Почему одни электромагнитные волны могут нагревать предметы, а другие нет?

Я читал, что тепловое излучение происходит в форме инфракрасного излучения, которое представляет собой электромагнитное излучение с большей длиной волны, чем видимый свет. Таким образом, тепловое излучение, которое вы можете почувствовать в духовке или на солнце, на самом деле является инфракрасной частью общего излучения. Вот почему люминесцентные или светодиодные лампы такие яркие, но не сильно нагреваются — они в основном производят излучение в видимом спектре с незначительным инфракрасным излучением, в то время как лампы накаливания раньше производили много инфракрасного излучения в качестве побочного продукта (некоторые сказали бы, что видимый свет был побочным продуктом в этом случае).

Мой вопрос: почему электромагнитное излучение с некоторыми длинами волн нагревает вещи, тогда как другие, с большей или меньшей длиной волны (РЧ, СВЧ, УФ, гамма), не имеют такого же эффекта? Из-за размера атомов/молекул, межатомного расстояния или расстояния между ядром и электронами? Некоторые длины волн лучше подходят для увеличения вибрации атомов, чем другие?

Предпосылка сомнительна: все поглощаемое электромагнитное излучение нагревает поглощающую материю (за вычетом некоторых химических или ядерных реакций) — что еще оно могло сделать? ( Вот обсуждение того, как поглощенное синхротронное излучение нагревает охлаждаемые зонды.) Просто в ваших примерах так много ИК, что оно доминирует.
Re, «тепло... которое вы можете почувствовать... под солнцем на самом деле является инфракрасной частью». Если вы поместите полностью черный на всех длинах волн объект на яркий солнечный свет, примерно половина поглощаемого им тепла будет исходить от видимой части солнечного света.
На самом деле, тепло, которое вы чувствуете под солнцем, — это в основном видимый свет! Светодиоды просто все еще довольно тусклые по сравнению с солнцем.
@SolomonSlow Нет, безусловно, большая часть тепла будет исходить от видимой части.
Предпосылка, если этот вопрос просто неверна: все поглощаемое излучение вызывает нагрев, и чем короче длина волны, тем больше. Е "=" час ν en.wikipedia.org/wiki/Planck%27s_law

Ответы (5)

В твердом теле «тепло» состоит из случайных колебаний атомов в этом твердом теле вокруг их положений равновесия. Если излучение, падающее на это твердое тело, имеет составляющую длины волны, близкую к одной из этих возможных мод колебаний, тогда излучение будет сильно сочетаться с этой модой вибрации, и твердое тело будет принимать энергию от падающего излучения, и его температура повысится.

Если падающее излучение имеет слишком высокую частоту (рентгеновское или гамма-излучение), связь будет плохой, и излучение просто пройдет насквозь, практически не взаимодействуя. Если частота слишком низкая (радиочастоты ниже, чем у радара), излучение отражается и также мало взаимодействует. Это оставляет определенные специфические диапазоны частот (такие как длины волн инфракрасного и видимого света), где взаимодействие является сильным.

Обратите внимание, что эта картина несколько упрощена тем, что существуют диапазоны частот в гигагерцовом диапазоне, где радиочастотная энергия отражается от электропроводящих материалов, таких как металл (это дает нам радар), но сильно взаимодействует с диэлектриками и материалами, содержащими молекулы воды (это дает нам микроволновые печи). ).

Обратите также внимание, как указано ниже Фредериком, молекулы обладают резонансными модами, которых нет у составляющих их атомов, и они также могут быть возбуждены радиочастотной энергией. Многие из этих молекулярных мод лежат в инфракрасном диапазоне, что дало начало области ИК-спектроскопии.

