Warum werden nur Infrarotstrahlen als "Wärmestrahlen" klassifiziert?

Der Infrarotbereich ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums , der hauptsächlich für die Strahlungswärmeübertragung in unserem täglichen Leben verantwortlich ist. Sie drückt sich darin aus, dass der Peak der Planck-Verteilung bei Raumtemperatur im Infrarotbereich liegt:

Planck-Strahlung hat ein Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge, die von der Körpertemperatur abhängt. Beispielsweise sendet ein Körper bei Raumtemperatur (~300 K) Wärmestrahlung aus, die größtenteils infrarot und unsichtbar ist. Bei höheren Temperaturen nimmt die Menge an Infrarotstrahlung zu und kann als Wärme gefühlt werden, und es wird mehr sichtbare Strahlung emittiert, sodass der Körper sichtbar rot leuchtet. Bei höheren Temperaturen ist der Körper hellgelb oder blauweiß und gibt erhebliche Mengen kurzwelliger Strahlung ab, einschließlich ultravioletter und sogar Röntgenstrahlen. Die Oberfläche der Sonne (~6000 K) gibt große Mengen sowohl infraroter als auch ultravioletter Strahlung ab; seine Emission hat ihren Höhepunkt im sichtbaren Spektrum.

Elektromagnetische Wellen mit etwas höheren Frequenzen als Infrarot sind sichtbares Licht. Obwohl sie auch Wärme transportieren, werden sie daher hauptsächlich mit den Informationen identifiziert, die wir durch unsere Augen erhalten.

Niederfrequente elektromagnetische Wellen im Funkspektrum sind weniger energiereich und daher weniger wichtig.

Erläuterung
In der Thermodynamik/statistischen Mechanik ist Wärme die Energie, die auf mikroskopischer Ebene von einem System auf ein anderes übertragen wird (im Gegensatz zu Arbeit , die auf makroskopische Änderungen zurückzuführen ist). In diesem Fall ist ein Objekt in Kontakt mit Strahlung. Wärmestrahlen sind kein physikalischer Begriff, sie sollten nicht wörtlich als „wärmetragende Strahlen“ interpretiert werden. Aber der Grund, warum wir diesen Begriff verwenden, um Infrarotstrahlung zu beschreiben, ist der, den ich oben angegeben habe.

Anmerkung zur Energieerhaltung
Die absorbierte Strahlungsenergie hängt nicht nur von der Energie der Photonen gegebener Frequenz ab,$h\nu$, sondern auch von der Anzahl der Photonen,$n_\nu$, dh die absorbierte Energie bei einer gegebenen Frequenz ist

Tragen nicht alle Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung Energie?

Ja. Und diese Photonenenergie$E$wird von gegeben

Wo$h$= Plancksche Konstante und$\nu$= Frequenz.

Aber nicht alle Frequenzen interagieren auf die gleiche Weise mit Materie.

Gemessen daran, wie stark Gammastrahlen durchdringen und gefährlich sind, wenn sie von Geweben absorbiert werden

Sehr wenig der Energie von Gammastrahlen wird von Gewebe absorbiert, dh Gewebe ist grundsätzlich für Gammastrahlen transparent. Sie können sogar mehrere Zentimeter Blei durchdringen. Aber wenn sie menschliches Gewebe passieren, kann die absorbierte Energie Ionisationen verursachen, die Gewebe und DNA schädigen. Aus diesem Grund spricht man von ionisierender Strahlung.

... Strahlungen mit niedrigeren Wellenlängen sollten mehr Energie tragen und in der Lage sein, die innere Energie des Objekts, das sie absorbiert, viel stärker zu erhöhen als Infrarotstrahlen.

