Как температура связана с цветом?

1) Если один объект кажется синим, а другой красным. Это не всегда означает, что синий объект горячее красного? Это верно? Если да, то как это так? Извините, но я немного смущен этим.

Да, это правильно: когда объект светится синим при горении, это означает, что он имеет большую температуру, чем объект, светящийся красным. Это потому, что объект, который светится синим, имеет больше энергии. Энергия объекта температуры$T$(в градусах Кельвина) рассчитывается по следующему уравнению:$E=kT$где$k$постоянная Больцмана. Энергия света с частотой$f$рассчитывается с использованием этого уравнения:$E=hf$где$h$постоянная Планка. Таким образом , спектральная яркость излучаемого света с частотой$f$от объекта с температурой$T$рассчитывается с использованием$\beta(T) = \frac{2hf^3}{c^2}\frac{1}{e^{\frac{hf}{kT}}-1}$. Для вывода См Закон Планка . Чем выше частота света, тем больше у него энергии, и он выглядит «более синим», а чем ниже частота, тем меньше энергии и он выглядит «более красным».

Вот очень хорошее изображение "света" (свет - это часть спектра, который мы видим (видимый спектр), полный спектр называется электромагнитным спектром, но для простоты назовем его просто светом) спектра:

Вот очень хорошая диаграмма излучаемого света с длиной волны$\lambda$от объекта с температурой$T$(в кельвинах). (ПРИМЕЧАНИЕ: для света с частотой$f$, длина волны$\lambda = \frac{c}{f}$где$c$это скорость света)

2) С концепцией «Цветовая температура» в Википедии. Говорят 1700К для спичечного пламени. Но 15 000–27 000 К для ясного голубого неба к полюсу.

Это меня смущает. Небо кажется голубым, значит ли это, что оно жаркое? Но это неправильно? Холоднее. Я не уверен, смогу ли я его правильно сформулировать. Это немного сбивает меня с толку.

Это что-то вроде светящегося объекта или отражающего объекта? Солнце белое, а Земля голубая. Но солнце горячее земли. Это солнце излучает свет, а Земля просто рассеивает его.

Вы можете рассчитать спектральную яркость . Спектральное излучение похоже на (спектральное излучение не является полной интенсивностью, это просто интенсивность) интенсивность излучаемого света с частотой$f$от объекта с температурой$T$(в кельвинах) излучаемого света от объекта с температурой$T$(в кельвинах), используя это уравнение:

Позвольте мне порекомендовать статью в Википедии о цветовой температуре , но предупрежу вас, что, хотя эта статья довольно хороша, она говорит несколько вводящих в заблуждение вещей, и, как обычно, вы можете посетить библиотеку или провести более обширное онлайн-исследование. Если вы хотите изучить математику того, как соотносятся цвет и температура в тепловом излучении, посмотрите прекрасную статью о законе смещения Вина . (Спойлер: это пиковая длина волны света = константа / температура или пиковая частота света = другая, но связанная константа * температура)

1) Если один объект кажется синим, а другой красным. Это не всегда означает, что синий объект горячее красного? Это верно?

Это точно правильно. На самом деле, большинство цветов, которые мы видим вокруг себя в ходе обычной жизни, не соотносятся с температурой таким образом. Физики обнаружили, что спектр излучения, испускаемого объектом, коррелирует с температурой объекта. Если объект достаточно горячий, он излучает видимый свет. Цветовая температура, о которой мы здесь говорим, — это температура, при которой идеальный (черный) излучатель будет излучать излучение той же средней частоты.

Если да, то как это так? Большая часть света, который мы на самом деле видим вокруг себя, не является тепловым; его цвет обусловлен различиями в свойствах различных материалов. Например, молекулы воздуха над нашими головами рассеивают синий свет примерно в восемь раз быстрее, чем красный свет, поэтому мы видим насыщенный синий цвет. Чтобы получить свет от чисто теплового источника, который был бы в каком-то среднем смысле «одинаково синим», вам нужно было бы нагреть этот источник примерно в четыре раза до температуры фотосферы нашего Солнца.

Единственными источниками тепла, которые вы видите в повседневной жизни, являются такие вещи, как провода тостера или нагревательные змеевики духовки, которые раскаляются докрасна, Солнце и неподвижные звезды, а также лампы накаливания.
Все, что вы видите в отраженном свете (включая планеты и Луну, а также почти все, что вы видите на Земле, что не раскалено докрасна и не горячее), или рассеянный свет (например, голубое небо), или различные виды нетеплового излучения. (лазеры, светодиоды, люминесцентные лампы, молнии). Даже открытое пламя — свет свечи и огня — не является тепловым, свеча и близко не имеет температуры в тысячи градусов, на которую, казалось бы, указывает ее цвет; Если вы хотите увидеть, как работают тепловые цвета, хороший способ — понаблюдать за работой стеклодувов и заглянуть через маленькое окошко в их печь.

