흑체복사
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지구 복사와 열평형 |
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흑체복사 |
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모든 물체는 온도에 알맞는 파장을 마구 냅니다. |
모든 물체는 열을 받기도(흡수) 하고 내기도(방출) 합니다. 책상에서 아무런 빛이
나오는 것이 보이지 않지만 자기 온도에 맞는 에너지를 내고 있어요. 파장이 너무나
길어 전파 수준이라서 우리가 못 볼 뿐이죠. 태양은 고온의 물체라서 우리 눈에 보이는
가시광선을 많이 내므로 눈부시게 햇살이 나오는 것이 보이죠.
물체에서 에너지가 나오는데에도 다음과 같은 규칙이 있어요.
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2배 표면온도가 높아지면 최대 파장은 2배 짧아집니다. |
파장이 짧을수록 에너지가 큽니다. 따라서, 표면온도가 높아질수록 점점 파장이 짧은
복사파들이 더 강하게 방출됩니다. 그 물체에서 나오는 수 많은 파장들 중에서 가장
많은 양의 에너지가 방출되는 파장(최대 파장)은 표면온도와 반비례합니다.
뜨거운 물체(고온)일수록 최대 파장은 점점 짧아지는 것입니다. (빈의 변위 법칙)
계산하기도 아주 좋습니다. 표면온도가 100인 물체에서 가장 많은 에너지가 방출되는
파장(최대파장)이 100이라고 합시다. 이 물체의 표면온도가 200으로 2배 증가하면
최대파장은 2배 짧아져 50이 됩니다. 아주 간단하죠. 거꾸로 표면온도가 3배 낮아지면
최대파장은 3배 길어집니다.
태양의 표면온도를 절대온도로 약 6000도, 지구를 약 300도라고 합시다.
지구는 태양보다 온도가 20배 낮아요. 따라서 지구의 최대파장은 태양보다
20배 길겠죠. 태양의 최대파장이 0.5 이므로 지구는 10 ( 0.5의 20배) 이 됩니다.
지구가 온도가 낮으니 최대파장은 길어져야죠.
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표면온도의 4 제곱씩 에너지를 팍팍 쏟아 냅니다. |
뜨거운 물체일수록 단위면적당 많은 에너지를 냅니다. 이 때 나오는 에너지는
그 물체 표면온도의 4 제곱에 비례합니다. 뜨거울수록 많은 에너지가 나오는 것은
잘 아는데 4제곱이란 것은 많이 까먹습니다. 별 것아니니 잘 기억해 두세요.
뜨거운 물체일수록 많은 양의 에너지를 낸다. (슈테판 볼츠만의 법칙 )
간단히 계산을 해보면 아래와 같습니다. 암산이 가능할 정도로 쉽습니다.
표면온도가 2배 높아지면(뜨거워지면) 최대 파장은 2배 짧아집니다.
그러나 표면온도가 2배 높아지면 방출되는 에너지는 2배가 아니라
2 의 4제곱, 즉, 16배나 에너지가 커집니다.
태양은 지구보다 표면온도가 약 20배 높으므로 태양이 단위면적당 방출하는
에너지량은 20의 4승, 즉, 16만배나 지구보다 많은 에너지를 뿜어냅니다.
게다가 태양은 지구 반지름의 약 109배이니 표면적이 지구의 109의 제곱,
대략, 만배나 넓습니다. 따라서, 태양은 지구보다 16만배의 만배인 16억배의
에너지를 우주공간으로 힘차게 뿜어내는 셈이죠.
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뜨거운 물체일수록 짧은 파장이 많이 방출됩니다. |
물체에서 나오는 에너지를 파장별로 그려 보면 다음과 같아요.
이 그림을 플랑크의 곡선이라고 합니다. 플랑크는 양자론을 정립한 과학자로
아인슈타인 만큼이나 큰 업적을 남긴 뛰어난 과학자입니다.
잘 기억해두세요. 뜨거울수록 파장이 짧아지고 방출되는 에너지도 커진다는 것을.
정확히 2배 표면온도가 높아지면 최대파장은 2 배 짧아지고, 단위 면적당 나오는
에너지는 2의 4제곱인 16 배나 많이 나온다는 것을 잘 기억해 두세요.
표면 온도가 3배 뜨거워지면 최대 파장은 3 배 짧아지고, 방출되는 에너지는
81 배(3의 4제곱) 많아집니다.