Černé těleso

Černé těleso – definice a vymezení problému

Černé těleso je z hlediska bezdotykového měření teploty objekt, který má emisivitu povrchu rovnou 1 (emisivita = 1), z toho pak vyplývá, že má nulovou odrazivost a nulovou propustnost (základní vztah říká, že emisivita + odrazivost + propustnost = 1). Z jednotkové emisivity povrchu pak vyplývá, že jeho pohlitovost je také jednotková (neboť pro ustálený stav platí Kirchhoffův zákon termální radiace, který říká, že pohltivost = emisivita).

Výše uvedené vztahy pak pro černé těleso musí platit na všech vlnových délkách. Tj. že emisivita a další výše zmíněné vlastnosti (pohltivost, propustnost, odrazivost) mají konstantní hodnotu pro všechny vlnové délky a všechny teploty černého tělesa. Znamená to tedy, že emisivita černého tělesa je rovna jedné, nezávisle na jeho teplotě a vlnové délce. Černým tělesem myslíme vždy jistý povrch (jak později uvedeme, v případě dutinového černého tělesa jde o otvor dutiny) s uvedenými vlastnostmi.

Ve fyzice je černé těleso obvykle definováno přes již zmiňovanou jednotkovou pohltivost jako: Černé těleso je těleso, které zcela pohlcuje elektromagnetické záření všech vlnových délek.

Definice, že jde o těleso s jednotkovou emisivitou (opět nezávislou na vlnové délce) je pak ekvivalentní a blíže k pochopení pro obor termografie a bezdotykového měření teploty, kde se pracuje obvykle s emisivitou, nikoli pohltivostí povrchu.

Základní vlastnosti černého tělesa jsou tedy:

  • jednotková pohltivost a tedy zároveň jednotková emisivita (emisivita = pohltivost = 1)
  • stálost těchto parametrů nezávisle na vlnové délce, teplotě a případně i jiných myslitelných parametrech

Tepelné záření

K dalšímu vysvětlení problematiky černého tělesa musíme přistoupit k základnímu vysvětlení pojmu “tepelného záření”, neboť černé těleso je právě (etalonovým) zdrojem tepelného záření. Tepelné záření je záření, které vyzařují všechny předměty s povrchovou teplotou větší, než absolutní nula a spektrum tohoto záření pro černé těleso vychází z Planckova vyzařovacího zákona (obecná tělesa mají jiné spektrum záření).

Příčinou vyzařování tepelného záření je termický pohyb molekul a dalších částic v blízkosti povrchu tělesa. Vzájemnými interakcemi těles dochází ke změně jejich drah a rychlostí. Tyto změny pak vedou k vyzáření jisté části, původně kinetické energie, v podobě fotonu. Tělesa tedy vyzařují záření, které nazýváme jako “tepelné záření” a vzhledem k tomu, že jeho fyzikální povahou je tok fotonů, jedná se o elektromagnetické záření a samozřejmě vykazuje všechny vlastnosti tohoto typu záření. V textu pracujeme s pojmem tepelné záření a elektromagnetické záření s tím, že každé tepelné záření je zároveň zářením elektromagnetickým a každé elektromagnetické záření má tepelné projevy, byť je jeho zdroj jiný (a jedná se například o vysílání GSM vysílače). Černé těleso pohlcuje tepelné záření nezávisle na jeho zdroji či původu.

Absolutně černé těleso

Pojem absolutně černé těleso vznikl z ruského termínu Абсолю́тно чёрное те́ло. Vzhledem k anglosaskému původu termínu (tj. “black body”) se v textu dále držíme pojmu “černé těleso”, které má již z definice takové vlastnosti, že přídomku “absolutní” není potřeba. Pro zařízení, která jsou technickými realizacemi černého tělesa pak používáme termín “technické černé těleso” a to jen tam, kde je to potřeba z hlediska kontextu.

Vyzařování černého tělesa

Černé těleso vyzařuje tepelné záření v celém rozsahu vlnových délek od myslitelné nuly, po nekonečno. Spektrální intenzita vyzařování černého tělesa je dána tzv. Planckovo vyzařovacím zákonem, který stanovuje intenzitu vyzařování černého tělesa v závislosti na jeho povrchové teplotě a vlnové délce, kde je tato intenzita měřena. Spektrální intenzita vyzařování má jediné maximum, které se s rostoucí teplotou posouvá směrem ke kratším vlnovým délkám. Při určité teplotě dokonce toto tepelné záření vnímáme jako viditelné záření.

