Schwarzer Körper vs. Wärmestrahlung

Ich bitte um Klärung folgender Begriffe:

  • Schwarzkörperstrahlung
  • Thermische Strahlung
  • Thermische Lichtquelle

Auf den ersten Blick sind die ersten beiden dasselbe, und sie sind die Strahlung, die der dritte aussendet. Sobald wir sie jedoch strenger definieren, scheinen sie nicht mehr identisch zu sein:

  • Schwarzkörperstrahlung ist ein Gleichgewichtszustand eines Photonengases, aus dem das Plancksche Gesetz ohne Weiteres folgt.
  • Wärmestrahlung ist die von thermischen Lichtquellen abgegebene Strahlung.
  • Thermische Lichtquellen sind Lichtquellen in einem thermischen Gleichgewichtszustand.

Mein Punkt ist, dass die Schwarzkörperstrahlung zwar eine hervorragende erste Annäherung an das von thermischen Lichtquellen emittierte Licht ist, aber nur eine Annäherung. Tatsächlich befindet sich die von einer Glühlampe, einem beheizten Objekt oder einem Stern emittierte Strahlung nicht im Gleichgewicht – andernfalls würde die Quelle genauso viel Strahlung absorbieren, wie sie emittiert, dh sie wäre keine Lichtquelle, sondern ein schwarzer Körper . Darüber hinaus bezieht sich der Begriff thermische Lichtquelle wohl nicht auf die Eigenschaften der Strahlung, sondern auf den Mechanismus der Emission: Das Material der Quelle befindet sich im Zustand des thermischen (Quasi-)Gleichgewichts, aber die Quelle befindet sich nicht im Gleichgewicht mit der Umgebungsstrahlung. Tatsächlich ist dies offensichtlich der Fall für die meisten Lichtquellen, die herkömmlich als bezeichnet werdenthermisch : ein erhitztes Objekt kühlt ab, eine Glühlampe gibt kein Licht ab, wenn ein Strom es nicht kontinuierlich erwärmt, und die Sterne strahlen nur aufgrund der ständigen Energiezufuhr aufgrund von Kernreaktionen weiter.

Zusammenfassend: Es scheint viel Unklarheit darüber zu geben, was in diesem Zusammenhang als thermisch bezeichnet wird . Ich freue mich über klare Definitionen, die vorzugsweise durch Referenzen unterstützt werden.

Bemerkungen Zur Frage, ob BBR ein Gleichgewichtszustand ist und was ein Schwarzer Körper ist : Schwarzkörperstrahlung ist die thermische elektromagnetische Strahlung innerhalb oder um einen Körper im thermodynamischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung, emittiert von einem Schwarzen Körper (einem idealisierten undurchsichtigen, nicht -reflektierender Körper).

Ein Beispiel für eine Lichtquelle im thermischen (Quasi-)Gleichgewicht, aber nicht im thermischen Gleichgewicht mit der Strahlung, ist eine Gaslampe, die Strahlung emittiert, die einem bestimmten atomaren Übergang entspricht.

Aktualisieren
Eine verwandte Frage

Beachten Sie, dass Quellen (wie die Sonne) im thermischen Gleichgewicht sein können, ohne so viel Strahlung zu absorbieren, wie sie emittieren. Aber das erfordert eine alternative Energiequelle.
@ProfRob Wenn Energie von einer Quelle auf Strahlung übertragen wird, würde ich es eher als stationären Zustand als als Gleichgewicht bezeichnen.
Thermodynamisches Gleichgewicht bedeutet nur, dass sich thermodynamische Zustandsvariablen (wie die Temperatur) auf relevanten Zeitskalen nicht ändern.
@ProfRob Dies ist ein stationärer Zustand, nicht unbedingt ein Gleichgewichtszustand. Ich werde darüber nachdenken, sie als separate Frage zu formulieren.
@ProfRob Das thermodynamische Gleichgewicht ist viel statischer als nur das thermische Gleichgewicht. Letzteres erfordert nur eine konstante Temperaturverteilung; Ersteres erfordert, dass der Energiefluss überall verschwindet.
@JánLalinský Dem stimme ich zu. Schwarzkörperstrahlung ist isotrop.

