Schwarz und Weiß sind wichtig. Aber warum und wie?

Ich weiß, dass Schwarz Wärme leitet, während Weiß sie reflektiert.

Der korrekte Begriff lautet "Schwarz absorbiert Licht, während Weiß es reflektiert".

Wir haben Lichtfarben benannt, die wir im sichtbaren Spektrum sehen.

Weiß reflektiert den größten Teil der aus dem sichtbaren Spektrum fallenden Energie, Schwarz absorbiert sie. Wenn die Lichtenergie absorbiert wird, wird sie in Wärme umgewandelt. Jedes schwarz lackierte Material absorbiert diese Wärme weiter und seine Temperatur wird erhöht, aber es hängt vom Material ab, wie weit die Wärme übertragen wird. Wenn es sich um schwarz lackiertes Metall handelt, ist Metall ein guter Wärmeleiter und verteilt die Energie schnell auf den ganzen Körper.

Aber es sind schließlich Farben.

Sie verändern die Oberflächeneigenschaften von Materialien, auf die sie gestrichen werden, und verändern damit die Fähigkeit zur Absorption und Emission von Strahlung.

Die von der Sonne kommende Energie deckt ein viel größeres elektromagnetisches Spektrum ab als das sichtbare. Das Sichtbare hat etwa die Hälfte der Energie, die von der Sonne auf der Oberfläche kommt, wie im Link zu sehen ist.

Eine Metalltür in der Sonne überträgt also die Wärme des sichtbaren Spektrums an den Innenraum, wenn sie schwarz gestrichen ist, reflektiert sie zurück und hält den Innenraum kühler, wenn sie weiß gestrichen ist. Ein guter Grund, in heißen Ländern Dächer und Wände weiß zu streichen. Auch aus diesem Grund ist ein weißes Auto in heißen Ländern besser.

Es ist nicht immer sicher, dass den Farbeigenschaften (Absorption/Reflexion) der unsichtbare Teil des Sonnenspektrums folgt, Infrarot oder Ultraviolett. Jeder Lack muss auf seine Reaktion auf die auftreffende Strahlung untersucht werden, um effizient für den Wärmeschutz eingesetzt zu werden.

Du hast es rückwärts. Sie kommen aus der Sichtweise, dass Schwarzsein etwas Gutes zum Absorbieren von Strahlung und Weißsein etwas Schlechtes macht, und fragen sich, warum das so sein sollte. Es ist genau umgekehrt: Strahlung (insbesondere sichtbares Licht) gut zu absorbieren, macht etwas schwarz; Strahlung schlecht absorbieren (dh gut reflektieren) macht etwas weiß.

Nun, Sie können sich fragen, was etwas gut oder schlecht beim Absorbieren von Strahlung macht, aber das ist eine ganz andere Frage.

Aber soweit ich weiß, haben Farben keine besondere "Substanz" in sich, die eine plötzliche Wärmeaufnahme oder -reflexion auslösen könnte.

Diese Aussage scheint der Kern Ihrer Verwirrung zu sein, und sie ist falsch.

Wenn Sie ein Objekt schwarz oder weiß oder in einer anderen Farbe anmalen, beschichten Sie dieses Objekt mit einer dünnen Schicht einer Substanz, die tatsächlich bestimmte Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung absorbiert und andere reflektiert. Die Farbe, die Sie sehen, ist eine Folge der Beschichtung, die dies tut, und welche Farbe vollständig von der chemischen Zusammensetzung der Farbe abhängt.

Nun, Wärme ist keine elektromagnetische Strahlung. Wärme ist eine zufällige molekulare Bewegung, die EM-Strahlung sowohl verursachen als auch durch sie verursacht werden kann. Alle Wellenlängen der EM-Strahlung können Wärme übertragen, aber einige sind darin besser als andere. Infrarotlicht wird manchmal als Wärmestrahlung bezeichnet, da es Wärme in unserer vertrauten Umgebung auf der Erdoberfläche besonders gut überträgt, da viele Substanzen, die in dieser Umgebung vorkommen, diese stark absorbieren. Insbesondere schwarze Farbe (== Farbe, die alle dem „sichtbaren Licht“ entsprechenden EM-Wellenlängen stark absorbiert) wird wahrscheinlich auch Infrarotlicht absorbieren.