Černé těleso - spektrální intenzita vyzařování.
Obr.: Spektrální intenzita vyzařování černého tělesa. S rostoucí teplotou černého tělesa se maximum vyzařování posouvá směrem ke kratším vlnovým délkám. Zdroj: wikipedia.

Důležitým poznatkem je, že úhrnná (integrální) intenzita tepelné záření černého tělesa je úměrná čtvrté mocnině povrchové teploty. Této skutečnosti se využívá při bezdotykovém měření teploty. Přístroj (termokamera, pyrometr) zaznamenává intenzitu tepelného záření a na základě této naměřené hodnoty je výpočtem stanovena (při znalosti dalších parametrů) povrchová teplota měřeného objektu. Touto problematikou se zabývá obor nazývaný jako termografie.

Technické černé těleso

Výše uvedené vlastnosti vychází samozřejmě pro idealizované černé těleso, které je fyzikálním myšlenkovým konstruktem. V přírodě neexistuje materiál, který by vykazoval výše zmíněné vlastnosti černého tělesa a je tedy třeba přistoupit k jeho technické realizaci jakožto zařízení.

Technická realizace (kterou často nazýváme pro upřesnění jako technické černé těleso) pak samozřejmě má svá omezení, která vyplývají z konstrukčních možností. Emisivita je v praxi vždy menší než jedna a obvykle se u technického černého tělesa pohybuje v intervalu 0.95 až 0.99 a to v závislosti na typu konstrukce černého tělesa, vlnové délce a teplotě. Tyto parametry by měly být vždy uvedeny v datovém listě od výrobce daného technického černého tělesa.

Existují základní dva typy (technického) černého tělesa. Černé těleso je technicky možné aproximovat dutým tělesem s velmi malým otvorem – kavitou (obecně je možné za černé těleso považovat všechna tělesa, která mají výrazně větší objem, než je povrch, kterým záření vyzařují do okolí). Takové černé těleso nazýváme jako dutinové černé těleso, případně samozřejmě dutinové technické černé těleso. Povrchem černého tělesa je pak otvor dutiny (tj. kavita). Vnitřek tělesa je vyhřívání na konstantní teplotu a vzhledem ke své izolaci od okolí lze docílit velmi dobré teplotní stability takového tělesa.

Druhou možností, jak černé těleso realizovat prostřednictvím povrchu o vysoké emisivitě a hovoříme o deskovém černém tělese. Zde se využívá skutečnosti, že vysokou emisivitu také vykazují povrchy s vysokou drsností povrchu (ta zajišťuje mnohačetné odrazy dopadajícího tepelného záření v rámci povrchu, s každým odrazem je pohlcena větší a větší část dopadajícího záření).

Typy konstrukce technických černých těles:

  • dutinové černé těleso – povrchem tělesa o vysoké emisivitě je otvor do dutiny, jejíž povrch je temperován na jmenovitou teplotu.
  • deskové černé těleso – povrch s vysokou emisivitou je realizován prostřednictvím “drsného” povrchu o vysoké emisivitě. Na jmenovitou teplotu je vyhříván přímo povrch tělesa.

Obecně platí, že dutinová černá tělesa jsou kvalitnější vzhledem ke všem podstatným parametrům, tj. z hlediska:

  • emisivity (ta má být samozřejmě co nejbližší hodnotě 1),
  • stálosti nastavené teploty v čase a
  • teplotní homogenity povrchu (tedy otvory do kavity).

Desková černá tělesa vykazují horší parametry u vlastností, které byly výše zmíněny u dutinového černého tělesa, tj. vykazují horší teplotní stabilitu (vzhledem ke konstrukci je zde vliv okolí významnější), horší teplotní stabilitu a emisivita také obvykle dosahuje nižší hodnoty (drsností povrchu nelze nahradit vlastnosti kavity). Jejich výhodou je ale obvykle výrazně nižší cena (jsou konstrukčně mnohem jednodušší) a vzhledem k nižší váze jsou mobilnější a snadněji se s nimi manipuluje. Hodí se tedy tam, kde jsou požadavky na přesnost nižší. Typicky například jako tzv. místní etalon apod.

Černé těleso jako etalon tepelného záření

Ve své technické realizaci se černá tělesa používají k realizaci etalonu pro kalibraci přístrojů pro bezdotykové měření teploty, tj. pyrometrů a termokamer. Černé těleso je tak zdrojem (kalibračního) tepelného záření. Každé měření je srovnání naměřené hodnoty s etalonem a tak je vlastně proces bezdotykové měření procesem porovnání právě naměřeného tepelného záření s tepelným zářením kalibračního černého tělesa uložené v paměti přístroje.

-->