Por que um objeto brilha?
Você já se perguntou por que e como um objeto quente emite luz? Talvez você tenha visto como um ferreiro tira um pedaço de metal, como uma haste de metal de uma fogueira, apenas para vê-lo brilhar com uma rica cor vermelha. Você vê uma cor porque quando um objeto quente brilha, ele realmente emite fótons , pacotes de radiação eletromagnética, incluindo luz visível.
Um objeto quente, como uma pessoa que está furiosa com alguma coisa, está realmente agitado. Essa agitação produz colisões e mudanças no movimento entre as partículas, incluindo elétrons, do objeto em questão. Isso faz com que a energia seja retirada do objeto como radiação eletromagnética. Em essência, o objeto realmente quente está ‘liberando vapor’, embora na forma de luz, para esfriar um pouco, como se uma pessoa pudesse precisar liberar um pouco de vapor quando está agitada.
A forma como a temperatura de um objeto influencia seu belo brilho vai muito além desse pequeno detalhe. Em breve, você aprenderá por que os objetos ficam mais brilhantes à medida que ficam mais quentes e por que mudam de cor com a temperatura ao examinarmos a Lei de Wien e a Lei de Stefan-Boltzmann.
Radiação e temperatura do corpo negro
Um objeto teórico que pode ser perfeitamente eficiente na absorção e emissão de radiação é conhecido como corpo negro e, portanto, emite o que é conhecido como radiação de corpo negro.
Um corpo negro é preto em temperatura ambiente, daí o nome. No entanto, em temperaturas mais altas, ele pode realmente brilhar em comprimentos de onda visíveis. Portanto, você deve estar ciente de que astrônomos e físicos usam o termo ‘corpo negro’ para se referir também a objetos que brilham.
Naturalmente, dado o que examinamos até agora, você pode ter a tendência de pensar que a radiação do corpo negro é emitida apenas por objetos quentes como aquela haste de metal quente ou uma estrela extremamente quente. Não tão. A radiação do corpo negro é a radiação emitida por um objeto aquecido. Mas ‘aquecido’ é um termo relativo. O que quero dizer é que é aquecido quando comparado ao zero absoluto – 0 Kelvin, -273,2 Celsius ou -459,7 Fahrenheit.
Sabendo disso, você não ficará surpreso ao saber que a radiação do corpo negro é emitida por tudo, desde estrelas e lâmpadas a cubos de gelo. Isso porque, em temperaturas acima do zero absoluto, as partículas em um objeto ainda têm energia térmica e, portanto, irradiam fótons. Um cubo de gelo pode ser tão frio quanto um pepino, mas em comparação com o zero absoluto, fica tão agitado e quente quanto você quando o computador congela ou o carro não liga.
Por que mais quente = mais brilhante?
Ok, agora você sabe por que as coisas brilham. Agora precisamos aprender como a temperatura e a cor do brilho de um objeto interagem. Certamente você viu como, à medida que o metal é aquecido mais e mais, ele na verdade muda a cor da luz que emite de vermelho para laranja e amarelo, conforme fica mais quente. Agora você aprenderá por que ele muda de cor e fica mais brilhante à medida que fica mais quente, não apenas por que brilha.
Em primeiro lugar, quanto mais quente um objeto, mais radiação de corpo negro é emitida por ele. Por quê? Bem, quanto mais louco você está, mais agitado você fica e mais vapor você tem que liberar. Quanto mais quente um objeto, mais colisões ocorrem, mais violentas essas colisões e mais radiação é emitida. É por isso que, à medida que as coisas ficam mais quentes, mais brilhantes.
Lei de Wien e Lei Stefan-Boltzmann
Confira os gráficos abaixo que representam as curvas do corpo negro para ver este conceito representado visualmente. Observe que esses gráficos têm um eixo y indicando a intensidade e um eixo x representando o comprimento de onda.
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Você vê áreas maiores sob as curvas que representam objetos mais quentes, onde a área sob a curva é proporcional à energia total emitida. Portanto, um objeto mais quente emite mais radiação (incluindo luz visível). Esse conceito se refere à Lei de Stefan-Boltzmann , que diz, em termos simples, que a energia total irradiada de um corpo negro é proporcional à quarta potência de sua temperatura.