Antworten (2)

Schwarzkörperstrahlung

Ursprünglich kommt Strahlung aus einem schwarzen Körper – einem hypothetischen Körper, der alle ihm in den Weg kommende Strahlung absorbiert, nichts reflektiert und seine eigene Strahlung ausstrahlt. Wenn diese Strahlung in den offenen Raum gestrahlt wird, obwohl sie ein Spektrum der thermodynamischen Gleichgewichtsstrahlung hat, ist sie selbst keine Strahlung im Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts, da ihre Intensität an der Oberfläche des schwarzen Körpers am höchsten ist und mit der Entfernung schwächer wird, also gibt es eine offensichtliche Quelle und offensichtliche Senke der Strahlung. Wenn jedoch ein solcher schwarzer Körper in einem Hohlraum innerhalb eines materiellen Mediums (wie in der Erde oder einem Keramikofen) eingeschlossen wäre, würde die Strahlung im Raum zwischen den beiden Körpern der Gleichgewichtsstrahlung nahe kommen, mit überall gleicher Dichte und gleichem Spektrum.

Thermische Strahlung

Jeder Körper emittiert EM-Strahlung aufgrund seiner geladenen Bestandteile, die ständig den Zustand beschleunigen/ändern. Wenn die Strahlungsmenge in einem Frequenzbereich nur durch thermische Bewegung der den Körper bildenden Teilchen erklärt werden kann, sagen wir, dass Strahlung in diesem Spektralbereich thermisch ist, zum Beispiel rotes Glühen von Stahl, wenn er durch ein Gasfeuer auf ein hohes Niveau erhitzt wird Temperatur oder sichtbares Licht einer Glühbirne. Dies ist der Fall, wenn die Strahlungsintensität kleiner oder gleich der Intensität der Schwarzkörperstrahlung bei derselben Temperatur ist. Der Körper muss sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befinden, um zu sagen, dass seine Strahlung in einem bestimmten Spektralbereich Wärmestrahlung ist; Es reicht aus, dass es eine gut definierte Temperatur hat.

Wenn die Strahlung stärker ist als ein schwarzer Körper bei gleicher Temperatur erzeugen würde (Licht von einer Entladungsröhre wie Neonlicht oder Leuchtstofflampe oder Licht von einer Leuchtdiode oder Licht eines fluoreszierenden Farbstoffs), sagen wir, dass dies nicht rein thermisch ist Strahlung, obwohl sie eine gewisse thermische Komponente haben kann.

Thermische Lichtquelle

Dies ist eine Lichtquelle (sichtbare EM-Strahlung), deren Lichtspektraleigenschaften (im sichtbaren Spektralbereich) nur durch thermische Emission erklärt werden können, dh jeder Körper, der bei gleicher Temperatur weniger oder höchstens so viel strahlt wie ein schwarzer Körper.

