Frage:
Warum tritt Wärmestrahlung nur bei infraroten und sichtbaren Frequenzen auf?
BoddTaxter
2016-12-09 10:25:19 UTC
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Die Ressourcen, die ich überprüft habe, scheinen zu sagen, dass Wärmestrahlung nur im infraroten und sichtbaren Spektrum auftritt.Zum Beispiel mein Wärmeübertragungslehrbuch und die Wikipedia-Seite zum Emissionsgrad.

In meinen Augen ist Wärmestrahlung nur Energie, die infolge interner Temperaturkollisionen abgegeben wird.Da die Temperatur zwischen 0 K und großen Zahlen liegen kann, würde ich denken, dass Sie einen ähnlichen Bereich emittierter Energien haben.Dann könnte Wärmestrahlung im gesamten elektromagnetischen Spektrum auftreten.

Zusätzlich zu den vorhandenen Antworten ist darauf hinzuweisen, dass die * Energie * der langwelligen (Mikrowellen-) Strahlung, die von der Erde (oder dem Mond oder der Sonne) emittiert wird, im Vergleich zu der Energie, die bei höheren Frequenzen emittiert wird, vernachlässigbar istEine messbare Größe, die eindeutige Informationen für Anwendungen wie Wetter- und Klimamessungen liefern kann und tut.Wie [Floris 'Antwort] (http://physics.stackexchange.com/a/297609/6319) zeigt, fällt die Energie am oberen Ende des Spektrums ** viel schneller ** ab, so dass das Gegenteil nicht der Fall ist;;Keine IR-Messungen des Weltraums oder des UV der Erde.
Der Hinweis des Wikipedia-Artikels zum Emissionsgrad ist irreführend.Die Autoren wollen nicht sagen, dass Wärmestrahlung * ausschließlich * sichtbar oder infrarot ist, sondern dass beide enthalten sind;Es wird darauf hingewiesen, dass einige Quellen * sichtbare * zu * thermischer * Strahlung kontrastieren (z. B. viele Erdfernerkundungsterminologien), obwohl im Wesentlichen die gesamte sichtbare Strahlung, die wir sehen, auch thermischen Ursprungs ist.
Diese Frequenzen sind sichtbar, * weil * sie die Frequenz der von der Sonne emittierten Wärmestrahlung sind.
Vier antworten:
hdhondt
2016-12-09 10:53:45 UTC
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Sie haben Recht. Wärmestrahlung kann überhaupt eine Frequenz haben; es hängt von der Temperatur des strahlenden Körpers ab. Die meisten Körper im Universum haben jedoch Temperaturen, die sie dazu bringen, den größten Teil ihrer Strahlung im sichtbaren oder infraroten Teil des Spektrums zu emittieren.

Wenn es sich bei dem fraglichen Körper um einen " schwarzen Körper" handelt (der die gesamte auf ihn fallende elektromagnetische Strahlung absorbiert) und sich im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung befindet, wird ein " schwarzer Körper" emittiert Strahlung ". Das korrekte Spektrum der Schwarzkörperstrahlung wurde zuerst von Planck berechnet. Es zeigt, dass ein schwarzer Körper bei allen Frequenzen strahlt, jedoch mit einer Spitze bei der Frequenz, die von der Temperatur abhängt. Die Sonne zum Beispiel mit einer Temperatur von $ 5800 \: \ mathrm {K} $ erreicht Spitzenwerte im gelben bis grünen Teil des sichtbaren Spektrums. Seine messbare Strahlung erstreckt sich jedoch weit in den IR- und UV-Teil des Spektrums.

Sehr heiße Sterne leuchten im UV-Bereich und sogar im Röntgenbereich des Spektrums stärker.

Ein weiteres Beispiel für Schwarzkörperstrahlung ist der Cosmic Microwave Background. Bei einer Temperatur von $ 2,75 \: \ mathrm {K} $ erreicht der CMB Spitzenwerte im Mikrowellenteil des Spektrums bei $ 160 \: \ mathrm {GHz} $.