2,4 ГГц - это радиочастота (E-диапазон НАТО), но вполне способная что-то нагреть. Спроси у своей микроволновки, если не веришь мне. Не могли бы вы добавить дополнительные детали в свой ответ, чтобы уточнить?
Этот ответ хорош, но я думаю, что он должен дополнительно устранить неправильное представление о том, что видимый свет не является тепловым излучением. Огонь излучает видимый свет в виде теплового излучения, и объекты, которые нагреваются под видимым светом, действительно существуют: они называются черными.
@FrederikVds Огонь излучает видимый свет, но большая часть тепла излучается в виде инфракрасного излучения. Я не уверен насчет черных объектов, но они тоже могут поглощать инфракрасное излучение.
@smcs Я хочу сказать, что видимый свет вполне способен передавать тепло. Причина, по которой мы связываем инфракрасное излучение с теплом, заключается в том, что источники видимого света высокой энергии очень редки (поскольку они редки в природе, их трудно создать искусственно и они небезопасны для ваших глаз). Вопрос, кажется, предполагает, что автор считает, что видимый свет не может поглощаться в виде тепла, что является заблуждением.
@FrederikVds Я полностью согласен с этим - хорошо сказано! Я просто не уверен, что ваши первоначальные примеры были настолько полезными, поскольку я не думаю, что вы на самом деле чувствуете часть видимого света, скажем, костра, а инфракрасную часть.
@smcs: Re: «Я не уверен насчет черных объектов, но они тоже могут поглощать инфракрасное излучение». Существование цветных оптических фильтров должно прояснить, что есть объекты, черные в видимом диапазоне и прозрачные в инфракрасном, а также некоторые объекты, черные как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне. (Даже этот язык слишком «груб». Лучше было бы сказать «сильно поглощающий для определенных диапазонов длин волн/частот. Для некоторых объектов такие диапазоны могут охватывать всю видимую и/или всю инфракрасную части спектра». )
@EricTowers Конечно. Я взял это как повседневный пример, как в «всем известно, что черные предметы на солнце нагреваются». Я хотел сказать, что этот эффект может быть связан с тем, что они также поглощают инфракрасное излучение, а не потому, что они поглощают видимый свет.
@smcs Подавляющее большинство потоков солнечной энергии находится в видимом диапазоне, а не в ИК. Между тепловым излучением Солнца и Земли очень мало перекрытия. Это сильно упрощает многие аспекты моделирования радиационных процессов.
@smcs Кроме того, некоторые материалы, например снег, в ИК-диапазоне черные, а в видимом — белые. Это придает снегу высокую излучательную способность в инфракрасном диапазоне и высокое альбедо в видимом диапазоне. ИК – это тепловое излучение самого снега, видимое – солнечное излучение.
Очевидным примером того, насколько неэффективен ИК-фильтр для охлаждения, может быть теплица.

Как упоминал Нильс Нильсен, электромагнитные волны поглощаются, когда их длина волны соответствует модам колебаний атомов в твердом теле. Это заставляет атомы вибрировать еще сильнее и, таким образом, повышать температуру. От вибрации атомов в твердых телах можно сделать расширение к вибрации полимеров и органических молекул, которые имеют дополнительные колебательные и вращательные моды. Например, в органических молекулах колебаться может вся молекула (в дополнение к отдельным атомам в ней). Эта вибрация происходит на другом масштабе длины, и поэтому электромагнитное излучение с другими (более низкими) частотами может поглощаться по сравнению с обычными твердыми материалами. Кроме того, в этих органических молекулах также существуют вращательные моды, которые также могут поглощать электромагнитное излучение и вызывать нагрев.

Поскольку люди состоят из этих органических молекул, именно эти молекулярные колебательные моды поглощают инфракрасное излучение и дают нам ощущение температуры.

ВСЕ электромагнитные волны передают энергию. Когда они встречаются с каким-либо телом, они либо поглощаются, либо рассеиваются, либо частично и то, и другое.

Поглощаемая часть всегда нагревает поглощающее тело. Поглощенные электромагнитные волны могут делать, а могут и не делать другие вещи (например, химические изменения или электрические токи).

Причина, по которой вы не чувствуете большого тепла от светодиодной лампы, заключается в том, что светодиодная лампа не излучает много. Печка 1-5кВт, Солнце около 1кВт/кв.м в полдень. Типичная светодиодная лампа имеет мощность 3-15 Вт.

Вы можете попробовать какой-нибудь мощный светодиод (есть, например, направленные светодиодные фары мощностью 50 Вт, которые могут сильно обжечь вашу кожу).

Интересно, сможете ли вы достаточно хорошо сфокусировать одну из этих обычных светодиодных ламп с помощью приличной линзы, чтобы вас обжечь? при попытке настроить другое зеркало
@llama Вряд ли. Эти диоды имеют мощность 0,3-0,5 Вт каждый, а светоотдача, вероятно, составляет ~ 0,1 Вт или меньше. Остальное тепло уходит на радиатор. Вы можете сфокусировать его с помощью эллиптического зеркала и, возможно, почувствовать его более чувствительной частью кожи.
Ах да, я думал, вы говорите о сияющей силе, а не о полной силе.
Вы можете взрывать воздушные шары и сжигать предметы с помощью лазерных диодов видимого света, таких как красные лазеры в приводах для записи DVD и синие лазеры в драйверах для записи Blu-ray.
@Наюки, эти лазеры имеют мощность 1-3 Вт.
Я могу нормально гореть со светодиодом мощностью менее 1 Вт, больше мне не нужно. Это вопрос фокусировки.

Очень важно понимать, что тепловая энергия запасается в степенях свободы молекул.