Danke. Wenn die Schwarzkörperstrahlung kein Gleichgewichtszustand ist, wird sie dann nur näherungsweise durch das Plancksche Gesetz beschrieben?
Das Plancksche Gesetz ist ein genaues Modell für das Spektrum der Schwarzkörperstrahlung an der Oberfläche des Schwarzkörpers, aber nicht für seine Richtungseigenschaften oder spektralen Eigenschaften weit entfernt vom Schwarzkörper.
Echte Schwarzkörperstrahlung ist isotrop. Das ist: J v = B v . Es befindet sich im vollständigen thermodynamischen Gleichgewicht mit der Materie in seiner Umgebung.
Strahlung im thermodynamischen Gleichgewicht ist isotrop. Die Strahlung eines schwarzen Körpers an jedem Punkt außerhalb des Körpers hat eine Vorzugsrichtung "vom Körper weg". Sie verwechseln diese beiden Konzepte.
Sie können von außerhalb eines Schwarzen Körpers keine echte Schwarzkörperstrahlung sehen, sondern nur grobe Annäherungen daran wie die solare Photosphäre oder eine Wolframfadenlampe. Die Kavität mit Lochnäherung funktioniert nur, wenn das Loch so klein ist, dass es die Isotropie der Strahlung in der Kavität nicht stört. Wir müssen uns innerhalb des Schwarzkörpers befinden, um isotrope Schwarzkörperstrahlung zu erhalten - wie das Innere der Sonne oder der kosmische Mikrowellenhintergrund.
@ProfRob en.wikipedia.org/wiki/No_true_Scotsman Sie verallgemeinern die Strahlung eines schwarzen Körpers in Strahlung im thermodynamischen Gleichgewicht.
Ich denke, was an der üblichen Behandlung der Schwarzkörperstrahlung irreführend ist, ist, dass sie als im thermodynamischen Gleichgewicht mit dem Schwarzkörper angesehen wird. In den meisten realen Beispielen fließt ein Fluss zwischen zwei schwarzen Körpern bei unterschiedlichen Temperaturen. Weil der Temperaturunterschied so groß ist, können wir die Senke ignorieren und die Strahlung durch die Temperatur der Quelle beschreiben.
Geben Sie uns also das Beispiel eines Schotten, der Zucker auf seinen Brei gibt.

Schwarzkörperstrahlung ≠ Wärmestrahlung.

Schwarzkörperstrahlung wird von Objekten emittiert, die sich im vollständigen thermodynamischen Gleichgewicht befinden und isotrop sind. Die Besetzung der Energiezustände der Materiebestandteile und die Energieverteilung von Photonen ist stationär und wird durch eine einzige Temperatur beschrieben. Materie und Strahlung sind im Gleichgewicht.

Wärmestrahlung ist durch ein lokales thermodynamisches Gleichgewicht gekennzeichnet. Lokale Materieflecken können durch eine Temperatur charakterisiert werden, und die von dieser Materie emittierte Strahlung, die als Wärmestrahlung bezeichnet würde, könnte ebenfalls durch diese Temperatur charakterisiert werden. Materie und Strahlung müssen jedoch nicht im Gleichgewicht sein. Während also alle Schwarzkörperstrahlung Wärmestrahlung ist, ist das Gegenteil nicht der Fall.

Wir könnten die Sonne als Beispiel nehmen. Das innere Strahlungsfeld der Sonne kommt einem schwarzen Körper extrem nahe. Die mittlere freie Weglänge eines Photons ist von Ordnung 10 − 3 m, was im Vergleich zum Sonnenradius winzig ist. Photonen werden in einem Bereich absorbiert und remittiert, der sehr nahe an der Isotherme liegt, sodass das Strahlungsfeld (fast) isotrop ist und durch die Temperatur der Materie, die es emittiert, gekennzeichnet ist. Die Struktur ist auf Zeitskalen von Milliarden von Jahren stabil, was um Größenordnungen länger ist als die Abkühlungszeitskala, und daher ist ein vollständiges thermodynamisches Gleichgewicht von Strahlung und Materie eine hervorragende Annäherung.

Die Korona der Sonne sendet Wärmestrahlung aus. Das Plasma hat Temperaturen über 10 6 K und emittiert Photonen über frei-frei (Bremsstrahlung), frei-gebunden (Rekombination) und gebunden-gebunden Prozesse im UV- und Röntgenbereich. Während diese Strahlung thermisch ist und durch die (lokale) Temperatur des Plasmas gekennzeichnet ist, haben die Photonen sehr lange freie Wege und würden normalerweise entkommen. Das bedeutet, dass Strahlungsfeld und Materie an keinem Punkt im Weltraum im Gleichgewicht sind. Das Strahlungsspektrum hat die durch die Emissionsprozesse erzeugten Linien und Rekombinationskanten und nicht die glatte Planck-Schwarzkörperverteilung. Diese spektralen Merkmale sind diagnostisch für die Plasmatemperatur - daher ist die Strahlung thermisch, aber kein Schwarzkörper.

