Лучи солнечного нагрева

Солнце излучает весь спектр длин волн, поэтому в данном случае нам нужен материал с низкой отражательной способностью для широкой полосы пропускания. Черные футболки поглощают больше тепла, потому что они просто поглощают большее количество длин волн, в том числе большинство видимых, и поэтому они кажутся черными. Как мы знаем, белый свет представляет собой комбинацию длин волн в видимом спектре, поэтому мы можем сделать вывод, что белая футболка отражает множество длин волн (в видимом спектре). Инфракрасный спектр (обычно тепловой) близок к видимому спектру.

Идеальной ситуацией для этого была бы модель черного тела. Черное тело — это тело, которое поглощает падающее излучение с коэффициентом$\alpha$это между 0 (отсутствие поглощения) и 1 (полное поглощение), а затем также испускает излучение с коэффициентом$\epsilon$между 0 и 1. Чтобы у вас был материал, который удерживает много тепла от входящего излучения, вам нужен материал с высоким коэффициентом поглощения. Вы можете посмотреть примеры значений для ряда материалов по следующей ссылке https://www.engineeringtoolbox.com/solar-radiation-absorbed-materials-d_1568.html.

Надеюсь, это ответило на ваш вопрос.

Быстрый ответ: любой материал с высокой излучательной способностью. Согласно Википедии , Вентаблэк является рекордсменом по количеству$\varepsilon = 0.99955$в видимом диапазоне. Этот материал будет иметь более высокую температуру, чем любой другой материал, если его поместить под Солнце и через некоторое время достичь стационарного состояния. Обратите внимание, что это может быть не совсем точным, потому что, хотя большая часть энергии Солнца находится в видимом спектре, часть ее находится в УФ-диапазоне, а часть в ИК-диапазоне. Но примерно то, что я сказал, имеет место.

Более длинный ответ состоит в том, что уравнение теплопроводности материала имеет вид$\nabla \cdot (\kappa \nabla T) + A\varepsilon(T^4-T_\text{Sun}^4) + \text{convection term} = C_p \frac{\partial T}{\partial t}$. Таким образом, хотя верно, что в начале момента, когда вы помещаете объекты под солнечный свет, может быть переходный период, в течение которого температура меняется со временем, через некоторое время температура достигает конечной температуры, которая почти исключительно независима. из$C_p$, в отличие от того, что утверждается в (неправильном) ответе Арпада Сендрея. Действительно, в один момент$\frac{\partial T}{\partial t}\approx 0K/s$Итак$C_p$члены выпадают из уравнения, и, таким образом, нет никакого способа, чтобы$T$будет зависеть от этого коэффициента.

Почти напоследок, я хотел бы отметить, что$\kappa$вступает в игру, если один материал входит в контакт с другим, и в этом случае на конечное распределение температуры будет влиять теплоотвод (соприкасающийся материал) таким образом, что$\nabla T\neq 0K/m$. Так что для того, чтобы получить окончательный ответ, вам нужно было бы точно указать постановку эксперимента. Я ожидаю, что в глубоком космосе решение будет слабо зависеть от$\kappa$, потому что через определенное время весь материал будет иметь примерно однородное распределение температуры, и в этом случае ответ в основном зависит от$\varepsilon$.

Кроме того, я не согласен с предложением ДаккВейдера.

Идеальной ситуацией для этого была бы модель черного тела.

Хорошим контрпримером такого утверждения является черная дыра (хотя нельзя сказать, что она является материалом как таковым , она все же квалифицируется как черное тело), ​​которая является либо совершенным, либо почти идеальным черным телом. Чем больше света он поглощает, тем холоднее становится (у него отрицательная удельная теплоемкость). Но не поймите меня неправильно, его ответ очень хороший, я просто слишком придирчив.

Ответ Арпада Сендрея имеет еще одну проблему. Он фокусируется на реальной части показателя преломления, которая не играет никакой роли в поглощении электромагнитных волн (солнечного света) материалом. В действительности показатель преломления металлов сложный, он содержит как вещественную, так и комплексную часть. И это именно та сложная часть, которая имеет значение, когда речь идет о поглощении материала. Т.е. как затухает амплитуда ЭМ волны по мере удаления от поверхности внутри материала. Таким образом, в отличие от хорошего ответа ДаккВейдера, ответ Арпада Сендрея содержит грубые неточности, что делает его просто неверным.

Подводить итоги:

Если проблема сформулирована нечетко, ответ зависит от геометрии материала и того, как он связан с окружающей средой. Но, как правило, только$\kappa$и$\varepsilon$будет иметь значение (не$C_p$). Вы хотели бы найти материал с низким$\kappa$и высокий$\varepsilon$. Точное значение будет зависеть от точной настройки, в которой находится материал.

Во-первых, вы спрашиваете, какой металл нагревается быстрее всего:

Я так понимаю, вы спрашиваете о прямом солнечном свете. Теперь мы можем проверить, как прямая тепловая энергия повысит температуру металлов, а затем скорректировать это измерение с помощью показателя преломления металлов.

Возьмем пробы алюминия, меди, серебра по 100 г.

100 Дж энергии повысят температуру:

1. Алюминий на 1.1C,

2. серебро 4.2С,

3. медь 2,5С.

Показатель преломления:

1. Алюминий 1,09

2. серебро 0,15

3. медь 0,46

Теперь, основываясь на этой информации, чтобы ответить на ваш вопрос, серебро нагревается быстрее всего из-за прямого солнечного света.

Солнечный свет белый, а не желтый, это распространенное заблуждение. Белый свет состоит из комбинации фотонов всех длин волн, всего спектра. Не существует физически белого фотона с длиной волны. Наши глаза воспринимают цвета, имея рецепторы для фотонов RGB, красного, зеленого и синего цветов. Когда мы видим белый свет, это комбинация фотонов всех этих длин волн.

Причина того, что белый объект кажется белым, заключается не только в том, что он отражает весь свет. Это связано с тем, что он отражает большую часть всех фотонов видимой длины волны, и поскольку солнечный свет белый, естественно, белый объект будет казаться белым, потому что белый свет, состоящий из комбинации всех фотонов видимой длины волны, будет отражаться от поверхности. этот белый предмет. Пожалуйста, посмотрите, почему белые объекты все белые:

https://физика.stackexchange.com/a/426197/132371

Это также объяснит вам, почему черные объекты кажутся черными. Черный означает, что наши глаза не получают фотонов видимой длины волны. Черный объект поглощает почти весь видимый свет и не отражает и не излучает свет видимой длины волны.

Вы правы в том, что черные предметы нагреваются быстрее (если они из того же материала), но это потому, что они:

1. поглощают весь видимый свет и не отражают видимый свет

2. неупруго рассеивают большую часть невидимого света, что создает колебательную энергию в молекулах (нагревает)

3. не рассеивают упруго почти любой свет (это было бы отражением)