Ja, aber die Menge an Energie, die tatsächlich absorbiert wird, hängt von der Frequenz ab. Laut der Hyperphysics-Website ( http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod3.html ) bezüglich der Wechselwirkung von Strahlung mit Materie:

„Wenn Sie sich in der Frequenz von Infrarot zu sichtbarem Licht nach oben bewegen, absorbieren Sie (die Energie) immer stärker. Im unteren Ultraviolettbereich wird das gesamte UV der Sonne in einer dünnen äußeren Schicht Ihrer Haut absorbiert. Wenn Sie sich bewegen weiter oben im Röntgenbereich des Spektrums werden Sie wieder transparent, weil die meisten Absorptionsmechanismen weg sind. Sie absorbieren dann nur einen kleinen Bruchteil der Strahlung, aber diese Absorption beinhaltet die heftigeren Ionisationsereignisse.

Warum werden dann UV-Strahlen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen nicht als "Wärmestrahlen" klassifiziert?

Bei Röntgen- und Gammastrahlen liegt das daran, dass sie nicht wie Infrarot mit der Haut interagieren, nämlich kein Wärmegefühl auf der Haut erzeugen.

Der Fall von UV ist etwas komplexer. Sie spüren die UV-Strahlung nicht direkt. Aber laut der FDA.gov-Website,

„Wenn UV-Strahlen Ihre Haut erreichen, schädigen sie Zellen in der Epidermis. Als Reaktion darauf erhöht Ihr Immunsystem die Durchblutung der betroffenen Bereiche. Die erhöhte Durchblutung verleiht Sonnenbrand seine charakteristische Rötung und lässt die Haut sich warm anfühlen. "

Hoffe das hilft.

Ich denke, "Wärmestrahlen" ist ein sehr lockerer und informeller Begriff, also nehmen Sie ihn nicht zu streng. Die Verwendung rührt wahrscheinlich von der Tatsache her, dass die meisten Objekte eine Temperatur haben, die hauptsächlich IR emittiert. Um sichtbar zu emittieren, muss es sehr heiß sein, wie Stahl in einer Schmiede. Aus diesem Grund sind Nachtsicht- oder "Wärmesicht" -Kameras so konstruiert, dass sie IR erkennen.

Ja, es ist ein bisschen irreführend, aber es ist informell. Es ist die Abkürzung für „die Strahlen, die wir nicht sehen, aber oft als Wärme empfinden“. Ich stimme zu, dass es Verwirrung stiften kann. Ein Großteil der Wärme, die wir von der Sonne erhalten, liegt in Form von sichtbarem Licht vor, und wenn Sie also glauben, dass Infrarot für die Übertragung von Wärme „verantwortlich“ ist, haben Sie eine ungenaue Sichtweise.

Natürlich kann auch andere EM-Strahlung Dinge aufheizen, aber wir spüren selten Wärme von ihnen, und wenn, dann ist es eine schlechte Sache. Hochenergetische Röntgenstrahlen können Gewebe erhitzen, ebenso wie Mikrowellen, aber wir versuchen, solche Belastungen zu vermeiden. Wenn Sie also im Alltag Wärme spüren, die von einem heißen Gegenstand ausgeht (aber die Umgebungsluft ist nicht so heiß), dann „sieht“ Ihre Haut helles Infrarot.

Wärme ist das, was Sie auf Ihrer Haut spüren, keine Energie. Wahrscheinlich wurden Sie irgendwann einmal geröntgt. Sie haben viel Energie, aber haben Sie Hitze gespürt?

Es ist einfach eine Frage der Wahrnehmung und der Sprache. Wir nehmen (einen Teil) des Infrarotspektrums als Wärme wahr, während wir das sichtbare Spektrum als Licht wahrnehmen.

Hier ist ein Experiment, das Sie leicht ausprobieren könnten. Finden Sie eine altmodische 60-Watt-Glühlampe, die neben dem sichtbaren Licht auch viel Infrarot aussendet. Legen Sie Ihre Hand ein paar Zoll/cm davon entfernt. Du spürst Hitze, nicht wahr? Nehmen Sie nun eine LED-Lampe, die die gleichen Lumen sichtbaren Lichts ausstrahlt, und halten Sie Ihre Hand im gleichen Abstand. Ich wette, du spürst überhaupt keine Hitze, oder? Das liegt daran, dass die Glühbirne sehr wenig Infrarot aussendet.

