Kann ein kühlerer Körper im Vakuum Infrarotstrahlung auf einen wärmeren Körper ausstrahlen?

Ich habe Vakuum erwähnt, weil ich die Auswirkungen von Leitung oder Konvektion außer Acht lassen möchte. Ich möchte einfach nur wissen, ob ein Teil der Infrarotstrahlung (IR) vom kühleren Körper zum heißeren Körper geht? Woher weiß jeder Körper, wie viel er zu einem bestimmten Zeitpunkt ausstrahlen muss? Ich gehe davon aus, dass es letztendlich auf Temperaturunterschiede ankommt, aber woher weiß der heißere Körper, wie hoch die Temperatur des kühleren Körpers ist und umgekehrt? Wir alle wissen, dass beide Körper IR mit der 4. Potenz ihrer Temperatur ausstrahlen und offensichtlich irgendwann im Gleichgewicht miteinander sein werden, wobei jeder von ihnen dann die gleiche Menge an einander ausstrahlt.

Hallo, willkommen bei Physics SE! Ich habe das Quantenmechanik-Tag herausgeschnitten, weil ich es nicht für relevant hielt. Wenn es einen bestimmten Grund gab, warum dieses Tag eingefügt wurde, können Sie es gerne wieder hinzufügen, aber stellen Sie sicher, dass Sie einen kurzen Satz darüber einfügen, wie relevant es ist.

Antworten (5)

Ja, beide Körper strahlen, auch der kühlere. Je wärmer es ist, desto mehr Leistung gibt es in seiner Strahlung ab, proportional zu T 4 genau wie du sagst. Die Strahlungsmenge hängt von der absoluten Temperatur ab, nicht von der Temperaturdifferenz. Da aber der kältere Körper eine niedrigere absolute Temperatur hat, strahlt er weniger ab als der heiße, und das Endergebnis ist, dass Wärme vom wärmeren Körper zum kühleren fließt.

Außerdem: Sie strahlen ein anderes Spektrum aus.
Es ist auch der gleiche Prozess für die Wärmeleitung. Wärme fließt in beide Richtungen, aber mehr in eine Richtung als in die andere.
@EricDuminil mathematisch. Aber körperlich? Wie würde das aussehen? Eine Wärmedifferenz ist ein Energiegradient, wie würde eine Strömung aussehen?
@DonQuiKong Temperature beschreibt eine Geschwindigkeitsverteilung. Einige Partikel des kühleren Körpers sind schneller als die Partikel des heißeren Körpers, mit denen sie in Kontakt kommen. Auf makroskopischer Ebene fließt die Wärme jedoch eindeutig in eine Richtung. Hoffe es macht Sinn.
@EricDuminil oh du meinst, wenn sie direkten Kontakt haben und nicht Luft als unendlich großer Tiefpassfilter. Na dann könntest du recht haben. Irgendwie. Aber es ist nicht „derselbe Vorgang“, denn der Rückfluss hängt von der Überlappung der Verteilungen ab, während er bei Strahlung unabhängig ist.
@DonQuiKong, deshalb habe ich nur Leitung und nicht Konvektion erwähnt. Ich bin mir nicht ganz sicher. Es könnte eine interessante Frage sein, wenn es nicht bereits auf dieser Seite existiert.
@DonQuiKong Der Strahlungsaustausch hängt vom Spektrum, Emissionsgrad, Reflexionsvermögen und der Absorption beider Körper ab.
@EricDuminil ah, ja, Leitung, du hast recht, sorry. Die Strahlung hängt davon indirekt ab. Ein Körper strahlt, ob der andere existiert oder nicht. Leitung ... also, lässt ein sich langsamer bewegendes Teilchen Energie zu einem schnelleren Teilchen „fließen“? Wenn ja, ist es unabhängig, wenn nein, hängt es davon ab, wie viele Teilchen von a schneller sind als einige von b. Es ist eine Frage der Definition, denke ich. Mathematisch können Sie es einfach unabhängig berechnen, physikalisch ...

Kann ein kühlerer Körper Infrarotstrahlung auf einen wärmeren Körper ausstrahlen?

Ja, der kühlere Körper strahlt entsprechend seiner Temperatur, wie Sie erwähnt haben, und ein Teil dieser Strahlungsenergie könnte vom wärmeren Körper absorbiert werden.

Dies hängt vom Prozentsatz der kühleren Körperstrahlung ab, der der wärmere Körper ausgesetzt ist, und von der Fähigkeit des wärmeren Körpers, diese Strahlung zu absorbieren (im Gegensatz zu reflektieren oder zu übertragen).

offensichtlich werden sie schließlich miteinander im Gleichgewicht sein, wobei jeder von ihnen dann eine gleiche Menge an einander abstrahlt.

Dies könnte nur der Fall sein, wenn die gesamte Strahlungsenergie zwischen den beiden Körpern hin und her springt und nicht abgestrahlt wird. Wenn ein Teil der Energie abgestrahlt würde, wäre es schwieriger vorherzusagen, wie sich die Temperaturen der Körper ändern würden, ohne alle relevanten Details zu kennen, aber schließlich wäre die Temperatur beider Körper Null.

