmustu Dogal olarak iyi bir yansitici kotu bir emicidir Bu nedenle termal battaniyelerde optik kaplama kullanilir TeoriTermodinamik dengede bulunan bir kara cisimde belirli bir miktarda enerji ile elektromanyetik radyasyon muhafaza edilir Buradaki foton gazi Planck dagilimi enerjisine sahip olacaktir Ikinci bir sistemi dusunurek her ikisi de ayni sicaklikta bulunan duvarlari olan opak bicimi bozulmaz ve dalga boylarina karsi yansitici olmayan bir oyuk ile optik bir filtre boyunca muhafaza edilen karacisim ayni baglantiya getirilebilir Radyasyon bir sistemden digerine gecebilir Ornek vericek olursak ikinci sistemde bir durum ele alindiginda dar frekans bandinda l kadar dalga boyu olan fotonun ozkutlesi bahsettigimiz birinci sistemden daha buyuktur Eger optik filtre sadece bu frekans bandinda gecseydi burada ikinci sistemden birinci sisteme kesin bir foton ve enerji transferi olurdu Bu olay termodinamigin ikinci kanununa ters dusmektedir Cunku termodinamigin ikinci kanununda ayni sicaklikta bulunan iki cisim arasinda sicaklik transferi olamiyacagi belirtilmektedir Sonuc olarak ikinci sistemde her bir frekanda cismin duvarlari karacisim rastegele dagiliminda oldugu gibi enerjiyi hem sogurmak hem de yaymak zorundadir Termal denge durumu icin sogurganlik al displaystyle alpha lambda duvar tarafindan emilen enerjinin duvara gelen enerjiye oranidir Bu durum belirli dalga boylari icin gecerlidir Sonuc olarak emilen enerji alEbl l T displaystyle alpha lambda E b lambda lambda T ye esittir Bu denklemde l displaystyle lambda kadar bir dalga boyunda ve T displaystyle T sicakligindaki karacisim radyasyonun yogunluguna esittir Termal dengeden bagimsiz bir durumda duvarin yayma kuvveti yayilan enerjinin isima miktarina oranidir eger duvar kusursuz bir karacisimse Sonuc olarak yayilmis enerji l displaystyle lambda kadar bir dalga boyunda ϵlEbl l T displaystyle epsilon lambda E b lambda lambda T ya esittir Bu denklemde ϵl displaystyle epsilon lambda yayma kuvvetine esittir Termal dengenin surdurulebilmesi icin bu iki miktar birbirine esit olmaklidir veya bosluktaki foton enerjisi dagilimi sozu gecen kara cisimden sapmalidir Bu durum Kirchoff kanunu tanimlar al ϵl displaystyle alpha lambda epsilon lambda Buna benzer fakat daha karmasik delil olarak kara cisim radyasyonu butun yonlerde aynidir izotropik Yayma kuvveti ve sogurma katsayisi eger yone bagli olarak ele alinirsa bu kavramlar birbirlerine her yonde esit olmalidir Ortalama ve toplam yayma kuvveti ve sogurma katsayisi verileri genellikle birbirinden farkli iki cisim icin verilir Ornegin beyaz boyanin sogurma kuvveti 0 16 iken yayma katsayisi 0 93 dur Bu nedenle sogurma katsayisinin agirligi gunes spektrumu icin ortalanmistir Fakat yayma katsayisi cismin kendisi icin ortlanmistir kotasi asagidaki sekilde tanimlanmistir asun 0 alIlsun l dl 0 Ilsun l dl displaystyle alpha mathrm sun displaystyle frac int 0 infty alpha lambda I lambda mathrm sun lambda d lambda int 0 infty I lambda mathrm sun lambda d lambda Burada yayma kuvveti ϵpaint 0 ϵl l T Ebl l T dl 0 Ebl l T dl displaystyle epsilon mathrm paint frac int 0 infty epsilon lambda lambda T E b lambda lambda T d lambda int 0 infty E b lambda lambda T d lambda Bu denklemde Ilsun displaystyle I lambda mathrm sun gunesin yayma spektrumu ve ϵlEbl l T displaystyle epsilon lambda E b lambda lambda T boyanin yayma spektrumudur Yukarida belirttigimiz ϵl al displaystyle epsilon lambda alpha lambda Kirchoff kanununa ters dusmesine ragmen asun