Ein interessantes terrestrisches Beispiel: Sie müssen Sonnenschutzmittel oder einen ähnlichen UV-Schutz tragen, während Sie Platin schmelzen.Der Schmelzpunkt von Platin ist heiß genug, um einen angemessenen Anteil seiner Strahlung im UV-Bereich abzugeben, sodass Sie einen Sonnenbrand bekommen können!
Das Wolframfilament einer gewöhnlichen Glühbirne erzeugt genug UV-Strahlung, um potenziell schädlich zu sein.Die Glashülle filtert das UV heraus.Man kann jedoch Glühlampen mit Quarzhüllen kaufen.In diesem Fall gibt es oft eine zweite Glashülle.Eine Glühkalibrierungsquelle, die ich einmal verwendet habe, erforderte eine vollständige Körperbedeckung einschließlich Handschuhen und Gesichtsschutz, um sich vor UV-Strahlung zu schützen.
@CortAmmon Außerdem gibt es keine Ozonschicht zwischen Ihnen und dem Platin.Es ist also noch schlimmer als die Sonne.
@CortAmmon Identische Bedenken gelten für alle, die Lichtbogenschweißen durchführen, insbesondere im Hinblick auf den Schutz [ihrer Augen] (https://en.wikipedia.org/wiki/Photokeratitis).
Whit3rd
2016-12-09 11:04:33 UTC
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Bei den Temperaturen, denen wir normalerweise begegnen (wo Feststoffe und Flüssigkeiten vorhanden sind), hat die Wärmestrahlung hochenergetische Helligkeitsgrenzen, die durch das Plancksche Gesetz und das Stefan-Boltzmann-Gesetz festgelegt sind.Bekommen Eine signifikante UV-Strahlung (höher als die Frequenzen des sichtbaren Lichts) eines festen Materials muss so heiß sein wie das Wolframfilament in einer Halogenlampe oder die Gase der Photosphäre der Sonne.Oder heißer.

Die Erdatmosphäre ist für hohe UV-Energien (die sogenannten) nicht transparent "Vakuum ultraviolett" Bereich), so dass Erdlinge wenig Wärmestrahlung jeglicher Art über dem Bereich von sichtbarem Licht und nahezu sichtbarem UV finden.Natürlich emittieren viele Objekte energiearme Strahlung (Ferninfrarot bis Millimeterwelle, Mikrowelle bis Hochfrequenz), aber sie dominiert nur bei sehr niedrigen Temperaturen.Ein üblicher Heizungsheizkörper überträgt mehr Wärme durch Luftkonvektion als durch Strahlung

Floris
2016-12-09 21:06:34 UTC
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Wenn Sie mit "Wärmestrahlung" "von einem warmen Körper emittierte Schwarzkörperstrahlung" meinen, dann ist die Gleichung, die beschreibt, wonach Sie fragen, das Planck-Gesetz, das die Strahlung als Funktion der Wellenlänge $ \ lambda $ angibt für einen Schwarzkörperkühler bei einer bestimmten Temperatur $ T $:

$$ B (\ Lambda, T) = \ frac {2hc ^ 2} {\ lambda ^ 5} \ frac {1} {e ^ {\ frac {hc} {\ lambda k_B T}} - 1} $$

Strahlung hat Einheiten von $ \ rm {W ~ sr ^ {- 1} m ^ {- 2} m ^ {- 1}} $ - Energie pro Winkelwinkel, pro Flächeneinheit, pro Meter (weil es eine Funktion ist der Wellenlänge). Die Form dieser Verteilung verschiebt sich mit steigender Temperatur in Richtung UV: Der Ort des Peaks wird durch das Wiener Verschiebungsgesetz:

angegeben

$$ \ lambda_ {max} = \ frac {b} {T} $$

Wobei $ b $ die Verschiebungskonstante von Wien ist, gleich 2,8977729 (17) × 10 $ ^ {- 3} $ m K. Dies zeigt, dass sich der Peak mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen verschiebt. *

Ich habe ein kleines Python-Programm erstellt, das das Plancksche Gesetz für verschiedene Temperaturen darstellt. Mithilfe einer logarithmischen Skala können Sie sehen, dass bei allen Wellenlängen "etwas" Energie vorhanden ist, die Kurven jedoch steil abfallen:

enter image description here

Wenn Sie dieses Diagramm mit der linearen Y-Achse wiederholen, sieht es folgendermaßen aus:

enter image description here

Wie Sie sehen können, liegt der Strahlungspeak bei ausreichend hohen Temperaturen (heißer als die Sonnenoberfläche) im UV-Bereich (dh unter 400 nm).