„irgendwann wäre die Temperatur beider Körper Null“: Wobei schließlich eine wirklich lange Zeit (potentiell unendlich lang) ist, da der kosmische Mikrowellenhintergrund bei etwa 2,7 K liegt. Da sich dieser aber auch mit der Expansion des Universums abkühlt, dies wird auch asymptotisch gegen Null gehen (ohne jedoch jemals Null zu sein).

Woher weiß jeder Körper, wie viel er zu einem bestimmten Zeitpunkt ausstrahlen muss?

Sie tun es nicht. Wenn Sie davon ausgehen, dass beide Körper „schwarz“ sind, das heißt, sie strahlen aufgrund ihrer Temperatur elektromagnetische Wellen ab, wie sie durch die Schwarzkörper-Strahlungsgleichungen beschrieben werden , dann tun sie dies, weil die Natur so ist.

[...] woher kennt der heißere Körper [..] die Temperatur [...] des kühleren Körpers und umgekehrt?

Nochmals: Die Körper sind bezüglich der emittierten Strahlung voneinander unabhängig. Wenn der kältere Körper heiß genug ist, um überhaupt IR-Strahlung auszusenden, wird er dies unabhängig von anderen Körpern in seiner Umgebung tun.

Ich denke nicht, dass diese Antwort ganz genau ist, also habe ich sie abgelehnt. Laut physical.stackexchange.com/questions/395266/… wurde der nullte Hauptsatz der Thermodynamik nicht als absolutes Gesetz bewiesen.
Ich verstehe nicht die verknüpfte Frage/Antwort oder wie sie mit dieser Frage/Antwort verbunden sind, aber idc.
Das bedeutet, dass es wahrscheinlich keine Möglichkeit gibt, die Temperatur so zu definieren, dass ein bestimmter Stoff immer eine höhere Temperatur hat, wenn er eine höhere innere Energie hat, und zwei Stoffe im thermischen Gleichgewicht immer die gleiche Temperatur haben. Wenn sich Wasser im thermischen und Löslichkeitsgleichgewicht mit Hexan und Quecksilber befindet, bedeutet dies möglicherweise nicht unbedingt, dass sich Hexan und Quecksilber im thermischen und Löslichkeitsgleichgewicht miteinander befinden.

Ich stimme den Antworten von @Ricky Tensor und @VF zu, aber eine detailliertere Antwort lautet "es gibt mehrere Szenarien". Es hängt ab von:

  • Wie viel Gesamtstrahlung emittiert jeder Körper
  • Wie viel jeder Körper von der Strahlung eines anderen Körpers absorbiert (wie nah sie sind, wie reflektieren sie)
  • Wie hoch ist die Abkühlgeschwindigkeit für jeden Körper (abhängig von ihren Wärmeübertragungseigenschaften von innen nach außen)

Wenn beispielsweise Körper A weniger Strahlung aussendet als Strahlung vom heißeren Körper B absorbiert, kühlt Körper A nicht. Seine Temperatur wird stattdessen steigen, bis seine Strahlung gleich der absorbierten Strahlung wird.

Auch wenn Körper A kühl ist, aber langsam seine Temperatur verliert und Körper B sehr heiß ist, aber schnell abkühlt, kann es einen Moment geben, in dem Körper B kühler wird als A.

Aber in jedem Fall verlieren beide Körper A und B ihre Temperatur langsamer als ohne einen anderen Körper.

Ich glaube, Ihre Fragen beruhen auf einem Missverständnis der beteiligten Physik.

Das IR, das ein Körper ausstrahlt, hängt von seiner absoluten Temperatur ab , NICHT von der Temperaturdifferenz , die er in Bezug auf einen anderen Körper haben könnte! Daher kennen die fraglichen Körper die Temperatur des anderen Körpers nicht (und müssen sie auch nicht kennen).

Ihre Aussage, dass IR von der 4. Potenz seiner Temperatur abhängt, ist fast richtig. Sie haben nicht die absolute Temperatur gesagt, und dies könnte die Quelle der Verwirrung sein?

Es ist nicht offensichtlich , dass beide Körper irgendwann die gleiche Temperatur erreichen würden! Dies liegt daran, dass sie sich nicht in einem geschlossenen System befinden .

Nehmen wir als Beispiel die Sonne und die Erde.

Die Sonne ist heißer, aber sie strahlt den größten Teil ihrer Energie von der Erde weg .

Obwohl die Erde kühler ist, strahlt sie aufgrund ihrer inneren Kerntemperatur und der Energie, die sie von der Sonne erhält, auch IR aus. Ein großer Teil dieser Energie wird auch von der Sonne weg abgestrahlt.
Werden beide Körper irgendwann die gleiche Temperatur erreichen? Aus Gründen, die wir alle kennen, ist es höchst unwahrscheinlich!