كل الأجسام المتواجدة بالطبيعة اذا ما ارسلت اليها تدفق حراري عبارة عن موجات كهرومغناطيسية Qi فإنها قد تمتص جزء منه Qa و تعكس جزء آخر منه Qr وتسمح بمرور جزء آخر عبرها Qt ، كما أنها هي نفسها تبعث اشعاعات Qe تتعلق بدرجة حرارتها .

حيث :

Qi : الأشعة الواردة الى الجسم

Qa: الأشعة التي إمتصها

Qr : الأشعة التي انعكست عليه

Qt : الأشعة التي مرت عبره دون ان يمتصها

Qe : الأشعة التي يبعثها بسبب درجة حرارته

مع العلم أن التدفق الوارد يساوي مجموع التدفقات الممتصة ، المنعكسة و المارة عبره .

أي :
Qi = Qa + Qr + Qt

▪ما هو الجسم الأسود ؟

الجسم الأسود هو حالة خاصة للأجسام المتواجدة في الطبيعة اذ يعتبر مجرد نموذج مثالي غير موجود في الأصل ويعرف كالتالي :

الجسم الأسود هو جسم لا يعكس الإشعاعات الحرارية و لا يسمح لها باختراقه ، بل يمتص كل الاشعاعات الواردة اليه مهما كان طول موجتها .

أي أن بالنسبة للأجسام السوداء فإن :

Qr = Qt = 0

ومنه فإن :

Qi = Qa

كل الإشعاعات الواردة يتم إمتصاصها .

لكن هذا لا يعني أنه لا يبعث أشعة خاصة به بناء على درجة حرارته !

فهذا الجسم الأسود يمتص كل الأشعة الواردة اليه Qi ويبعث هو الآخر أشعة كهرومغناطيسية حرارية نحو الفضاء المحيط به ، لكن يكون التدفق الحراري الذي يبعثه الجسم الأسود Qe أقل أو أكبر من التدفق الحراري الذي يمتصه مما يساهم في تغير درجة حرارته .

ويسمى الفرق بين التدفق الممتص Qa من طرف الجسم الأسود و التدفق المنبعث منه Qe بالتدفق الاشعاعي وهو مقدار جبري يمكن أن يكون سالبا او موجباً حسب قيم كل من Qa و Qe ويعرف كالتالي :

QR = Qa – Qe

وبما أن :
Qi = Qa

فإن :

QR = Qi – Qe

لكن لا يمكن لدرجة حرارة الجسم الأسود ان تستمر في الازدياد الى ما لا نهاية ، بل تأتي لحظة حيث يصل الجسم الأسود الى التوازن الإشعاعي ، وتستقر درجة حرارته في قيمة ثابتة ، حيث يصبح التدفق الحراري الذي يمتصه يساوي بالضبط التدفق الحراري الذي يبعثه ، وهنا نقول ان الجسم الأسود يوجد في حالة التوازن الإشعاعي .

عند التوازن الاشعاعي يصبح لدينا :
Qe = Qi

ومنه فإن التدفق الإشعاعي يصبح منعدم :
QR = 0

الاشعاعات التي يتم بعثها من طرف الجسم الأسود لا تتعلق بالمكونات الكيميائية للجسم أو بطول الموجات التي قد تم امتصاصهم ، بل فقط بدرجة حرارته .
طيف الإنبعاث للجسم الأسود يكون متصلا و تكون قيمته القصوية عند طول موجي معين في درجة حرارة معينة ! أي أن درجة حرارة الجسم هي التي تحدد الاطوال الموجية التي سوف يتم بعثها من طرف الجسم الأسود ، واذا كنا نعلم درجة حرارة الجسم الأسود فإنه يمكن حسب قانون “فين” أن نحسب قيمة الطول الموجي الذي يشع عنده الجسم الأسود أغلب طاقته :

قانون “فين” :

T.λmax = 2898μm.K

فإذا إعتبرنا بصفة تقريبية مثلا أن جسم الانسان عبارة عن جسم أسود يقوم ببعث الاشعاعات الحرارية ، فيمكننا ان نحسب بصفة تقريبية الطول الموجي الذي يتم عنده اشعاع اغلب الطاقة الحرارية وذلك حسب قانون فين :

نعلم أن درجة حرارة جسم الانسان هي 37 درجة ، لنحولها الى الكيلفن أولا :
T = 37 + 273 = 310 K

λmax = 2898 /T = 2898/310 = 9,35 μm

ومنه يتبين لنا أن هذا الطول الموجي يدخل في الاشعة تحت الحمراء اي ان جسم الانسان يبعث معظم الطاقة الحرارية في اشعاعات تحت حمراء غير مرئية بالعين المجردة ، ولهذا لا يمكننا رؤية بعضنا البعض في الليل لأننا لا نستطيع ان نرى الاشعة تحت الحمراء .

▪هل الأجسام التي تبدوا سوداء في الطبيعة يمكن تصنيفها ضمن “الأجسام السوداء” ؟

بخصوص الأجسام ذات اللون الأسود أو التي نراها سوداء في الطبيعة ، فهي لا علاقة لها بالجسم الأسود الذي سوف نتحدث عنه فيما سيأتي ، الاجسام التي نراها في الطبيعة وكأن “لونها” أسود لا يعني أنها هي “الجسم الأسود” الذي نقصده فيزيائيا . تلك الأجسام تبدوا سوداء فقط لأنها تمتص الطيف المرئي الذي بواسطته نستطيع رؤية الاجسام المتواجدة في الطبيعة ، لكن هذه الاجسام فهي بطبيعة الحال لا تمتص كل الأطياف الكهرومغناطيسية بل تعكس نوع من الأشعة وتسمح بمرور نوع آخر من الأشعة داخل الطيف غير المرئي بالعين المجردة ولهذا نراها سوداء .

▪ما هو التدفق الحراري ؟
يعرف التدفق الحراري بكمية الطاقة في كل ثانية وحدته هي الواط (w) او الجول على الثانية (j/s) . فمثلا اذا قلنا ان التدفق المنعكس على الجسم هو 400w يعني ان الجسم يعكس نحو الفضاء المحيط به طاقة تعادل 400 جول في الثانية الواحدة .

مصطلحات :
Flux thermique : التدفق الحراري
Flux radiatif : التدفق الاشعاعي
Flux incident : التدفق الوارد
Flux réfléchit : التدفق المنعكس
Flux transmet : التدفق المار
Flux émis : التدفق المنبعث
Flux absorbé : التدفق الممتص
Corps noir : جسم اسود

تحرير : شعيب المستعين Choaib El Moustaine