Em segundo lugar, o comprimento de onda dos fótons que um objeto emite depende da temperatura do objeto. A maioria dos elétrons em um objeto viaja em velocidades intermediárias, enquanto alguns viajam muito rápido ou muito devagar, assim como a maioria das pessoas viaja em velocidades médias na estrada e apenas alguns loucos ou cuidadosos dirigem mais rápido ou mais devagar.
É por isso que a radiação do corpo negro consiste em fótons que possuem uma ampla distribuição de comprimentos de onda. Como as velocidades intermediárias são as mais comuns, os comprimentos de onda médios também são os mais comuns. Consequentemente, ao olhar para os gráficos, você deve ver que, independentemente da temperatura de um objeto, as curvas têm picos mais altos no meio do que em qualquer uma das extremidades da curva.
Além disso, o comprimento de onda de intensidade máxima que um objeto emite, o comprimento de onda que um objeto emite a maior parte de sua luz, é conhecido como lambda max . Certifique-se de não tropeçar aqui. Lambda max não se refere ao comprimento de onda máximo que um objeto emite. Refere-se ao comprimento de onda de intensidade máxima, referenciando o eixo y nos gráficos que você vê.
Apenas olhando os gráficos, você pode dizer que o comprimento de onda de intensidade máxima depende da temperatura. Um objeto mais quente tem um comprimento de onda mais curto de intensidade máxima. Isso ocorre porque comprimentos de onda mais curtos têm energia mais alta e, como resultado, só podem ser emitidos com colisões realmente violentas que acontecem sob temperaturas mais altas. E assim, um objeto mais quente emitirá mais luz azul e parecerá azul. Por outro lado, um objeto mais frio emitirá mais luz vermelha e parecerá vermelho.
Essa ideia se refere à Lei de Wien , que, simplesmente, é a relação entre o comprimento de onda de intensidade máxima que um corpo negro emite (o lambda máximo) e sua temperatura.
Resumo da lição
Vamos revisar tudo rapidamente. Um objeto quente e brilhante emite fótons , pacotes de radiação eletromagnética e um objeto teórico que pode ser perfeitamente eficiente na absorção e emissão de radiação é conhecido como corpo negro e, portanto, emite o que é conhecido como radiação de corpo negro. A radiação do corpo negro é emitida por qualquer objeto aquecido, ou seja, aquele que tem uma temperatura acima do zero absoluto , que é 0 Kelvin, -273,2 Celsius ou -459,7 Fahrenheit.
Sabendo de tudo isso, você precisa se lembrar de duas coisas importantes.
Em primeiro lugar, quanto mais quente um objeto, mais radiação de corpo negro é emitida por ele. Essa afirmação se refere à Lei Stefan-Boltzmann , que diz que a energia total irradiada de um corpo negro é proporcional à quarta potência de sua temperatura. Portanto, quanto mais quente alguma coisa, mais brilhante ela brilhará, devido ao fato de que mais energia é irradiada por ela (energia que inclui a luz visível).
Em segundo lugar, o comprimento de onda dos fótons que um objeto emite depende da temperatura do objeto. Isso é conhecido como Lei de Wien , que é a relação entre o comprimento de onda de intensidade máxima que um corpo negro emite (lambda máximo) e sua temperatura. Novamente, o comprimento de onda de intensidade máxima que um objeto emite é conhecido como lambda max .
Tudo isso nos diz basicamente que, à medida que um objeto fica mais quente, ele emite comprimentos de onda de luz mais curtos, fazendo com que a cor de seu brilho mude no processo.
Resultados de Aprendizagem
Após o término desta lição, você será capaz de:
- Discuta o processo que faz um objeto brilhar
- Declare o que o termo ‘corpo negro’ é usado para descrever
- Descreva a radiação de corpo negro
- Interprete um gráfico de curva de corpo negro
- Relembre e explique a Lei Stefan-Boltzmann e a Lei de Wien