Тепловая энергия на микроскопическом уровне хранится в степенях свободы атомов и молекул. Эти степени свободы бывают поступательными, вращательными и колебательными. Все они хранят разное количество энергии в зависимости от геометрии атома. Поступательные степени свободы — это атом или молекула, движущиеся в пространстве, и их всегда 3 для 3 измерений пространства. Вращательные и колебательные моды исходят из геометрии атома/молекулы.

Как тепло представлено на квантовом уровне?

Сейчас в основном три типа:

  1. поступательный

Поступательные степени свободы возникают из-за способности молекулы газа свободно перемещаться в пространстве.

  1. вращательный

Вращательные степени свободы молекулы представляют собой количество уникальных способов, которыми молекула может вращаться в пространстве вокруг своего центра масс, что приводит к изменению ориентации молекулы.

  1. колебательный

Количество колебательных степеней свободы (или колебательных мод) молекулы определяется путем изучения количества уникальных способов, которыми атомы внутри молекулы могут двигаться друг относительно друга, например, при растяжении или изгибе связи.

https://en.wikibooks.org/wiki/Statistical_Thermodynamics_and_Rate_Theories/Degrees_of_freedom

Теперь вы спрашиваете, почему фотоны с определенной длиной волны нагревают молекулы только определенных материалов, а другие не могут?

Каждая молекула имеет свои собственные квантово-механические характеристики, которые включают в себя характеристики поступательных, колебательных и вращательных режимов, а также фотонам с какой длиной волны они могут соответствовать. Это означает, что энергия фотонов определенной длины волны должна соответствовать энергетической щели между этими модами.

Если энергия фотона соответствует (а иногда превышает) зазору между двумя модами, то фотон с большой вероятностью может быть поглощен.

Теперь это не так просто. Фотоны с определенной длиной волны обладают способностью с большей вероятностью передавать свою энергию молекулам, которые имеют определенный тип доступных степеней свободы (моду).

Таким образом, определенные молекулы, которые имеют степени свободы, доступные в различных режимах поступательного, колебательного или вращательного движения, могут быть возбуждены фотонами с различной длиной волны.

Просто примечание: другие ответы не касаются этого, но нагрев материала противоречит распространенному мнению не только в основном за счет поглощения. Большая часть энергии фотонов передается за счет неупругого рассеяния. При этом фотон не перестает существовать, а лишь передает молекуле часть своей энергии.

https://en.wikipedia.org/wiki/Неэластичный_рассеиватель

Вещи нагреваются, когда поглощают излучение. Они не нагреваются, если они прозрачны для этого излучения или если они отражают это излучение. Когда они прозрачны, излучение проходит без больших потерь энергии.

Различные длины волн имеют разные профили поглощения в разных материалах (из-за атомной структуры материалов), как упоминалось @nielsnielsen и @Frederic. Стекло выглядит довольно прозрачным в видимом спектре, но поглощает инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, поэтому оно непрозрачно для этих длин волн. Раньше я работал с инфракрасным спектрометром. Вместо стекла для крепления образцов пришлось использовать диски из соли, так как соль остается прозрачной в инфракрасном диапазоне. Вода также кажется человеку достаточно прозрачной, но сильно поглощает микроволны (основа для микроволновых печей).

Чего я явно не видел в других ответах, так это того, что излучение поглощается на атомном и молекулярном уровне, когда энергия фотона ( Е "=" час ν "=" час с / λ в а с ты ты м ) равна энергии, необходимой для квантового перехода между различными модами. Эти режимы могут включать электронные переходы в атомах , переходы делокализованных электронов в молекулах , колебательные переходы атомных ядер, вращательные переходы атомных ядер и смещения атомов в кристаллах.

"...если они прозрачны", ИЛИ если они отражают это. Ношение всей белой одежды в яркий солнечный день будет значительно охлаждать вас, чем ношение полностью черной одежды.
@SolomonSlow Я думаю, вы думаете о блестящей серебристой светоотражающей одежде, которая сохраняет прохладу за счет отражения. Белый поглощает и переизлучает его, поэтому он остается холоднее, вы правы.
@ ÁrpádSzendrei, я не эксперт в этой области, но я думал, что описанный вами процесс - поглощение и повторное излучение - также известен как диффузное отражение . Отражения от блестящей серебряной поверхности будут зеркальными отражениями.
@SolomonSlow «отражение света или других волн или частиц от поверхности, так что луч, падающий на поверхность, рассеивается под многими углами, а не только под одним углом, как в случае зеркального отражения». Диффузное отражение означает, что микроповерхность не является плоской (или такова, что углы будут случайными).
@SolomonSlow Я добавил упоминание об отражении. Спасибо! Я забыл об этом.
Почему одни электромагнитные волны могут нагревать предметы, а другие нет?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v