Wenn Sie beispielsweise nach „Emissionsspektrum von LED-Lampen“ suchen, finden Sie weitere Details darüber, welche Art von Strahlung LED-Lampen und andere Lichtquellen abgeben.

Ich komme zu spät zur Party, habe aber das Gefühl, dass noch einige Punkte geklärt werden müssen.

IR ist aufgrund von 2 Inhaltsstoffen der effizienteste Heizmechanismus für organische Stoffe:

1. Es wird resonant von Phononen absorbiert,

2. Der phononische Beitrag zur spezifischen Wärme und damit zur inneren Energie der Materie unter normalen Bedingungen ist dominant.

Sichtbares Licht wird auch von Materie absorbiert, was zu Valenz-Leitungsbandübergängen durch Elektronen führt. Obwohl die jeweilige Photonenenergie größer ist ($h\nu_\mathrm{viz}\gg h\nu_\mathrm{IR}$), ist der Nettoeffekt wegen des Unterschieds in der spezifischen Wärme von Elektronen und Phononen sehr klein. Dies lässt sich wieder auf zwei Punkte zurückführen:

1. Zum großen Massenverhältnis$M/m_e\gg1$.$M$ist die Masse der Kerne,$m_e$ist die Elektronenmasse.

2. In organischen Materialien gibt es fast keine freien beweglichen Elektronen.

Einige Ausnahmen von diesen Argumenten verdeutlichen die Dinge weiter: In Metallen ist bei sehr kleinen Temperaturen der elektronische Beitrag zur inneren Energie größer als der phononische Beitrag. Warum? Wieder wegen zwei Punkten:

1. Es gibt freie Elektronen.

2. Phononen werden eingefroren (z. B. wie durch das Debye-Modell vorhergesagt). Die spezifische Wärme von Elektronen variiert wie$T$(linear mit der Temperatur, während die spezifische Wärme von Phononen als$T^3$(auf der Grundlage des Debye-Modells für$T\ll T_D$, unterhalb der Debye-Temperatur$T_D$).

Aber auch Metalle lassen sich aufgrund von Reflexionen mit sichtbarem Licht nicht effizient erwärmen. Dies hat mit typischen elektronischen Konzentrationen zu tun$n$was so ist, dass die dominierende Absorption von Metallen im UV-Frequenzbereich (Plasmonen) oder sogar noch darunter liegt$d$-$d$Übergänge. Mit zunehmender Photonenenergie beginnt sehr bald die Ionisation zu dominieren. Photoionisierte Elektronen können das System im Prinzip aufheizen, aber wir befinden uns hier in einem völlig anderen Regime.

Es gibt nette Antworten von @rogervadim und @bobd, und ich denke, ich muss ein nettes Beispiel hinzufügen, warum, wie Sie sagen, die Klassifizierung von nur IR als Wärmestrahlen eine Fehlbezeichnung ist.

Mein Lieblingsbeispiel sind die glühenden heißen Metallstücke, die ein größeres Spektrum an Strahlungswärmeübertragung aussenden, einschließlich IR und sichtbar. Das heiße Metall versucht auf jede erdenkliche Weise, ein thermisches Gleichgewicht mit seiner Umgebung zu erreichen, und dazu gehört auch die Emission von sichtbarem (außer IR natürlich) Licht. Ich glaube, es ist, wie Sie sagen, eine Fehlbezeichnung, da Sie in diesem Beispiel schön sehen können, wie das Objekt Wärme einschließlich sichtbarem Licht abgibt, sodass es nicht korrekt ist, nur IR als Wärmestrahlen zu klassifizieren. Richtig ist zu sagen, dass, weil unser Universum grundsätzlich quantenmechanisch ist, die an der Wärmeübertragung beteiligten Prozesse letztendlich auch auf QM basieren (aber sicherlich einige klassisch erklärt werden können), und einer der grundlegenden Gründe, warum QM „erfunden“ wurde die UV-Katastrophe, wie Sie den anderen Antworten entnehmen können,