Die Photosphäre der Sonne ist ein interessantes Zwischenbeispiel. Es wird oft als schwarzer Körper angenähert, aber es ist keiner. Der Grund dafür ist, dass die Photosphäre per Definition dort ist, wo die mittlere freie Weglänge der Photonen lang genug wird, um ihnen das Entweichen zu ermöglichen. Während ein lokales thermodynamisches Gleichgewicht normalerweise eine vernünftige Annahme ist, ist das Strahlungsfeld nicht mehr stark an die Materie gekoppelt und anisotrop. In der Praxis bedeutet das, wenn wir auf die Sonne blicken, sehen wir je nach Wellenlänge unterschiedlich tief und sehen so ein Plasma, das bei verschiedenen Temperaturen emittiert und das Spektrum nicht mehr durch die Planck-Funktion gegeben ist.

Thermische Lichtquellen sind im Allgemeinen keine schwarzen Körper. Sie sind nur annähernd schwarze Körper, wenn sie sich bei einer einzigen Temperatur im thermodynamischen Gleichgewicht befinden und für alle Strahlung undurchlässig sind.

EDIT: Es scheint einige Streitigkeiten darüber zu geben, ob Schwarzkörperstrahlung isotrop und im thermischen Gleichgewicht mit der umgebenden Materie sein muss. Das ist es, und ich verweise den interessierten Leser auf Kapitel 1 von Radiative Processes in Astrophysics von Rybicki & Lightman.

