Nel corso delle lezioni precedenti sono state studiate le modalità con cui si verifica uno scambio di energia sotto forma di calore fra un corpo e il mezzo circostante; abbiamo inoltre evidenziato che l’entità del flusso di energia termica fra il corpo e la materia che lo circonda è proporzionale alla differenza di temperatura fra quest’ultimi.

Si può notare, con l’esperienza quotidiana, che avviene scambio termico anche in assenza di conduzione o convezione (basti pensare all’energia provenente dal sole che quotidianamente scalda la terra); il meccanismo con cui tale flusso di energia avviene nel vuoto prende il nome di "irraggiamento termico".

Per lo studio del fenomeno dell’irraggiamento sono state introdotte diverse teorie: "teoria ondulatoria" e "teoria quantistica".

Secondo la teoria ondulatoria lo scambio di energia avviene mediante onde elettromagnetiche (Fig 1.1) che si propagano a velocità massima nel vuoto , tale valore è così elevato che per i calcoli sulla terra è possibile trascurare i problemi di transitorio considerando la propagazione istantanea.

Secondo la teoria quantistica l’emissione di energia termica è dovuta a "fotoni" ciascuno dei quali può emettere solamente quantità di energia che sono multipli interi dell’unità base detta "quanto".

Le due teorie introdotte non sono sufficienti, prese singolarmente, per spiegare il fenomeno dello scambio termico per irraggiamento, tuttavia, potendo essere utilizzate contemporaneamente, è conveniente utilizzare la teoria ondulatoria per spiegare i fenomeni macroscopici e quella quantistica per spiegare quelli microscopici.A questo punto è necessario introdurre alcune definizioni fondamentali per quel che riguarda la teoria ondulatoria. Come per ogni fenomeno ondoso è possibile associare ad ogni lunghezza d’onda l una frequenza f tale che l = c/f. (1).

Lo spettro della radiazione elettromagnetica, come mostrato in fig 1.2 è molto ampio, tuttavia il termine irraggiamento termico viene utilizzato per le lunghezze d’onda comprese fra (fig 1.3).

Una radiazione è detta monocromatica se porta energia soltanto ad una frequenza. Un solido caldo emette tutte le lunghezze d’onda, formando uno spettro continuo il quale a seconda della temperatura, può andare da un rosso debolmente visibile ad un bianco brillante: (fig 1.4a) quando un gas di atomi eccitati (di qualunque elemento) emette luce poiché gli atomi passano a stati di minore energia, vengono prodotti gruppi discreti di linee dette "spettri di righe" o spettri discontinui. Passando attraverso un prisma, le linee di emissione vengono separate e viene proiettata l’impronta caratteristica, uno spettro di emissione. (Fig 1.4)

(fig 1.4b) quando la luce bianca proveniente da una sorgente incandescente attraversa un gas di atomi non eccitati vengono assorbite certe lunghezze d’onda caratteristiche. La luce trasmessa presenta uno spettro ad arcobaleno, mancante di certe lunghezze d’onda, producendo un secondo tipo di impronta, uno spettro di assorbimento.Esempio: in fig 1.5 sono mostrati gli spettri di emissione e di assorbimento dell’idrogeno atomico.

La "Spettrofotometria di massa" serve per scoprire la natura chimica di particolari composti o reperti.

L’energia totale emessa da un corpo è detta emissione completa, la quantità di energia che nell’unità di tempo viene irradiata dall’unità di superficie è detta potere emissivo integrale si indica col simbolo e si misura in W/m2 .

Il potere emissivo integrale dipende principalmente dallo stato superficiale del corpo e dalla sua temperatura e comprende tutti i contributi relativi a tutti gli intervalli di lunghezza d’onda D l compresi nello spettro, facendo tendere a 0 D l, anche tende a zero, il loro rapporto tende ad un valore finito detto potere emissivo monocromatico e :

e di conseguenza :

E’ necessario, a questo punto, introdurre un modello ideale sul quale basare ipotesi e definizioni, tale modello è costituito dal concetto di corpo nero, che è quel corpo per il quale vale la seguente relazione: " l e o(l ,T) ³ e (l ,T) dove il pedice 0 indica che si ci riferisce al corpo nero. Il corpo nero è quel corpo capace di assorbire tutta l’energia incidente, indipendentemente dalla lunghezza d’onda.

Una buona approssimazione di corpo nero può essere fatta con una cavità, di forma qualsiasi, di materiale con una elevata conducibilità termica e pareti poco riflettenti, posta in comunicazione con l’esterno mediante un piccolo foro (Fig 1.6), in tal modo se un raggio di luce entra nella cavità e colpisce la parete interna, esso viene in parte riflesso e in parte assorbito perdendo energia, in questo modo lo stesso raggio di luce è destinato a compiere moltissime riflessioni prima di potere eventualmente uscire dalla cavità cosicchè una volta uscito la sua energia residua è così piccola da potere essere trascurata; la superficie immaginaria individuata dal foro sul piano tangente al corpo in corrispondenza dell’apertura delle cavità si comporta quindi come un corpo nero nei confronti della radiazione incidente.