Aber die ultimative Antwort ist, dass Strahlungswärmeübertragung Licht mit anderen als IR-Wellenlängen, einschließlich sichtbarem Licht, enthalten kann (und manchmal tut), so dass es nicht korrekt ist, Strahlungswärmeübertragung ausschließlich als IR zu klassifizieren.

Alles Licht trägt Energie

Sie haben völlig Recht damit, dass alle Formen elektromagnetischer Strahlung Energie tragen, und Sie können sich auf Bobs Antwort für die technischen Details beziehen. Es ist auch ziemlich falsch, dass nur Infrarotstrahlung Dinge erwärmt, aber in den weit verbreiteten Missverständnissen steckt etwas Wahres, also lassen Sie uns die Dinge aufschlüsseln.

Ich werde darüber sprechen, wie verschiedene Frequenzen (und ihre entsprechenden Wellenlängen) mit Ihrem Körper interagieren und woher sie kommen könnten.

Meine Zahlen werden ungefähr sein, da ich versuche, eine Vorstellung davon zu vermitteln, was passiert, keine genauen Werte oder Namen.

Radiowellen

Radiowellen sind wirklich ein ziemlich weit gefasster Begriff, der von Wellen von nur wenigen Hz bis in den GigaHerzbereich reicht. Beginnen wir am unteren Ende.

Sehr lange Funkwellen

Bei Frequenzen bis 1 kHz beträgt Ihre Wellenlänge mindestens 300 km (300 Mm/s / 1000 /s). Das bedeutet, dass Ihr Körper im Vergleich zu der darüber laufenden Welle völlig unbedeutend ist. Es interagiert kaum damit. Um mit diesen effizient zu interagieren, ist etwas in der Größenordnung eines Planeten erforderlich. Ihre wichtigste natürliche Quelle sind Blitzeinschläge.

Immer noch lange Funkwellen

Mit einem Sprung um mehrere Größenordnungen bis 1 MHz betragen die Wellenlängen immer noch mindestens 300 m. Ihr Körper interagiert immer noch nicht wirklich damit, da er mehr als 2 Größenordnungen kleiner ist.

Kürzere Funkwellen und Mikrowellen

Wenn wir bis zu 1 GHz gehen, beginnen wir, in den Bereich der Mikrowellenstrahlung einzudringen, obwohl es immer noch richtig ist, sie als Radiowellen zu bezeichnen. Die Wellenlängen können bis zu 0,3 m (30 cm) kurz werden, und wir sind nicht weit von der Frequenz des typischen Mikrowellenofens (2,45 GHz, mit einer Wellenlänge von etwa 12,5 cm) entfernt.

Wenn Sie diesen Frequenzbereich durchlaufen, beginnen sie, mehr und mehr mit menschlichen Körpern zu interagieren. Sie haben vielleicht bemerkt, wie die Signale von Fernsehen und Radio durch Ihre bloße Anwesenheit in der Nähe der Antenne beeinflusst werden. Die Energiemenge ist jedoch eher gering, und wenn sie mit Ihnen interagieren, wird die abgegebene Energie über Ihren ganzen Körper verteilt, sodass Sie sie nicht auf Ihrer Haut spüren.

