Ray-Sonnenheizung

Die Sonne strahlt ein ganzes Spektrum an Wellenlängen aus, daher wünschen wir uns in diesem Fall ein Material mit geringem Reflexionsvermögen für eine große Bandbreite. Schwarze T-Shirts absorbieren mehr Wärme, weil sie einfach mehr Wellenlängen absorbieren, einschließlich der meisten visuellen, und deshalb erscheinen sie schwarz. Wie wir wissen, ist weißes Licht eine Kombination der Wellenlängen im visuellen Spektrum, daher können wir daraus schließen, dass ein weißes T-Shirt viele Wellenlängen (im visuellen Spektrum) reflektiert. Das Infrarotspektrum (typischerweise Wärme) liegt nahe am visuellen Spektrum.

Die ideale Situation dafür wäre das Modell eines schwarzen Körpers. Ein schwarzer Strahler ist ein Körper, der einfallende Strahlung mit einem Faktor absorbiert$\alpha$das liegt zwischen 0 (keine Absorption) und 1 (volle Absorption) und emittiert dann auch Strahlung mit einem Faktor$\epsilon$zwischen 0 und 1. Damit Sie ein Material haben, das viel Wärme von der einfallenden Strahlung zurückhält, benötigen Sie ein Material mit einem hohen Absorptionsfaktor. Beispielwerte für eine Reihe von Materialien finden Sie unter folgendem Link https://www.engineeringtoolbox.com/solar-radiation-absorbed-materials-d_1568.html

Ich hoffe, das hat Ihre Frage beantwortet.

Die schnelle Antwort ist ... jedes Material mit einem hohen Emissionsgrad. Laut Wikipedia hält Ventablack den Rekord von$\varepsilon = 0.99955$im sichtbaren Bereich. Dieses Material hätte eine höhere Temperatur als jedes andere Material, wenn es der Sonne ausgesetzt würde und nach einer Weile so einen stationären Zustand erreicht. Beachten Sie, dass dies möglicherweise nicht ganz genau ist, denn obwohl der Großteil der Sonnenenergie im sichtbaren Spektrum liegt, befindet sich ein Teil davon im UV- und ein Teil davon im IR-Bereich. Aber grob gesagt gilt das, was ich gesagt habe.

Die längere Antwort ist, dass die Wärmegleichung des Materials ist$\nabla \cdot (\kappa \nabla T) + A\varepsilon(T^4-T_\text{Sun}^4) + \text{convection term} = C_p \frac{\partial T}{\partial t}$. Es stimmt also, dass es zu Beginn des Moments, in dem Sie die Objekte dem Sonnenlicht aussetzen, eine vorübergehende Periode geben kann, in der sich die Temperatur mit der Zeit ändert, nach einer Weile erreicht die Temperatur jedoch eine fast ausschließlich unabhängige Endtemperatur von$C_p$, anders als in der (falschen) Antwort von Árpád Szendrei behauptet wird. In der Tat, in einem Moment$\frac{\partial T}{\partial t}\approx 0K/s$also die$C_p$Terme fallen aus der Gleichung heraus und daher gibt es keine Möglichkeit$T$hängt von diesem Koeffizienten ab.

Fast zum Schluss möchte ich das noch erwähnen$\kappa$kommt zum Tragen, wenn das Material mit einem anderen in Kontakt gebracht wird, wobei die endgültige Temperaturverteilung durch den Kühlkörper (das kontaktierende Material) so beeinflusst wird, dass$\nabla T\neq 0K/m$. Um die endgültige Antwort zu erhalten, müssten Sie also den Versuchsaufbau genau spezifizieren. Im Weltraum erwarte ich, dass die Lösung nur schwach abhängt$\kappa$, weil das gesamte Material nach einer gewissen Zeit ungefähr eine homogene Temperaturverteilung haben wird, und in diesem Fall hängt die Antwort hauptsächlich davon ab$\varepsilon$.

Außerdem stimme ich dem Satz von DakkVader nicht zu

Die ideale Situation dafür wäre das Modell eines schwarzen Körpers.

Ein nettes Gegenbeispiel für eine solche Behauptung ist ein Schwarzes Loch (obwohl nicht gesagt werden kann, dass es sich um ein Material an sich handelt, ist es dennoch ein Schwarzer Körper), das entweder ein perfekter oder ein sehr nahezu perfekter schwarzer Körper ist. Je mehr Licht es absorbiert, desto kälter wird es (es hat eine negative spezifische Wärme). Aber verstehen Sie mich nicht falsch, seine Antwort ist sehr gut, ich bin hier einfach zu pingelig.