Schließlich ist hier eine lineare Darstellung der Kurven (skaliert auf ihren jeweiligen Maximalwert) für einige extremere Temperaturen - 2041 K (schmelzendes Platin), 5777 K (Sonne), 10.000 K (eine sehr heiße Sonne), 210.000 K. und 1.000.000 K (von Keith McLary vorgeschlagene Werte)

enter image description here

Wie zuvor - die Formen der Kurven bleiben unverändert, aber der Peak bewegt sich nach links (und die Gesamtleistung steigt als $ T ^ 4 $.)

Mit einem Programm wie diesem können Sie solche Kurven selbst erstellen (leicht aktualisierter Code im Lichte von Gerts Vorschlag):

  aus scipy.constants importiert Codaten
importiere numpy als np
importiere matplotlib.pyplot als plt

D = codata.physical_constants

h = D ['Planck-Konstante'] [0]
k = D ['Boltzmann-Konstante'] [0]
c = D ['Lichtgeschwindigkeit im Vakuum'] [0]

def planck (T, l):
    # Berechnen Sie das Planck-Gesetz für eine bestimmte Temperatur und ein Array von Wellenlängen
    p = c * h / (k * l * T)
    Ergebnis = np.zeros (np.shape (l)) + 1e-99
    # Über- / Unterlauf verhindern - nur berechnen, wenn p "nicht zu groß" ist
    calcMe = np.where (p<700)
    Ergebnis [calcMe] = (h * c * c) / (np.power (l [calcMe], 5,0) * (np.exp (p [calcMe]) - 1))
    Ergebnis zurückgeben

# Definieren Sie einen Temperaturbereich
Tbody = np.arange (2000, 12000, 2000)

# Berechnen Sie über einen Wellenlängenbereich - von tiefem UV bis mm
Lvec = np.logspace (1, 6, 500) * 1e-9 # Wellenlängen: 1 nm - 1 mm

plot1 = plt.figure ()
ax = plot1.add_subplot (111)

# Berechnen Sie die Planck-Funktion für jede Temperatur und jedes Diagramm:
für ti, T in enumerate (Tbody):
    r = Planck (T, Lvec)
    ax.plot (Lvec * 1e9, planck (T, Lvec), label = 'T =% d'% T)

# Achsen und Beschriftungen erstellen
plotAs = 'linear' # für log Plot auf 'log' gesetzt
ax.set_xlabel ('Lambda (nm)')
ax.set_ylabel ('Strahlung (W / sr / m ^ 3)')
ax.set_title ('Schwarzkörperspektrum')
ax.legend ()
ylim = (1e-8, 2.5e14) # zur Verdeutlichung des unteren Wertes der Log-Plot-Grenze

# Pfeil in unterschiedlicher Höhe gezeichnet, je nachdem, ob es sich um ein logarithmisches oder ein lineares Diagramm handelt
Pfeilhöhe = 1e-4
if plotAs == 'linear':
    Pfeilhöhe = 5e13

ax.set_ylim (ylim)
ax.plot ([400, 400], ylim, color = 'black')
# Pfeil zeigt von der Linie weg
ax.annotate ('', xy = (1400, Pfeilhöhe), xytext = (400, Pfeilhöhe), Pfeilstützen = diktieren (Gesichtsfarbe = 'schwarz', Schrumpfen = 0,05))
# Text gehört zu einem unsichtbaren Pfeil ...
ax.annotate ('sichtbar und IR', xy = (1400, Pfeilhöhe), xytext = (1400, Pfeilhöhe), Pfeilstützen = diktieren (Gesichtsfarbe = 'Weiß', Kantenfarbe = 'Weiß'))
ax.set_xscale ('log')
ax.set_yscale (plotAs) # linear oder logarithmisch
plot1.show ()
 

* sup> Es ist offensichtlich, warum dies so ist: Die einzige Stelle in der Gleichung, an der $ T $ erscheint, erscheint als $ \ lambda T $. Wenn Sie also T erhöhen, verschiebt sich die gesamte Form der Kurve;;und der Peak wird auf dem gleichen Wert von $ \ lambda T $ liegen.Daraus folgt, dass $ \ lambda \ propto \ frac {1} {T} $

