Черное и белое имеет значение. Но почему и как?

Я знаю, что черный цвет проводит тепло, а белый его отражает.

Правильный термин "черный поглощает свет, а белый отражает его".

Мы назвали цвета света, который мы видим в видимом спектре.

Белый отражает большую часть энергии, падающей из видимого спектра, черный ее поглощает. Когда энергия света поглощается, она превращается в тепло. Любой материал, окрашенный в черный цвет, будет дополнительно поглощать это тепло, и его температура будет повышаться, но от материала будет зависеть, насколько далеко передается тепло. Если это металл, окрашенный в черный цвет, металл является хорошим проводником тепла и быстро распределяет энергию по всему телу.

Но ведь это цвета.

Они изменяют свойства поверхности материалов, на которые наносятся, изменяя тем самым способность поглощения и испускания излучения.

Энергия, исходящая от солнца, покрывает гораздо больший электромагнитный спектр , чем видимый. Видимый имеет около половины энергии, исходящей от солнца на поверхности, как видно по ссылке.

Таким образом, металлическая дверь на солнце будет передавать тепло видимого спектра в интерьер, если она окрашена в черный цвет, будет отражать его обратно и сохранять прохладу в интерьере, если она будет окрашена в белый цвет. В жарких странах это хороший повод для окрашивания крыш и стен в белый цвет. По этой же причине белая машина лучше подходит для жарких стран.

Не всегда есть уверенность в том, что за цветовыми свойствами (поглощением/отражением) следует невидимая часть солнечного спектра, инфракрасная или ультрафиолетовая. Каждая краска должна быть изучена с точки зрения ее реакции на падающее излучение, чтобы ее можно было эффективно использовать для теплозащиты.

У тебя наоборот. Вы исходите из того, что черный цвет хорошо поглощает излучение, а белый делает его плохим, и спрашиваете, почему это должно быть так. Все как раз наоборот: способность хорошо поглощать излучение (в частности, видимый свет) делает что-то черным; плохое поглощение излучения (то есть хорошее его отражение) делает что-то белым.

Теперь вы можете спросить, что делает что-то хорошим или плохим при поглощении радиации, но это совсем другой вопрос.

Но, насколько мне известно, в цветах нет никакого особого «вещества», которое могло бы вызвать внезапное поглощение тепла или его отражение.

Это утверждение, по-видимому, является сутью вашего замешательства, и оно ложно.

Когда вы красите объект в черный, белый или любой другой цвет, вы покрываете этот объект тонким слоем вещества, которое фактически поглощает определенные длины волн электромагнитного излучения и отражает другие. Цвет, который вы видите, является следствием того, что покрытие делает это, и какой цвет полностью зависит от химического состава краски.

Итак, тепло — это не электромагнитное излучение. Тепло — это случайное молекулярное движение, которое может как вызывать, так и быть вызвано электромагнитным излучением. ЭМ-излучение всех длин волн может передавать тепло, но у некоторых это получается лучше, чем у других. Инфракрасный свет иногда называют тепловым излучением, потому что он особенно хорошо передает тепло в знакомой нам среде на поверхности Земли, потому что многие вещества, содержащиеся в этой среде, сильно его поглощают. В частности, черная краска (== краска, которая сильно поглощает все длины волн ЭМ, соответствующие «видимому свету»), вероятно, также будет поглощать инфракрасный свет.

И, наконец, тепло не обязательно должно передаваться электромагнитным излучением. Тепло также может передаваться теплопроводностью между двумя объектами, находящимися в прямом контакте: молекулы более горячего объекта случайным образом сталкиваются с молекулами более холодного объекта и передают часть своей энергии. ¹ Этот процесс не зависит от того, какие длины волн электромагнитного излучения поглощаются более холодным объектом. Это основной способ, с помощью которого краска нагревает окрашенный объект, и именно поэтому основной цвет объекта не имеет значения.

¹ технически этот процесс также включает обмен «виртуальными» фотонами, но это деталь, которая обычно игнорируется для макроскопических объектов.

Я считаю, что в этом вопросе есть некоторые неполные/неправильные предположения: на объемную теплопроводность металла не повлияет поверхностное покрытие; однако это повлияет на его реакцию на радиационное нагревание.

Эта часть различия теплового отклика на радиационный нагрев основана на равенстве коэффициентов излучения и поглощения: белые материалы мало поглощают и, следовательно, излучают мало излучения, и, наоборот, более темные материалы поглощают и излучают больше электромагнитного излучения. Вы можете видеть, что это должно быть так, если рассмотреть помещение объектов в «полость черного тела», поддерживаемую при фиксированной температуре. Как только объект достигает равновесной температуры, на каждое количество энергии, поглощенное излучением черного тела, заполняющим печь, должно быть испущено такое же количество энергии. Таким образом, поглощающая способность = излучательная способность.