lokales Gleichgewicht ist eine wirklich gute Art, es zu beschreiben! Vielen Dank auch für die Erörterung der Sonne - eine der Fragen, die mich beschäftigt, ist, wie ein Gleichgewicht zwischen der Materie und der Strahlung hergestellt wird, bevor die Strahlung entweicht.
@RogerVadim die Strahlung entweicht nicht. Der MFP beträgt 1 mm.
> Schwarzkörperstrahlung wird von Objekten emittiert, die sich im vollständigen thermodynamischen Gleichgewicht befinden. -- Das ist richtig, aber das ist eine unglückliche Formulierung. Schwarzkörperstrahlung ist die Strahlung eines hypothetischen Schwarzkörpers , eines Körpers mit einer Temperatur, der keine ihm in den Weg kommende Strahlung reflektiert, sondern alles absorbiert und seine eigene Strahlung emittiert. Dieser Körper muss in keinem Gleichgewicht mit der Strahlung stehen, die er absorbiert.
Was Sie meinen, ist eher Strahlung im Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts, was eine andere Sache ist; Wir brauchen einen geschlossenen Raum oder ein dichtes Medium, damit die Strahlung mit der Materie im Inneren in ein thermodynamisches Gleichgewicht kommen kann.
@JánLalinský eigentlich schon. Deshalb ist die Oberfläche der Sonne kein Schwarzer Körper, sondern das Innere. Ein vollständiges thermodynamisches Gleichgewicht ist sicherlich eine Bedingung für Schwarzkörperstrahlung und die Temperatur der Strahlung muss gleich der Temperatur der Materie sein.
@ProfRob was meinst du mit "es tut"? Glauben Sie, dass das Innere der Sonne (als Kandidat für einen schwarzen Körper) im thermodynamischen Gleichgewicht mit Strahlung steht, die von Planeten und anderen Sternen kommt und von der Sonne absorbiert wird?
@JánLalinský die Oberfläche der Sonne ist kein schwarzer Körper. Der Innenraum ist. Der Grund dafür ist, dass Strahlung und Materie bei gleicher Temperatur im Gleichgewicht sind. Geben Sie ein Beispiel für einen schwarzen Körper, bei dem dies nicht der Fall ist.
@ProfRob wo habe ich die Oberfläche der Sonne erwähnt? Auf meinen Einwand sind Sie nicht eingegangen. Es gibt kein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen der Sonne und anderen Objekten außerhalb der Sonne.
@JánLalinský Das Innere der Sonne weiß nichts über das Äußere der Sonne. Die mfp eines Photons beträgt etwa 1 mm. Licht von außen zur Sonne wird in der Photosphäre absorbiert, die kein schwarzer Körper ist.
Nicht die gesamte Strahlung von außerhalb der Sonne wird in der Photosphäre absorbiert, sonst wäre es ein perfekter schwarzer Körper, was es nicht ist. Wir stimmen darin überein, dass es sich nicht um einen perfekten schwarzen Körper handelt, was bedeutet, dass er für die Strahlung entfernter Quellen teilweise transparent ist, was bedeutet, dass ein Teil der Strahlung das Innere der Sonne erreicht. Und es gibt kein Gleichgewicht zwischen dieser fremden Strahlung und dem Inneren der Sonne.
@JánLalinský welche Strahlung dringt über die Photosphäre hinaus - wo wird die Strahlung per Definition absorbiert? Ins „Innere“ dringt keine Strahlung, nicht einmal Gammastrahlen. Der Grund, warum die Photosphäre kein schwarzer Körper ist, liegt darin, dass sie sich nicht im vollständigen thermodynamischen Gleichgewicht befindet.
Alle Strahlung geht teilweise über die Photosphäre der Sonne hinaus. Die Photosphäre ist ein künstliches Konzept, eine Region, die etwa 50 % der sichtbaren Strahlung stoppt. Sie können dies auf 90 % oder 99 % ändern und eine dickere Photosphäre erhalten. Sie können eine Photosphäre nicht dazu bringen, die gesamte Strahlung zu stoppen, es gibt kein Objekt, das das könnte, nicht einmal eine 400 km dicke Bleiwand.
@JánLalinský welche Strahlung (welche Wellenlänge) dringt mehr als sagen wir 10.000 km unterhalb der Photosphäre ein (was eine sehr spezifische Definition hat )? Dies ist ein völlig fadenscheiniges Argument - es gibt keine nennenswerte Strahlung (im Vergleich zum Strahlungsfeld des Sonneninneren), die in das Sonneninnere eindringt. Dass Schwarzkörperstrahlung isotrop ist und sich im thermodynamischen Gleichgewicht mit der umgebenden Materie befindet, wird in Kapitel 1 von „Radiative Processes in Astrophysics“ von Rybicki & Lightman definiert (und ist tatsächlich der erste Satz der Wikipedia-Definition von Schwarzkörperstrahlung).
@ProfRob du verfehlst den Punkt. Dabei spielt es keine Rolle, ob diese Fremdstrahlung erheblich oder unermesslich gering ist. Der Punkt ist, dass Fremdstrahlung mit der Sonne interagiert und die Sonne nicht im thermodynamischen Gleichgewicht mit entfernten Strahlungsquellen ist. Damit soll gezeigt werden, dass ein (ungefährer) schwarzer Körper nicht im Gleichgewicht mit fremden Strahlungsquellen sein muss, um ein schwarzer Körper zu sein.
