Temperatur einer sich in der Sonne erwärmenden Kugel (mittlerer Emissionsgrad der Kugel unbekannt)

Ich hänge bei folgender Übung fest:

Stellen Sie sich eine mattweiß lackierte Aluminiumkugel mit einem Emissionsgrad von vor ϵ = 0,10 bei sichtbaren Wellenlängen u ϵ = 0,95 bei Wellenlängen länger als 5   μ M . Diese Kugel umkreist die Sonne und erhält einen Energiefluss von R S u N = 1330  Wm 2 . Finden Sie die stationäre Temperatur der Kugel. Ermitteln Sie die Spitzenwellenlänge der abgestrahlten Energie und bestimmen Sie deren Wert ϵ sollte zur Berechnung der abgestrahlten Energie verwendet werden.

Jetzt habe ich zuerst erkannt, dass die Kugel mit Radius R empfängt die Strahlung der Sonne nur auf einer Fläche von π R 2 während er in der Lage ist, Strahlung über seine gesamte Fläche zu emittieren 4 π R 2 . Der von der Kugel abgegebene Leistungsfluss sollte also ein Viertel des empfangenen Leistungsflusses betragen:

R S P H e R e = 332,5  Wm 2

Viel weiter komme ich aber nicht. Ich möchte die Temperatur weiter berechnen, zum Beispiel mit R = ϵ A v G σ T 4 , aber der durchschnittliche Emissionsgrad ist abhängig von der Temperatur und ich weiß es nicht einmal ϵ für die meisten Wellenlängen, also ist das nicht wirklich eine Option. Die einzige andere relevante Gleichung, die ich kenne, ist das Plancksche Gesetz:

D R D λ = 2 π H C 2 λ 5 ϵ exp ( H C / k λ T ) 1

Aber ϵ ist nur für sichtbares Licht und Wellenlängen größer als 5 Mikrometer gegeben. Ich dachte darüber nach, die Lücke zwischen denen mit einer linearen Funktion wie folgt zu approximieren:

ϵ = { 0,1 0 < λ < 750 N M 0,2 λ / μ M 0,05 750 N M < λ < 5 μ M 0,95 5 μ M < λ

aber selbst damit weiß ich nicht, wie ich das Plancksche Gesetz verwenden könnte, um die Temperatur zu berechnen. Irgendwelche Ideen werden sehr geschätzt.

„Also sollte der von der Kugel abgegebene Leistungsfluss ein Viertel des empfangenen Leistungsflusses betragen:“ Warum sagst du das? Wenn dies eine Gleichgewichtssituation ist, dann Power in = Power out.
@RobJeffries Ja, die Leistungsabgabe ist gleich der Leistungsaufnahme. Der Leistungsfluss wird jedoch in Leistungseinheiten pro Fläche angegeben. Wir haben den Leistungsfluss der Sonne angegeben, mit dem wir die von der Kugel aufgenommene Leistung rechnerisch berechnen können P = R S u N π R 2 . Und jetzt strahlt die Kugel genau dieselbe Kraft in alle Richtungen aus, also über eine Fläche von 4 π R 2 , was zu einem Leistungsfluss von führt R S P H e R e = P / 4 π R 2 = R S u N / 4 . Dieser Kraftfluss nimmt natürlich ab, je weiter man sich von der Kugel entfernt. Ich gebe den Wert an der Oberfläche an.
Ich denke, dass die Antwort von KM dies gut anspricht, aber wenn Sie eine bessere Lösung gefunden haben, können Sie Ihrer eigenen Frage jederzeit eine zusätzliche Antwort hinzufügen. Sie können auch sehen, wie frühe Raumfahrzeuge dieses Problem in der Praxis gehandhabt haben in Are black and white stripes any better than uniform grey for thermal control? und auch Warum waren Europas erste Satelliten so stilvoll? Warum die ausgeprägten abwechselnd weißen und schwarzen Streifen?

Antworten (1)

Ich denke, die Idee ist, dass es eine sehr geringe Wellenlängenüberlappung zwischen den Strahlungskurven der Sonne und der Kugel gibt (vielleicht müssen Sie dafür ein Argument liefern), sodass Sie sie separat behandeln können. Sie müssen gleichsetzen (unter Berücksichtigung des Faktors vier) R = ϵ A v G σ T 4 für die Temperatur der Sonne und den optischen Emissionsgrad und für die (unbekannte) Temperatur und den Infrarot-Emissionsgrad der Kugel.

Das denke ich auch.