Und schließlich muss Wärme nicht durch elektromagnetische Strahlung übertragen werden. Wärme kann auch durch Leitung zwischen zwei Objekten in direktem Kontakt übertragen werden: Moleküle des heißeren Objekts stoßen zufällig auf Moleküle des kälteren Objekts und übertragen einen Teil ihrer Energie. ¹ Dieser Prozess ist unabhängig davon, welche Wellenlängen der EM-Strahlung vom kälteren Objekt absorbiert werden. Dies ist die Hauptmethode, mit der Farbe ein bemaltes Objekt aufheizt, und deshalb spielt die darunter liegende Farbe des Objekts keine Rolle.

¹ Technisch beinhaltet dieser Prozess auch den Austausch "virtueller" Photonen, aber dies ist ein Detail, das bei makroskopischen Objekten normalerweise ignoriert wird.

Ich glaube, dass es in dieser Frage einige unvollständige / falsche Annahmen gibt: Die Massenwärmeleitfähigkeit eines Metalls wird durch eine Oberflächenbeschichtung nicht beeinflusst; Die Reaktion auf Strahlungswärme wird jedoch beeinträchtigt.

Dieser Teil des Unterschieds in der thermischen Reaktion auf Strahlungserwärmung beruht auf der Gleichheit von Emissionsvermögen und Absorptionsvermögen: Weiße Materialien absorbieren wenig und geben daher wenig Strahlung ab, dunklere Materialien hingegen absorbieren und geben mehr elektromagnetische Strahlung ab. Sie können sehen, dass dies der Fall sein muss, wenn Sie überlegen, die Objekte in einen "Schwarzkörper-Hohlraum" zu bringen, der auf einer festen Temperatur gehalten wird. Sobald das Objekt die Gleichgewichtstemperatur erreicht hat, muss für jede Energiemenge, die von der Schwarzkörperstrahlung absorbiert wird, die den Ofen füllt, eine gleiche Energiemenge emittiert werden. Also Absorptionsvermögen = Emissionsvermögen.

Ich weiß, dass Schwarz Wärme leitet, während Weiß sie reflektiert.

Schwarze Gegenstände "leiten keine Wärme". Schwarze Gegenstände absorbieren einfallende Strahlung im sichtbaren Bereich. Ebenso reflektieren weiße Gegenstände keine Wärme. Sie reflektieren einfallende sichtbare Strahlung diffus.

Aber es sind schließlich Farben.

Ja und nein. Ob Schwarz oder Weiß „Farben“ sind, hängt sehr davon ab, was man unter Farbe versteht. Ich verlasse diese Debatte für eine andere Frage. Für den Zweck dieser Frage ist es besser, Schwarz und Weiß als Grauschattierungen zu betrachten als als Farben wie Rot und Blau.

Was ist die Physik dahinter?

Auf diese Frage werde ich ausführlich eingehen. Die Antwort liegt in den Begriffen Emissionsvermögen, Absorptionsvermögen, Reflexionsvermögen und Durchlässigkeit.

• Der Emissionsgrad ist die Fähigkeit eines Objekts, Wärmestrahlung auszusenden, relativ zu der eines idealen schwarzen Körpers.
• Das Absorptionsvermögen ist der Anteil der einfallenden Strahlung, der von einem Objekt absorbiert wird.
• Die Reflektivität ist der Anteil der einfallenden Strahlung, der von einem Objekt reflektiert wird.
• Die Durchlässigkeit ist der Anteil der einfallenden Strahlung, der ein Objekt durchdringt

Die letzten drei (Absorptionsvermögen, Reflexionsvermögen und Durchlässigkeit) zählen vollständig auf, was mit einfallender Strahlung passiert. Sie addieren sich zu 1 (oder zu 100 %, wenn Sie dies in Prozenten wollen). Für den Rest dieser Antwort gehe ich von undurchsichtigen Objekten aus, bei denen die Durchlässigkeit Null ist. Einfallendes Licht für undurchsichtige Objekte wird entweder absorbiert oder reflektiert, in dem Verhältnis, das durch das Absorptionsvermögen und das Reflexionsvermögen des Objekts (die sich zu eins addieren) bestimmt wird.

