En el vacío, ¿puede un cuerpo más frío irradiar radiación infrarroja a un cuerpo más caliente?

Mencioné el vacío porque quiero descartar los efectos de conducción o convección. Simplemente quiero saber si parte de la radiación infrarroja (IR) va del cuerpo más frío al cuerpo más caliente. ¿Cómo sabe cada cuerpo cuánto irradiar en un momento determinado? Supongo que en última instancia se reduce a la diferencia de temperatura, pero ¿cómo sabe el cuerpo más caliente cuál es la temperatura del cuerpo más frío y viceversa? Todos sabemos que ambos cuerpos irradiarán IR a la cuarta potencia de su temperatura y, obviamente, eventualmente estarán en equilibrio entre sí, cada uno de ellos irradiará una cantidad igual entre sí.

Hola, ¡Bienvenido a Physics SE! He editado la etiqueta de mecánica cuántica porque no pensé que fuera relevante. Si hubo una razón particular por la que se incluyó esa etiqueta, siéntase libre de volver a agregarla, pero asegúrese de incluir una oración breve sobre cómo es relevante.

Respuestas (5)

Sí, ambos cuerpos irradian, incluido el más frío. El más cálido emite más potencia en su radiación, proporcional a T 4 tal como dices. La cantidad de radiación depende de la temperatura absoluta, no de la diferencia de temperatura. Pero como el cuerpo más frío tiene una temperatura absoluta más baja, irradia menos que el caliente y el resultado neto es que el calor fluye del cuerpo más caliente al más frío.

Además: irradiarán un espectro diferente.
También es el mismo proceso para la conducción de calor. El calor fluye en ambas direcciones, pero más en una dirección que en la otra.
@EricDuminil matemáticamente. ¿Pero físicamente? ¿Cómo se vería eso? Una diferencia de calor es un gradiente de energía, ¿cómo se vería un flujo?
@DonQuiKong Temperature describe una distribución de velocidad. Algunas partículas del cuerpo más frío serán más rápidas que las partículas del cuerpo más caliente con el que están en contacto. Aún así, a escala macroscópica, el calor fluirá claramente en una dirección. Espero que tenga sentido.
@EricDuminil oh, quieres decir cuando tienen contacto directo y no aire como un filtro de paso bajo infinitamente bueno. Bueno, entonces puede que tengas razón. Un poco. Pero no es “el mismo proceso” porque el reflujo depende de la superposición de las distribuciones mientras que en la radiación es independiente.
@DonQuiKong por eso solo mencioné conducción y no convección. No estoy completamente seguro de marchitar. Podría ser una pregunta interesante si aún no existe en este sitio.
@DonQuiKong en cuanto al intercambio de radiación, dependerá del espectro, emisividad, reflectancia y absorción de ambos cuerpos.
@EricDuminil ah, sí, conducción, tienes razón, lo siento. La radiación depende de aquellos indirectamente. Un cuerpo irradia ya sea que el otro exista o no. Conducción... bueno, ¿una partícula que se mueve más lentamente “deja que la energía fluya” hacia una partícula más rápida? Si es así, es independiente, si no, depende de cuántas partículas de a sean más rápidas que algunas de b. Es una cuestión de definición, supongo. Matemáticamente puedes calcularlo de forma independiente, físicamente...

¿Puede un cuerpo más frío irradiar radiación infrarroja a un cuerpo más cálido?

Sí, el cuerpo más frío irradiará, de acuerdo con su temperatura, como mencionaste, y parte de esta energía de radiación podría ser absorbida por el cuerpo más cálido.

Esto dependerá del porcentaje de radiación del cuerpo más frío al que está expuesto el cuerpo más caliente y de la capacidad del cuerpo más caliente para absorber esta radiación (en lugar de reflejarla o transmitirla).

obviamente, eventualmente estarán en equilibrio entre sí, cada uno de ellos irradiando una cantidad igual entre sí.

Este podría ser el caso solo si toda la energía de radiación rebotara entre los dos cuerpos y no fuera irradiada. Si parte de la energía se disipara, sería más difícil predecir cómo cambiarían exactamente las temperaturas de los cuerpos sin conocer todos los detalles relevantes, pero, eventualmente, la temperatura de ambos cuerpos sería cero.

