Температура сферы, нагревающейся на солнце (средняя излучательная способность сферы неизвестна)

Я застрял на следующем упражнении:

Представьте себе алюминиевую сферу, окрашенную в матово-белый цвет с коэффициентом излучения ϵ "=" 0,10 на видимых длинах волн и ϵ "=" 0,95 на длинах волн больше, чем 5   мю м . Эта сфера вращается вокруг Солнца, получая поток мощности р с ты н "=" 1330  Втм 2 . Найдите установившуюся температуру шара. Найдите пиковую длину волны излучаемой энергии и определите, какое значение ϵ следует использовать для расчета излучаемой энергии.

Сначала я понял, что сфера с радиусом р получает солнечное излучение только на площади π р 2 будучи способным излучать радиацию по всей площади 4 π р 2 . Таким образом, поток мощности, излучаемый сферой, должен составлять четверть потока мощности, который она получает:

р с п час е р е "=" 332,5  Втм 2

Я не получить намного дальше, чем это, хотя. Я бы хотел продолжить расчет температуры, например, с помощью р "=" ϵ а в г о Т 4 , но средний коэффициент излучения зависит от температуры и я даже не знаю ϵ для большинства длин волн, так что это не вариант. Единственное другое соответствующее уравнение, которое я знаю, это закон Планка:

г р г λ "=" 2 π час с 2 λ 5 ϵ опыт ( час с / к λ Т ) 1

Но ϵ дается только для видимого света и длин волн более 5 микрометров. Я подумал о приближении разрыва между ними с помощью линейной функции, подобной этой:

ϵ "=" { 0,1 0 < λ < 750 н м 0,2 λ / мю м 0,05 750 н м < λ < 5 мю м 0,95 5 мю м < λ

но даже при этом я не знаю, как я мог бы использовать закон Планка для расчета температуры. Любые идеи приветствуются.

«Поэтому поток мощности, излучаемый сферой, должен составлять четверть потока мощности, который она получает: «Почему вы так говорите? Если это равновесная ситуация, то мощность на входе = мощность на выходе.
@RobJeffries Да, выходная мощность равна входной мощности. Однако поток мощности выражается в единицах мощности на единицу площади. Мы дали поток мощности солнца, с помощью которого мы можем рассчитать мощность, получаемую сферой, вычислив п "=" р с ты н π р 2 . И теперь сфера излучает точно такую ​​же мощность во всех направлениях, так что на площади 4 π р 2 , что приводит к потоку мощности р с п час е р е "=" п / 4 π р 2 "=" р с ты н / 4 . Конечно, этот поток мощности уменьшается по мере удаления от сферы. Я даю значение на поверхности.
Я думаю, что ответ КМ хорошо решает эту проблему, но если вы нашли лучшее решение, вы всегда можете добавить дополнительный ответ на свой вопрос. Вы также можете увидеть, как ранние космические аппараты решали эту проблему на практике, в статье « Чем лучше черно-белые полосы, чем однородный серый цвет, для контроля температуры?» а также Почему первые несколько спутников Европы были такими стильными? Почему ярко выраженное чередование белых и черных полос?

Ответы (1)

Я думаю, что идея заключается в том, что между кривыми излучения Солнца и сферы очень мало перекрытия длин волн (возможно, вам нужно предоставить аргумент для этого), поэтому вы можете рассматривать их отдельно. Нужно приравнять (с учетом множителя четыре) р "=" ϵ а в г о Т 4 для температуры Солнца и оптической излучательной способности, а также для (неизвестной) температуры сферы и инфракрасной излучательной способности.