Reflexionsvermögen und Absorptionsvermögen erklären zum Teil, warum schwarze Objekte heißer werden als weiße. Ein perfekt schwarzes Objekt absorbiert die gesamte einfallende sichtbare Strahlung, während ein perfekt weißes Objekt die gesamte einfallende sichtbare Strahlung reflektiert. Da es kein perfekt schwarzes oder perfekt weißes Objekt gibt, absorbieren alle Objekte einfallende sichtbare Strahlung bis zu einem gewissen Grad. Allerdings absorbieren schwarze Objekte wesentlich mehr einfallende sichtbare Strahlung als weiße.

Die Kehrseite der Medaille ist der Emissionsgrad. Ein Objekt gelangt schließlich in ein thermisches Gleichgewicht, wobei die von der einfallenden Strahlung absorbierte Energie gleich der als ausgehende Strahlung emittierten Energie ist. Die ausgehende Strahlung ist eine Funktion des Emissionsgrads des Objekts$\epsilon$, es ist Temperatur$T$, und seine Oberfläche$A$, diktiert durch die Stefan-Boltzmann-Gleichung$E_{\text{out}} = A \epsilon \sigma T^4$wo$\sigma$ist die Stefan-Boltzmann-Konstante. Die einfallende Strahlung ist eine Funktion des einfallenden Energieflusses$\phi$, das Absorptionsvermögen des Objekts$\alpha$und sein Querschnitt zur einfallenden Strahlung$A_c$:$E_{\text{in}} = A_c \alpha \phi$. Gleichsetzen und Auflösen nach Temperaturausbeuten$T= \left( \frac {\alpha}{\epsilon} \frac{A}{A_c} \frac{\phi}{\sigma} \right)^{1/4}$.

Beachten Sie, dass nur der erste Faktor im obigen$\frac {\alpha}{\epsilon}$hängt von der Zusammensetzung ab. Die anderen beiden Faktoren repräsentieren die Geometrie ($\frac A {A_c}$) und eingehende Energie ($\frac {\phi}{\sigma}$). Gemäß dem Strahlungsgesetz von Kirchhoff sind Emissionsvermögen und Absorptionsvermögen bei jeder gegebenen Frequenz gleich. Bei einem idealen grauen Körper sind sowohl der Absorptionsgrad als auch der Emissionsgrad unabhängig von Frequenz und Temperatur konstant. Das Verhältnis$\frac {\alpha}{\epsilon}$ist einer für einen perfekten grauen Körper. Alle perfekten grauen Körper mit der gleichen Geometrie und der gleichen einfallenden Strahlung erreichen schließlich die gleiche Gleichgewichtstemperatur.

Wir brauchen also etwas anderes, um zu erklären, warum schwarze Objekte heißer werden als weiße. Die Antwort liegt in der Tatsache, dass Absorptionsvermögen und Emissionsvermögen für reale Objekte frequenz- und temperaturabhängig sind. Ideale graue Körper gibt es nicht. Sie sind schöne Annäherungen , falls zutreffend . "Schwarz" und "Weiß" beziehen sich auf das Reflexionsvermögen (und damit das Absorptionsvermögen) im sichtbaren Bereich. Ein sichtbar weißes Objekt kann im thermischen Infrarot sehr schwarz sein. Ein Objekt, das sichtbar weiß, aber thermisch schwarz ist, erwärmt sich nicht so stark wie ein Objekt, das sichtbar und thermisch schwarz ist.