Die Antwort von Árpád Szendrei hat ein weiteres Problem. Es konzentriert sich auf den Realteil des Brechungsindex, der bei der Absorption der EM-Wellen (Sonnenlicht) in das Material keinerlei Rolle spielt. In Wirklichkeit ist der Brechungsindex von Metallen komplex, er enthält sowohl einen reellen als auch einen komplexen Teil. Und genau das ist der komplexe Teil, auf den es bei der Absorption in einem Material ankommt. Das heißt, wie die Amplitude der EM-Welle mit der Entfernung von der Oberfläche im Inneren des Materials abnimmt. Im Gegensatz zu DakkVaders guter Antwort enthält die von Árpád Szendrei grobe Ungenauigkeiten, die sie einfach falsch machen.

Um zusammenzufassen:

Wenn das Problem nicht genau spezifiziert ist, hängt die Antwort von der Geometrie des Materials und davon ab, wie es mit seiner Umgebung verbunden ist. Aber nur als Faustregel$\kappa$Und$\varepsilon$spielt eine Rolle (nicht$C_p$). Sie möchten ein Material mit einem Tief finden$\kappa$und hoch$\varepsilon$. Der genaue Wert hängt von der genauen Anordnung ab, in der sich das Material befindet.

Zunächst fragen Sie, welches Metall sich am schnellsten erwärmt:

Ich verstehe, dass Sie nach direktem Sonnenlicht fragen. Jetzt können wir prüfen, wie direkte Wärmeenergie die Temperatur der Metalle erhöht, und diese Messung dann mit dem Brechungsindex der Metalle korrigieren.

Nehmen wir 100-g-Proben von Aluminium, Kupfer, Silber.

100 J Energie erhöhen die Temperatur von:

1. Aluminium bei 1,1 C,

2. Silber 4.2C,

3. Kupfer 2,5 C.

Der Brechungsindex von:

1. Aluminium ist 1,09

2. Silber ist 0,15

3. Kupfer ist 0,46

Basierend auf diesen Informationen, um Ihre Frage zu beantworten, erwärmt sich Silber aufgrund direkter Sonneneinstrahlung am schnellsten.

Sonnenlicht ist weiß, nicht gelb, das ist ein weit verbreiteter Irrglaube. Weißes Licht besteht aus einer Kombination aller Wellenlängen von Photonen, dem gesamten Spektrum. Es gibt kein Photon mit physikalisch weißer Wellenlänge. Unsere Augen nehmen Farben wahr, indem sie Rezeptoren für Photonen mit RGB-, roten, grünen und blauen Wellenlängen haben. Wenn wir weißes Licht sehen, ist das die Kombination all dieser Wellenlängen-Photonen.

Nun, der Grund, warum ein weißes Objekt weiß erscheint, liegt nicht nur daran, dass es alles Licht reflektiert. Dies liegt daran, dass es die meisten Photonen mit sichtbarer Wellenlänge reflektiert, und weil das Sonnenlicht weiß ist, erscheint ein weißes Objekt natürlich weiß, da weißes Licht, das aus einer Kombination aller Photonen mit sichtbarer Wellenlänge besteht, von der Oberfläche reflektiert wird dieses weiße Objekt. Bitte sehen Sie hier, warum weiße Objekte alle weiß sind:

https://physics.stackexchange.com/a/426197/132371

Dies wird Ihnen auch erklären, warum schwarze Objekte schwarz erscheinen. Schwarz bedeutet, dass unsere Augen keine Photonen mit sichtbarer Wellenlänge empfangen. Ein schwarzes Objekt absorbiert fast das gesamte sichtbare Licht und reflektiert oder emittiert kein Licht mit sichtbarer Wellenlänge.

Sie haben Recht, dass sich schwarze Objekte schneller erwärmen (bei gleichem Material), aber das liegt daran, dass sie:

1. absorbieren alles sichtbare Licht und reflektieren kein sichtbares Licht

2. streuen den größten Teil des nicht sichtbaren Lichts unelastisch, und das erzeugt Schwingungsenergie in den Molekülen (erwärmen)

3. fast kein Licht elastisch streuen (dies wäre Reflexion)