Dane:
T=4000 K
ΔT=800 K
Rozwiązanie:
a)
Dla ciała doskonale czarnego natężenie I promieniowania przez nie emitowanego wyrażamy jako:
I=σT4
σ=5,67⋅10−8 m2⋅K4W−stała Stefana-Boltzmanna
T−temperatura ciała
Natężenie promieniowania możemy wyrazić jako:
I=SP
P−moc promieniowania ciała
S−pole powierzchni ciała
Zatem:
SP=σT4
P=σST4
Początkowa moc promieniowania ciała jest równa:
P1=σST4
Po zmianie temperatury ciała jego moc promieniowania wyrazimy jako sumę mocy promieniowania obu połów tego ciała.
P2=PA+PB
PA=σ2STA4=21σS(T+ΔT)4
PB=σ2STB4=21σS(T−ΔT)4
Zatem:
P2=21σS(T+ΔT)4+21σS(T−ΔT)4=21σS((T+ΔT)4+(T−ΔT)4)
Obliczmy szukany stosunek mocy promieniowania tego ciała:
P1P2=σST421σS((T+ΔT)4+(T−ΔT)4)
P1P2=T421((T+ΔT)4+(T−ΔT)4)
P1P2=2T4(T+ΔT)4+(T−ΔT)4
P1P2=2⋅(4000 K)4(4000 K+800 K)4+(4000 K−800 K)4=2⋅(4000 K)4(4800 K)4+(3200 K)4=2⋅(4⋅103 K)4(4,8⋅103 K)4+(3,2⋅103 K)4≈512⋅1012 K530,8⋅1012 K+104,9⋅1012 K=512⋅1012 K635,7⋅1012 K≈1,24
P1P2≈124%
b)
Dla dowolnego podziału powierzchni ciała zapiszemy:
PA=σ(S−S1)TA4=σ(S−S1)(T+ΔT)4
PB=σS1TB4=σS1(T−ΔT)4
P2=PA+PB
P2=σ(S−S1)(T+ΔT)4+σS1(T−ΔT)4=σ((S−S1)(T+ΔT)4+S1(T−ΔT)4)
Moc początkowa ciała pozostaje bez zmian:
P1=σST4
Chcemy, aby w obu przypadkach moce promieniowania ciała były takie same:
P1=P2
σST4=σ((S−S1)(T+ΔT)4+S1(T−ΔT)4) ∣:σ
ST4=(S−S1)(T+ΔT)4+S1(T−ΔT)4 ∣:S
T4=SS−S1(T+ΔT)4+SS1(T−ΔT)4
T4=(1−SS1)(T+ΔT)4+SS1(T−ΔT)4
T4=(T+ΔT)4−SS1(T+ΔT)4+SS1(T−ΔT)4
−(T+ΔT)4+T4=−SS1(T+ΔT)4+SS1(T−ΔT)4 ∣⋅(−1)
(T+ΔT)4−T4=SS1(T+ΔT)4−SS1(T−ΔT)4
(T+ΔT)4−T4=SS1((T+ΔT)4−(T−ΔT)4)
SS1=(T+ΔT)4−(T−ΔT)4(T+ΔT)4−T4
Upraszczamy otrzymany wzór:
SS1=(T+ΔT)4(T+ΔT)4−(T+ΔT)4(T−ΔT)4(T+ΔT)4(T+ΔT)4−(T+ΔT)4T4
SS1=1−(T+ΔT)4(T−ΔT)41−(T+ΔT)4T4
SS1=1−(T+ΔTT−ΔT)41−(T+ΔTT)4
Obliczmy stosunek zadanych powierzchni:
SS1=1−(4000 K+800 K4000 K−800 K)41−(4000 K+800 K4000 K)4≈1−(0,667)41−(0,833)4≈1−0,1981−0,481=0,8020,519≈0,647
S1≈64,7%S