@JánLalinský du verfehlst weiterhin den Punkt. Die Sonne befindet sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht mit der sie umgebenden Strahlung und ist daher keine Quelle für Schwarzkörperstrahlung. Ich bin froh, dass wir uns einig sind. Das Innere der Sonne hingegen schon. Genauso wie im Inneren eines Hohlraums die Strahlung mit den Wänden im Gleichgewicht ist, nicht was außerhalb des Hohlraums liegt. Genau wie ich vor ungefähr 6 Kommentaren sagte.
> Die Sonne ist keine Quelle von Schwarzkörperstrahlung – dem stimme ich nicht zu. Die Sonne ist in sehr guter Näherung ein schwarzer Körper und Quelle von Schwarzkörperstrahlung. Es ist einfach nicht im Gleichgewicht mit entfernten Quellen. Auch befindet sich kein Teil des Inneren der Sonne im thermodynamischen Gleichgewicht mit dem Rest der Sonne. Es gibt einen beträchtlichen Energiefluss in radialer Richtung von der Sonne weg. Sie wissen nicht, was ein schwarzer Körper ist, und verstehen das Konzept des thermodynamischen Gleichgewichts nicht.
@JanLalinsky Die Sonne ist kein Schwarzkörper. commons.wikimedia.org/wiki/… und die Abweichungen sind darauf zurückzuführen, dass sich die Photosphäre nicht im vollständigen thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Eine innere Region im vollständigen thermodynamischen Gleichgewicht muss nicht mit dem Rest der Sonne oder dem gesamten Universum im Gleichgewicht sein!
@JanLalinsky Der "erhebliche Energiefluss" ist nicht das Problem. Aus dieser Sicht befindet sich keine Region der Sonne in einem vollständigen themodynamischen Gleichgewicht. Entscheidend ist, wie stark sich die Temperatur gegenüber der mittleren freien Weglänge der Strahlung ändert. Im Innenraum beträgt der mfp 1 mm, also ändert sich T nur um 10 − 5 K über das MFP. An der Photosphäre nähert sich der mfp der Unendlichkeit und die T-Änderung liegt etwa 6000 K über diesem mfp. Aus diesem Grund kann das Innere so behandelt werden, als ob es in CTE wäre (wie jedes Lehrbuch für Studenten sagen wird), während die Photosphäre (per Definition) dies nicht ist.
Diese Art von Handlung ist der Grund, warum das einfachste Modell der Sonnenstrahlung außerhalb von Planetenatmosphären, das in Highschool- und Physikkursen gelehrt wird, das eines schwarzen Körpers ist; Schwarzkörperstrahlung ist ein gutes Modell für viele grundlegende quantitative Berechnungen, einschließlich des sichtbaren und IR-Spektrums. Wir sind uns einig, dass die Oberfläche/Photosphäre der Sonne kein perfekter schwarzer Körper ist und dass sie sich nicht im Zustand eines perfekten thermodynamischen Gleichgewichts befindet.
Ich empfehle Ihnen, Plancks Buch The Theory of Heat Radiation zu lesen , insbesondere die Seiten 9-10, wo er das allgemeine Konzept eines schwarzen Körpers erklärt: archive.org/details/theheatradiation00planrich/page/n29/mode/…
@JánLalinský Ein Schwarzkörper muss sich nicht unbedingt im thermischen Gleichgewicht befinden. Es muss nur ein perfekter Absorber sein. Aber ein schwarzer Körper im thermischen Gleichgewicht emittiert alles, was er absorbiert -- ist das das, was Sie andeuten?
@Curiouserandcuriouser nein, es ist thermodynamisches Gleichgewicht . Ein schwarzer Körper ist ein Körper, der perfekt absorbiert und kein bisschen reflektiert. Ein solcher Körper muss sich nicht im thermischen oder thermodynamischen Gleichgewicht mit anderen Körpern befinden. Thermisches Gleichgewicht bedeutet, dass der Körper so viel Energie abgibt, wie er aufnimmt, unabhängig davon, wie der Energiefluss verteilt ist oder wie die Temperatur im Raum variiert. Ein Körper im thermodynamischen Gleichgewicht mit anderen Körpern ist ein besonderer Zustand: Er bedeutet, dass die Temperatur überall gleich ist.
Die Sonne ist also ungefähr ein schwarzer Körper, weil sie sehr gut absorbiert und schlecht reflektiert, aber nicht im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung steht (weil sie viel mehr Energie abgibt als sie empfängt). Die Erde ist aufgrund der stark reflektierenden Wolken und Ozeane kein guter schwarzer Körper, aber sie befindet sich vergleichsweise fast im langfristigen thermischen Gleichgewicht, da die pro Monat absorbierte Sonnenenergie ungefähr gleich der Energie ist, die in dieser Zeit in den Weltraum abgegeben wird. Das ist natürlich nicht exakt, denn je nach Zustand der Atmosphäre kann die Erde mehr oder weniger abstrahlen, als sie abstrahlt.
Schwarzer Körper vs. Wärmestrahlung
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v