Если вы используете инфракрасные камеры или защитные очки, вы можете увидеть тепловое излучение от таких объектов, как люди или деревья, или теплый выхлоп автомобиля. Найдите в поисковой системе или в библиотеке «тепловизионные изображения», и вы найдете несколько изображений, на которых теплые вещи показаны яркими, а более холодные — более темными. Помните, что цвета, которые вы видите на таких изображениях, являются «ложными», вы не можете видеть эти цвета своими глазами, хотя вы можете чувствовать их на своей коже, а некоторые животные, такие как гадюки, могут «видеть» их непосредственно с помощью адаптированных органов чувств. к инфракрасному свету.

Примечание.
Как ни странно, когда люди говорят о «цветовой температуре», они могут иметь в виду несколько разных вещей, в частности:

1. коррелированная цветовая температура (CCT), то есть температура, до которой нужно нагреть черное тело (идеальный тепловой излучатель), чтобы излучать свет того же среднего цвета.

2. Какая-то «воспринимаемая цветовая температура», которая варьируется в зависимости от того, кто выполняет сопоставление цвета/температуры. Обычно это кажется бегущим назадиз CCT, так что красный и оранжевый являются «горячими» цветами, а синий, пурпурный и зеленый называются «холодными» цветами, но это не обязательно должна быть простая обратная карта; например, красный можно назвать «теплым», а оранжевый - «горячим», зеленый - «прохладным», а синий - «холодным». Не существует универсального списка того, как люди оценивают цвета психологически или художественно с точки зрения температуры, на самом деле, согласно визуальным дизайнерам, есть «теплые серые» и «холодные серые», которые даже не вписываются в шкалу CCT. Это означает, что если вы читаете книгу, в которой говорится о горячих или холодных цветах, у вас может не быть реального способа узнать, какой цвет это означает, если вы не выберете его из контекста в этой конкретной книге.

Кроме того, люди видят цвет совсем иначе, чем простой анализатор спектра; наше видение сильно зависит от фона и истории. Та же самая частота, которая кажется нам желтой в одном контексте, может казаться зеленой или оранжевой в другом контексте: прочитайте «восприятие цвета» как тему, чтобы узнать больше об этом.

Небо кажется голубым, значит ли это, что оно жаркое?

Нет, здесь ваши сомнения вполне оправданы. Голубое небо не является тепловым источником света. На самом деле, присваивать ей тепловую температуру немного неискренне, поскольку есть другой способ измерить «температуру неба» с помощью телескопа, который дает гораздо более разумный ответ. (Вы наводите телескоп на участок неба и ставите в фокус нечто вроде термометра - уверяю вас, таким образом вы не получите 27000 градусов для участка голубого неба, но вы получите правильную температуру для Солнца .) Было бы лучше просто сказать: «Если вы измерите профиль интенсивности света в зависимости от частоты для света от этого участка голубого неба, пиковая интенсивность будет бла-бла, которая окажется такой же, как пиковая частота света. испускаемый чисто тепловым излучением звезды, температура поверхности которой составляет 25 000 градусов по Цельсию, разве это не интересно?»

Обратите внимание, что свет действительноимеют измеримую температуру еще одним способом, который зависит как от средней частоты света, так и от того, насколько «термализован» свет. В этом смысле свет от тепловых источников, таких как Солнце или печь, имеет именно ту температуру, о которой вы читали, прежде чем задать вопрос, но свет от других источников обычно «холоднее». Флуоресцентный свет был бы «холодным», а лазерный свет «чрезвычайно холодным». Это чувство на самом деле является наиболее последовательным и полезным известным мне способом говорить о свете и температуре, но мало кто использует его, кроме людей, которые действительно используют или изучают атомную физику или лазерную физику. Я полагаю, что в будущем он, вероятно, станет более популярным, и тогда люди будут гораздо реже говорить запутанные и глупые вещи о температуре голубого неба и так далее.

На странице Википедии, посвященной цветовой температуре, говорится: «Цветовая температура источника света — это температура идеального излучателя черного тела , который излучает свет, сравнимый по оттенку с оттенком источника света». То есть идеальный самый черный из черных объектов. Представьте себе кусок вулканической породы — обычно он очень черный и выглядит черным, но он испускает спектр инфракрасного излучения из-за эффекта черного тела. Но это еще не все — оно может отражать свет, может иметь свой цвет, может иметь массу других вещей, которые не подпадают под категорию «идеального черного тела», и в этом случае законы не действуют. отлично] применить.

1. Если одно абсолютно черное тело кажется «более горячим по оттенку», чем другое, то оно горячее. Однако, если объекты не являются идеально черными телами (например, ярко-красное игрушечное ведро по сравнению с ярко-синей игрушечной лопаткой), этот закон не применяется. Самый простой способ, которым объекты могут получить свой цвет, — это поглощать весь свет, который не имеет этого цвета. Такая вещь называется пигментом . Но если вы продолжите спрашивать, «как это приобретает свой цвет» (мыльные пленки, призмы, почему кривая черного тела такая, какая она есть), вы обнаружите, что все усложняется и существует множество разных способов .

2. Вы правы с солнцем. См. эту демонстрацию: Уолтер Левин, Из любви к физике . (Есть также демонстрация с сигаретным дымом ранее в лекции). Атмосфера рассеивает синий свет, и он попадает в наши глаза. Атмосфера не$27000\mbox{K}$.