Questões conceituais:
Explique por que uma cavidade pode absorver radiação de modo aproximado ao de um corpo negro.
Explique por que uma cavidade pode absorver radiação de modo aproximado ao de um corpo negro.
Passo 1
O enunciado pede para explicar por que uma cavidade, isto é, um recipiente fechado com um pequeno orifício, consegue absorver radiação quase como um corpo negro ideal. O conteúdo envolve radiação térmica, múltiplas reflexões internas e a lei de Kirchhoff da radiação.
Passo 2
Um corpo negro é definido como um objeto que absorve totalmente toda radiação incidente, sem refletir nem transmitir nada. Em termos de coeficientes, a absorptividade
de um corpo negro é
. Pela lei de Kirchhoff, em equilíbrio térmico sua emissividade
também vale
.
Passo 3
Considere uma cavidade com paredes opacas e um pequeno orifício. Quando um fóton entra pelo orifício, ele sofre diversas reflexões nas paredes internas antes de eventualmente escapar de volta pelo orifício.
Passo 4
Se a refletividade das paredes é
, a probabilidade de um fóton ainda não ter sido absorvido após
reflexões é aproximadamente
. Como
tende a ser grande para trajetórias internas longas,
. Logo, quase toda radiação que entra é absorvida pelas paredes.
Em equilíbrio térmico, a cavidade passa a emitir radiação com espectro e intensidade idênticos aos de um corpo negro à mesma temperatura, pois pela lei de Kirchhoff sua emissividade interna também se aproxima de 1.
Em equilíbrio térmico, a cavidade passa a emitir radiação com espectro e intensidade idênticos aos de um corpo negro à mesma temperatura, pois pela lei de Kirchhoff sua emissividade interna também se aproxima de 1.
Resposta
Uma cavidade com um pequeno orifício absorve radiação quase totalmente devido às múltiplas reflexões que reduzem a chance de fuga ao negligenciável, fazendo com que sua absorptividade e emissividade se aproximem de 1, ou seja, ela se comporte praticamente como um corpo negro.