Gute Antwort, aber als Kommentar zur Codeüberprüfung könnte Ihr Code durch Vektorisierung um Größenordnungen schneller sein.Perfekt zur Veranschaulichung, aber in der aktuellen Form möglicherweise nicht für jemanden geeignet, der in einer Situation, in der Geschwindigkeit wichtig ist, in den Produktionscode kopiert und eingefügt werden kann.
@gerrit - danke für den Kommentar.Wie Sie sicher wissen, übertrumpft "klar" "schnell", insbesondere in Beispielen wie diesem - der vektorisierte Code kann Dinge verschleiern, insbesondere für Leute, die mit Python nicht allzu vertraut sind.und die Optimierung des Codes sollte "je nach den Umständen" erfolgen.Ich würde sicherlich nicht erwarten, dass jemand diesen Code (JEDEN Code, den ich auf dieser Site schreibe) kopiert und in einer (Geschwindigkeits-) kritischen Situation verwendet.Aber manchmal ist ein expliziter Haftungsausschluss gut.
@Floris Für das, was es wert ist, bin ich hier ein Mitglied des allgemeinen Publikums, und ich finde vektorisierten Code viel klarer.Für mich ist es schneller, eine Vektornotation zu betrachten und zu verstehen, dass eine Operation auf alle ihre Elemente angewendet wird, als jede Zeile einer Schleife mental zu analysieren. Vielleicht nicht für einen CS-Intro-Studenten, der Fragen zu StackOverflow stellt, aber die meisten Physikstudenten lernen, wie ich glaube, vektorisiert zu programmieren, und viele "wissenschaftliche" Programmiersprachen sind ihrer Natur nach stark vektorisiert.
Okay - Sie gewinnen @gerrit - mit der Unterstützung von jphollowed.Ich habe die innere Schleife (die die Planck-Kurve für eine einzelne Wellenlänge berechnet) vektorisiert.Es ist in der Tat etwa 10x schneller.Ich nutzte die Gelegenheit, um ein paar andere Dinge aufzuräumen.Danke für den Vorschlag.
Ich stimme zu, dass die Vektorisierung es manchmal klarer und manchmal weniger klar macht (insbesondere bei mehrdimensionalen Vektoren, singulären Dimensionen und Rundfunk).In beiden Fällen ist es tangential zur Hauptbotschaft dieser Antwort (dies ist schließlich Physics SE, nicht Stack Overflow oder Code Review).
[Wikipedia] (https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_hottest_stars) listet Sterne bis zu 210.000 K auf. Neutronensterne bis zu 1.000.000 K. Es wäre interessant, die Kurven für diese zu sehen.
@KeithMcClary 100.000 K erreicht einen Spitzenwert von 1/10 der Wellenlänge von 10.000 K (Wiener Gesetz) mit einer 10.000-mal höheren Gesamtintensität (Stefan-Boltzmann-Gesetz).Wenn ich an meinen Computer komme, kann ich die Kurven aktualisieren.
Sean E. Lake
2016-12-09 11:17:21 UTC
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Ja, Strahlung mit jeder Frequenz kann thermisch sein. Das Gas zwischen Galaxien in Clustern ist beispielsweise so heiß, dass es thermisch strahlt Röntgenstrahlen (zig Millionen Kelvin). Auch die Sonne sendet thermische Röntgenstrahlen aus, obwohl ich nicht weiß, welche Kombination davon aus der Scherhelligkeit besteht (dh die Sonne ist so hell, dass sich das schwarzkörperartige Spektrum der Photosphäre zu einem nicht trivialen summiert Anzahl der Röntgenstrahlen) und die extrem heiße Korona ( rund 1 Million Kelvin ) .

Ebenso erhitzen Schweißer Metall nur auf Temperaturen zwischen 5.000 und 20.000 Kelvin ( MIG-Schweißen) Temperaturen , WIG-Schweißtemperaturen ) und wenn sie sich nicht abnutzen Schutz Sie erhalten eine Bräune oder einen Sonnenbrand durch das UV-Licht, das das heiße Metall abgibt (siehe die Diagramme in @ Floris 'Diagramm und suchen Sie in den Internet-Suchergebnissen nach "Schweißbräune").



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