Mikrowellen

Bis 1 THz schrumpft die Wellenlänge auf 0,3 mm (300$\mu m$). Wird hauptsächlich für drahtlose Kommunikation mit hoher Bandbreite und Radar verwendet und beginnt, in den Frequenzbereich einzudringen, der hauptsächlich mit Ihrer Haut interagiert, und Sie werden es tatsächlich spüren. Die Geschichte besagt, dass die Verwendung von Mikrowellen zum Erhitzen von Speisen von einem Radaringenieur entdeckt wurde, dessen Schokoriegel schmolz, als er vor eine Antenne ging. Das ist jedoch ein sehr hohes Leistungsniveau, und Sie werden diese normalerweise nicht außerhalb eines Mikrowellenofens antreffen.

Der kosmische Mikrowellenhintergrund liegt bei 160 GHz und ist ein Schwarzkörper-Emitter bei etwa 3 Kelvin.

Infrarot

Ich verlangsame unsere Schritte jetzt ein wenig, da viele interessante Veränderungen beginnen, sich zu ereignen.

Fernes Infrarot

Für unsere Zwecke definieren wir "fernes Infrarot" als alles bis zu 100 THz (Wellenlängen bis 3$\mu m$). Wie kurze Mikrowellen interagieren diese mit Ihrer Haut, und im Gegensatz zu Mikrowellen steigen die damit verbundenen Schwarzkörpertemperaturen auf etwa 80 Grad Celsius und übersteigen die menschliche Körpertemperatur.

Wenn die Schwarzkörperemission um die vierte Potenz der Temperatur ansteigt, beginnt dies, erhebliche Mengen an Energie zu erfordern, und hier beginnt man, die Anwesenheit von warmen Dingen zu spüren.

Da dieser Bereich auch die meisten Temperaturen umfasst, denen wir normalerweise begegnen, verwenden Wärmebildkameras ihn.

Alles in allem ist es nicht verwunderlich, dass es häufig als "thermisches Infrarot" bezeichnet wird.

Mittleres und nahes Infrarot

Nicht allzu viel ändert sich, wenn die Frequenz auf 430 THz (700 nm) ansteigt, außer dass die Schwarzkörpertemperaturen auf etwa 4 Kilokelvin ansteigen und die beteiligten Strahlungsenergien weiterhin um die vierte Potenz der Temperatur zunehmen. Dies ist das Zeug, das Sie fühlen, wenn Sie sich in der Nähe eines Feuers oder einer Glühbirne befinden.

Ein Teil dieses Sortiments wird für Wärmebildkameras verwendet, die Hochtemperatur-Wärmequellen verfolgen sollen, typischerweise die Wärmekraftmaschinen, die Panzer, Jets und Raketen antreiben.

Sichtbares Licht

Bis 750 THz nimmt die Wellenlänge weiter bis auf etwa 400 nm ab. Im Vergleich zum nahen Infrarot ändert sich nicht allzu viel, aber es gibt einige bemerkenswerte Punkte.

• Etwa die Hälfte der Sonnenenergie, die die Erdoberfläche erreicht, liegt in diesem Bereich, ähnlich wie die Menge an Infrarotenergie.
• Es wird von der Haut ähnlich wie Infrarot absorbiert. Es ist sicher nicht so, dass es sich um eine ganz andere Art von Strahlung handelt.
• Die beteiligten Schwarzkörpertemperaturen ähneln denen der Sternenoberfläche, weshalb die Farben der Sterne meist diesen Bereich abdecken.
• Die Photonenenergien beginnen, groß genug zu werden (in der Größenordnung von 1 Elektronenvolt (eV)), um interessante Dinge zu tun. Dies, zusammen mit der Tatsache, dass die Atmosphäre in diesem Bereich sehr transparent ist, ermöglicht Dinge wie Lichtrezeptoren und Augen. (Infrarot-'Augen' neigen dazu, lokalisierte Erwärmung zum Erfassen zu verwenden, was viel größere "Pixelgrößen" erfordert)

Ultraviolett

Ultraviolett wird so genannt, weil es jenseits von Violett liegt: Wir können es nicht sehen. Wenn die Frequenzen zunehmen, beginnen sich mehr Dinge zu ändern.