Я знаю, что черный цвет проводит тепло, а белый его отражает.

Черные предметы не «проводят тепло». Черные объекты поглощают падающее излучение в видимом диапазоне. Точно так же белые предметы не отражают тепло. Они диффузно отражают приходящее видимое излучение.

Но ведь это цвета.

Да и нет. Черный или белый являются «цветами», во многом зависит от того, что вы подразумеваете под цветом. Я оставлю эту дискуссию для другого вопроса. Для целей этого вопроса лучше смотреть на черный и белый как на оттенки серого, а не как на такие цвета, как красный и синий.

Какая физика стоит за этим?

Вот на этом вопросе я остановлюсь подробно. Ответ заключается в понятиях излучательной способности, поглощающей способности, отражательной способности и пропускаемости.

• Коэффициент излучения — это способность объекта излучать тепловое излучение по сравнению с идеальным черным телом.
• Поглощающая способность — это доля падающего излучения, поглощаемая объектом.
• Отражательная способность — это доля падающего излучения, отраженная объектом.
• Коэффициент пропускания — это доля входящего излучения, проходящая через объект.

Последние три (поглощающая способность, отражательная способность и пропускающая способность) полностью перечисляют то, что происходит с поступающим излучением. Они добавляются к 1 (или к 100%, если хотите, в процентах). В остальной части этого ответа я буду предполагать непрозрачные объекты, коэффициент пропускания которых равен нулю. Входящий свет для непрозрачных объектов либо поглощается, либо отражается в соотношении, определяемом поглощающей способностью и отражательной способностью объекта (которые складываются в единицу).

Отражающая и поглощающая способности частично объясняют, почему черные объекты нагреваются сильнее, чем белые. Совершенно черный объект поглощает все падающее видимое излучение, а идеально белый объект отражает все падающее видимое излучение. Поскольку не существует идеально черного или идеально белого объекта, все объекты в той или иной степени поглощают поступающее видимое излучение. Однако черные объекты поглощают значительно больше падающего видимого излучения, чем белые.

Обратная сторона медали — коэффициент излучения. Объект в конечном итоге придет к тепловому равновесию, при этом энергия, поглощаемая входящим излучением, будет равна энергии, испускаемой в виде уходящего излучения. Исходящее излучение зависит от коэффициента излучения объекта.$\epsilon$, это температура$T$, а это площадь поверхности$A$, определяемое уравнением Стефана Больцмана$E_{\text{out}} = A \epsilon \sigma T^4$куда$\sigma$– постоянная Стефана Больцмана. Входящее излучение является функцией входящего потока энергии$\phi$, поглощающая способность объекта$\alpha$и это поперечное сечение входящего излучения$A_c$:$E_{\text{in}} = A_c \alpha \phi$. Приравнивание и решение для температурных выходов$T= \left( \frac {\alpha}{\epsilon} \frac{A}{A_c} \frac{\phi}{\sigma} \right)^{1/4}$.

Обратите внимание, что только первый фактор в приведенном выше,$\frac {\alpha}{\epsilon}$зависит от состава. Два других фактора представляют собой геометрию ($\frac A {A_c}$) и поступающей энергии ($\frac {\phi}{\sigma}$). Согласно закону излучения Кирхгофа коэффициенты излучения и поглощения на любой заданной частоте равны. Для идеального серого тела как поглощательная, так и излучательная способности постоянны и не зависят от частоты и температуры. Соотношение$\frac {\alpha}{\epsilon}$один для идеального серого тела. Все совершенные серые тела с одинаковой геометрией и при одинаковом падающем излучении в конечном итоге достигнут одной и той же равновесной температуры.

Поэтому нам нужно что-то еще, чтобы объяснить, почему черные объекты нагреваются сильнее, чем белые. Ответ заключается в том, что поглощательная и излучательная способности реальных объектов зависят от частоты и температуры. Идеальных серых тел не существует. Это хорошие приближения , если применимо . «Черный» и «белый» относятся к отражательной способности (и, следовательно, поглощающей способности) в видимом диапазоне. Объект, видимый белым, может быть очень черным в тепловом инфракрасном диапазоне. Объект, который визуально белый, но термически черный, не будет нагреваться так сильно, как объект, который визуально и термически черный.