displaystyle alpha mathrm sun and ϵpaint displaystyle epsilon mathrm paint genellikle birbirine esit degildir Beyaz boya gunessel solar radyasyona karsin oldukca guzes bir yalitkandir Cunku beyaz boya cok iyi bir yansiticidir Siyah CisimlerSiyaha Yakin Cisimler Uzun zamandir bilinen uzere karbon karasi kaplama herhangi bir cisme neredeyse siyah yapmaktadir Bazi diger cisimler belirli dalga boylarinda neredeyse siyahdir Bu tip cisimler yuksek sicaklikta bulunamazlar Karbon karasi kaplamada yeni bir gelisme karbon nanotuplerde yasanmistir Nano gozenekli materyaller vakumlu ortamda kirilma indisine sahip olabilirler Ornek olarak sunabilecegimiz bir vakada kirilma indisi 0 045 olarak olculmustur Opak Seffaf Olmayan Cisimler Termal radyasyonla karsilasinca opak olan materyaller sicaklik radyasyonu icin yapilan calismalarda kullanilabilecek degerli bir kavramdir Planck yaptigi calismalar sonucundu bu tip materyaller icin yapilan yakinlastirmalarin ilingesel olarak bir arayuz paylasmasi gerektigi kanisina varmistir Bu materyaller arayuzlerini bitisik ortalariyla paylasirlar ki bunlar hava gibi oksijeni az olan maddeler olmaktadir Bahsedilen arayuz herhangi bir cisim veya materyal olmamakla birlikte herhangi bir sogurma veya yayma yapmaz Bu birbirine temas eden iki farkli ortamin matematiksel yuzeyidir Bu nufuz eden radyasyonun kirilmasidir Bu durum Helmholtz karsilikligina prensibine uymaktadir Opak cisim icinde bir cisim varmis ve bu cisim kendine ulasan butun radyasyonu emiyormus gibi dusunulur Icteki bu cisim ayrica herhangi radyasyon yayilimi yapmaz Bu durumda opak cismin materyali radyasyona gore siyah gibi davranir fakat gercekce icteki cisim ve arayuz asla kusursuz bir siyahlik gostermezler Planck in modelinde kusursuz siyah cisimler ki kendisi dogada bulunmalarinin imkansiz oldugunu savunmustur kendilerinin opak iclerine ek olarak kusuruz iletim yapan ve yansitmayan arayuzlere sahiptir Bosluk Kavite Radyasyonu Boslugun etrafindaki duvarlar butun dalga boylarinda onemli miktarda radyasyon emen opak materyallerden yapilabilir Ic duvarlarin butun bolgelerinin her dalga boyunda cok iyi birer emici olmasi cok onemli degildir Emilen radyasyon dalga boylarinin mesafesi farkli tipte materyallerin boslugun ic duvarlari boyunca kullanilarak saglanabilir Termodinamik dengede bosluk kavite radyasyonu tam olarak Plank kanununa uyar Bu durumda termodinamik dengedeki bosluk kavite radyasyonu Kirchoff kanunun tam olarak uygulandigi termodinamik denge karacisim radyasyonu olarak ele alinabilir Kavite Duvarlarinin Icindeki Bosluk Deneysel calismalar icin kavite duvarlarinin icindeki bosluk siyah yuzey icin guzel bir yaklasik olmaktadir Fakat bu durum kusursuz bir Lambertian degildir Buna ek olarak amacina ulasabilmesi icin neredeyse en dogru acidan bakilmasi gerekemektedir Bu tip kurulumlarin yapilmasi Planck Kanunu olarak da bilinen Kirchoff un evrensel fonksiyonunun matematiksel anlamina ulasmak icin oldukca onemlidir Kirchoff un Kusursuz Kara Cisimleri Planck in bir baska deyisi ise Kirchoff un kusursuz kara cisimleri ile alakaliydi Planck a gore Kirchoff un kusursuz kara cisimleri bulundugumuz fiziksel ortamda var olamazlardi Planck bunlarin kuramsal kurgular oldugunu one suruyordu Kirchoff un kusursuz kara cisimleri uzerinde oldukca ince bir katman bulunmaktaydi ve bu katmanlar emdikleri radyasyonu ne saciyolardi ne de yansitiyorlardi Bu kara cisimler radyasyonu Lambert in kosinus kanununa gore kusursuz bir bicimde emiyorlardi