"eventualmente, la temperatura de ambos cuerpos sería cero": donde eventualmente es un tiempo realmente largo (potencialmente infinitamente largo), ya que existe el fondo cósmico de microondas a aproximadamente 2,7 K. Pero dado que eso también se enfría con la expansión del universo, esto también tenderá asintóticamente a cero (aunque sin llegar nunca a cero).

¿Cómo sabe cada cuerpo cuánto irradiar en un momento determinado?

ellos no Si asumes que ambos cuerpos son "negros", es decir, que irradian ondas electromagnéticas debido a su temperatura tal como se describe en las ecuaciones de radiación del cuerpo negro , lo hacen porque así es la naturaleza.

[...] ¿cómo sabe el cuerpo más caliente [..] la temperatura [...] del cuerpo más frío y viceversa?

Nuevamente: los cuerpos son independientes entre sí con respecto a la radiación emitida. Si el cuerpo más frío es lo suficientemente caliente como para emitir radiación IR, lo hará independientemente de otros cuerpos a su alrededor.

No creo que esta respuesta sea totalmente precisa, así que la voté negativamente. Según physics.stackexchange.com/questions/395266/… , no se ha demostrado que la ley cero de la termodinámica sea una ley absoluta.
No obtengo la pregunta/respuesta vinculada o cómo están conectados a este q/a, pero idc.
Significa que probablemente no haya forma de definir la temperatura de tal manera que una sustancia dada siempre tenga una temperatura más alta cuando tiene una energía interna más alta y dos sustancias en equilibrio térmico siempre tienen la misma temperatura. Tal vez cuando el agua está en equilibrio térmico y de solubilidad con el hexano y el mercurio, no significa necesariamente que el hexano y el mercurio estén en equilibrio térmico y de solubilidad entre sí.

Estoy de acuerdo con las respuestas de @Ricky Tensor y @VF, pero una respuesta más detallada es "hay varios escenarios". Dependerá de:

  • ¿Cuánta radiación total emite cada uno de los cuerpos?
  • Cuánto absorbe cada cuerpo de la radiación de otro cuerpo (qué tan cerca están, qué tan reflectantes son)
  • ¿Cuál es la tasa de enfriamiento de cada cuerpo (depende de sus propiedades de transferencia térmica desde el interior hacia la superficie)

Por ejemplo, si el cuerpo A emite menos radiación de la que absorbe la radiación del cuerpo B más caliente, el cuerpo A no se enfriará. En cambio, su temperatura aumentará hasta que su radiación sea igual a la radiación absorbida.

Además, si el cuerpo A está frío pero pierde su temperatura lentamente, y el cuerpo B está muy caliente pero se enfría rápidamente, puede haber un momento en que el cuerpo B se enfríe más que A.

Pero en todos los casos ambos cuerpos A y B pierden su temperatura más lentamente que en ausencia de otro cuerpo.

Creo que sus preguntas provienen de un malentendido de la física involucrada.

El IR que irradia un cuerpo, depende de su temperatura absoluta , NO de la diferencia de temperatura que pueda tener, con respecto a otro cuerpo! Por tanto, los cuerpos en cuestión, no saben (ni necesitan saber) la temperatura del otro cuerpo.

Su afirmación de que IR depende de la cuarta potencia de su temperatura es casi correcta. No dijiste temperatura absoluta , ¿y esta podría ser la fuente de la confusión?

¡No es obvio que ambos cuerpos eventualmente alcanzarían la misma temperatura! Esto se debe al hecho de que no están en un sistema cerrado .

Tomemos el Sol y la Tierra como ejemplo.

El Sol es más caliente, pero está irradiando la mayor parte de su energía lejos de la Tierra.

Aunque la Tierra es más fría, también irradia IR debido a la temperatura de su núcleo interno y la energía que recibe del Sol. Una gran parte de esta energía también se irradia desde el Sol.
¿Llegarán ambos cuerpos a la misma temperatura? Por razones que todos conocemos, ¡es muy poco probable!

En el vacío, ¿puede un cuerpo más frío irradiar radiación infrarroja a un cuerpo más caliente?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 2v