Legge di Stefan-Boltzmann

Mediante esperienze di laboratorio è stato possibile stabilire il legame che intercorre fra il potere emmissivo integrale del corpo nero e la sua temperatura, tale legame è noto col nome di legge di Stefan-Boltzmann:

Con

Esempio: è possibile calcolare il potere emissivo integrale che avrebbe una parete di 1m x 1m di corpo nero alla temperatura di 20° C:

Attenzione ! il primo principio della Termodinamica non viene violato poiché il corpo nero emette la stessa quantità di potenza che riceve dall’esterno.

Per quel che riguarda i corpi "non neri" è possibile definire il coefficiente di emissività e come rapporto fra il il potere emissivo integrale del corpo in questione e quello del corpo nero.

In generale quando una lastra piana viene investita da un fascio di energia sotto forma di calore si ha come mostrato in fig 1.7 che parte dell’energia viene assorbita dal corpo, una parte viene riflessa verso il mezzo di provenienza e un’ ultima parte riesce ad attraversare il corpo.

E’ possibile quindi scrivere:

E dividendo per il membro sinistro si ottiene:

Si definiscono a questo punto i coefficienti a di assorbimento, r di riflessione e t di trasmissione come i rapporti fra le suddette porzioni di calore e si ottiene:

1 = a + r + t (9)

In generale a, r e t sono funzioni di l e di T.

Quindi possiamo osservare che un corpo nero avrà a=1 e r=0.

Poiché praticamente tutti i materiali hanno spessore superiore a quello dello strato superficiale solitamente si pone t=0.

Si consideri una cavità isoterma contenente un corpo nero come in fig1.8, il corpo nero riceve, per unità di superficie, la potenza e emette la potenza , pari al potere emissivo integrale del corpo nero, in condizioni di equilibrio si ha (10); supponiamo adesso di sostituire il corpo nero all’interno della cavità con una piastrina di materiale non nero, la potenza specifica incidente è invariata, ma la piastrina ne assorbe una quantità minore e pari a (11) ; tuttavia anche la quantità di potenza emessa è inferiore a quella del corpo nero e può essere espressa mediante la definizione del coefficiente di emissività (12); poiché a regime si ha (13) dalle relazioni (11) e (12) si ottiene (14) e di conseguenza per la (10) si ha a = e (15).

La legge di Planck mette in relazione il potere emissivo monocromatico del corpo nero con la lunghezza d’onda l e la temperatura T

o

Dove:

La fig 1.9 mostra l’andamento di in funzione di l per alcuni valori di T, si può notare che per basse temperature lo spettro è una campana simmetrica, aumentando la temperatura il suo valore massimo si alza e si sposta verso sinistra.

Si vuole calcolare a quale lunghezza d’onda corrisponde il valore massimo di , quindi si deriva la relazione (16) e si pone uguale a 0 tale derivata ottenendo:

e quindi:

E risolvendo la (18) si ottiene la legge di Wien:

Si può notare che è stata ottenuta l’equazione di una iperbole quindi è possibile dedurre che più alta è la temperatura, più bassa è la lunghezza d’onda del massimo; si può dire che il corpo nero cambia il proprio colore.

La potenza emessa da un corpo non è la stessa in ogni direzione, se si considera un cono di ampiezza D w con il vertice sulla superficie emittente, assunta unitaria, si ha che nell’unità di tempo questo cono è attraversato da una quantità di energia ; facendo tendere a 0 l’ampiezza del cono, tende a 0 anche ma non il loro rapporto, permettendo così di definire il potere emissivo angolare i:

i si misura in W/m2std ricordando che il valore di un angolo solido dw, in steradianti (std) , è uguale al rapporto fra la superficie dS che un cono di apertura dw intercetta su di una sfera centrata sul vertice del cono ed il quadrato del raggio della sfera stessa.

Quindi dalla (20) si deduce per una sorgente puntiforme:

E per una sorgente estesa che "vede" solo un semispazio:

I solidi fotometrici sono superfici inviluppanti che mostrano come viene emessa la luce nello spazio da un determinato corpo.

Si definisce l’intensità di radiazione I come il rapporto tra la quantità di energia fluente attraverso l’angolo solido di ampiezza dw e l’angolo solido stesso, riferita all’unità di tempo e di superficie, valutata su di un piano normale all’asse dell’angolo solido.

La seguente legge è valida per un corpo nero, e con buona approssimazione anche per la maggior parte delle superfici metalliche, come si può vedere dal diagramma polare dell’intensità di radiazione mostrato in fig 1.10.

Osservazione:

il solido fotometrico di un corpo nero è una sfera.