Bis zu 1 PHz (300 nm) können Menschen es möglicherweise nicht sehen, aber das bedeutet nicht, dass andere Tiere es nicht können.

Über 1,5 PHz (kürzer als 200 nm) steigt die atmosphärische Absorption plötzlich an, wenn die Photonenenergie hoch genug wird, um Sauerstoff zu ionisieren. Bei noch höheren Frequenzen werden sie auch mit Stickstoff interagieren.

Mit zunehmender Photonenenergie steigt die Anzahl der Moleküle, die die Photonen brechen können, was das Risiko von Schäden und Sonnenbrand erhöht, obwohl kein ultraviolettes Licht völlig sicher zu sein scheint.

Die Lichtleistung der Sonne im Ultravioletten fällt ziemlich schnell ab, wenn wir ihre Schwarzkörpertemperatur überschreiten.

Ultraviolettes Licht wird immer noch größtenteils von der Haut absorbiert, aber wenn sich Ihre Haut durch ultraviolette Strahlung warm anfühlt, bekommen Sie schnell einen schrecklichen Sonnenbrand.

Sobald wir 30 PHz (10 nm) überschreiten, überschreiten wir die eher willkürliche Schwelle

Röntgenstrahlen

Röntgenstrahlen beginnen „weich“, was bedeutet, dass sie nicht viel durchdringen und stark von der Luft absorbiert werden, aber wenn die Frequenzen zunehmen, werden die Wellenlängen kürzer und die Photonenenergie nimmt zu. Bei etwa 10 keV (120 pm, 12,5 EHZ) beginnt die Eindringtiefe 1 mm zu überschreiten und geht in das Gebiet der "harten Röntgenstrahlung" über. Harte Röntgenstrahlen dringen tiefer ein und ermöglichen es ihnen, ihre Energie über Ihre Haut hinaus zu verteilen. Auch hier sollten Sie sich wegen der tödlichen Dosis ionisierender Strahlung, die Sie gerade erhalten haben, Sorgen machen, wenn Sie hierdurch Hitzeeffekte spüren.

Gamma Strahlen

Der Unterschied zwischen Röntgenstrahlen und Gammastrahlen liegt in ihrem Ursprung: Röntgenstrahlen werden durch elektronische Prozesse erzeugt, während Gammastrahlen durch nukleare Prozesse erzeugt werden. Ihre Energiebereiche überlappen sich, aber ein typisches Gammastrahl-Photon könnte bei 300 EHz (1 pm, 1,25 MeV) liegen. Sie verhalten sich ähnlich wie harte Röntgenstrahlen, aber bei höherer Energie noch mehr.

Abschluss

Alles Licht trägt Energie, aber in der typischen menschlichen Erfahrung werden Sie nur Infrarot- und sichtbares Licht als signifikant erwärmend empfinden. Das sichtbare Licht wird typischerweise auch von Infrarotlicht begleitet, daher ist es nicht verwunderlich anzunehmen, dass die Wärme (nur) vom Infrarotlicht getragen wird.

Wenn Sie jedoch in die Sonne gehen und ihre Einstrahlung von 1 kW/m^2 spüren, ist etwa die Hälfte der Energie, die Sie aufheizt, tatsächlich sichtbares Licht, nicht Infrarot.

Wenn Sie eine Wärmebildkamera verwenden, messen Sie außerdem tatsächlich ein bestimmtes Band auf Infrarotlicht, und es gibt mehrere solcher Bänder, je nachdem, wonach Sie suchen. (Tiere und ihre Umwelt oder die Abgase von Wärmekraftmaschinen)

Das liegt daran, dass sie von Gegenständen ausgestrahlt werden, die wir im täglichen Leben als heiß betrachten. Unsere Haut reagiert empfindlich auf diese, sodass wir Verbrennungen vermeiden können. Außerdem erkennen wir das Ausbleiben von Hitzewellen als Kälte, sodass wir eine Unterkühlung vermeiden können.