Cuestiones de blanco y negro. Pero ¿por qué y cómo?

Sé que el negro conduce el calor mientras que el blanco lo refleja.

El término correcto es "el negro absorbe la luz mientras que el blanco la refleja".

Hemos nombrado los colores de la luz que vemos en el espectro visible.

El blanco refleja la mayor parte de la energía que cae del espectro visible, el negro la absorbe. Cuando la energía de la luz es absorbida, se convierte en calor. Cualquier material pintado de negro absorberá aún más este calor y su temperatura aumentará, pero dependerá del material hasta dónde se transfiera el calor. Si es metal pintado de negro, el metal es un buen conductor del calor y distribuirá la energía rápidamente por todo el cuerpo.

Pero son colores después de todo.

Cambian las propiedades de la superficie de los materiales sobre los que se pintan, cambiando así la capacidad de absorción y emisión de radiación.

La energía proveniente del sol cubre un espectro electromagnético mucho más grande que el visible. El visible tiene aproximadamente la mitad de la energía proveniente del sol en la superficie, como se ve en el enlace.

Por lo tanto, una puerta de metal al sol transferirá el calor del espectro visible al interior si está pintada de negro, lo reflejará y mantendrá el interior más fresco si está pintada de blanco. Es una buena razón para pintar techos y paredes de blanco en países cálidos. Un coche blanco también es mejor en países cálidos por esta razón.

No siempre es seguro que las propiedades del color (absorción/reflexión) sean seguidas por la parte invisible del espectro solar, infrarrojo o ultravioleta. Cada pintura debe estudiarse en cuanto a su respuesta a la radiación incidente para ser utilizada de manera eficiente para la protección térmica.

Lo tienes al revés. Vienes desde el punto de vista de que ser negro hace algo bueno para absorber radiación y ser blanco lo hace malo y te preguntas por qué debería ser así. Es exactamente al revés: ser bueno absorbiendo la radiación (en particular, la luz visible) hace que algo se vuelva negro; ser malo para absorber radiación (es decir, bueno para reflejarla) hace que algo sea blanco.

Ahora, puede preguntar qué hace que algo sea bueno o malo para absorber radiación, pero esa es otra pregunta.

Pero, que yo sepa, los colores no tienen ninguna "sustancia" especial que pueda desencadenar la absorción repentina de calor o el reflejo del mismo.

Esta declaración parece ser el quid de su confusión, y es falsa.

Cuando pinta un objeto de negro, blanco o cualquier otro color, lo cubre con una capa delgada de una sustancia que, de hecho, absorbe longitudes de onda particulares de radiación electromagnética y refleja otras. El color que ve es una consecuencia de que el recubrimiento haga esto, y el color depende completamente de la composición química de la pintura.

Ahora bien, el calor no es radiación electromagnética. El calor es un movimiento molecular aleatorio, que puede causar y ser causado por la radiación EM. Todas las longitudes de onda de la radiación EM pueden transferir calor, pero algunas son mejores que otras. La luz infrarroja a veces se llama radiación de calor porque es particularmente buena para transferir calor dentro de nuestro entorno familiar de la superficie de la Tierra, porque muchas sustancias que se encuentran en este entorno lo absorben fuertemente. En particular, la pintura que es negra (== pintura que absorbe fuertemente todas las longitudes de onda EM correspondientes a la "luz visible") probablemente también absorberá la luz infrarroja.

Y finalmente, el calor no tiene que ser transferido por radiación electromagnética. El calor también puede transferirse por conducción entre dos objetos en contacto directo: las moléculas del objeto más caliente chocan aleatoriamente con las moléculas del objeto más frío y transfieren parte de su energía. ¹ Este proceso no depende de qué longitudes de onda de radiación EM sean absorbidas por el objeto más frío. Esta es la forma principal en que la pintura calienta un objeto pintado, y es por eso que el color subyacente del objeto no importa.

¹ técnicamente, este proceso también implica el intercambio de fotones "virtuales", pero este es un detalle que generalmente se ignora para los objetos macroscópicos.

Creo que hay algunas suposiciones incompletas/incorrectas en esta pregunta: la conductividad térmica general de un metal no se verá afectada por un revestimiento superficial; sin embargo, su respuesta al calentamiento por radiación se verá afectada.

Esta parte de la diferencia en la respuesta térmica al calentamiento por radiación se basa en la igualdad de emisividad y absorbividad: los materiales blancos absorben poco y, por lo tanto, emiten poca radiación, por el contrario, los materiales más oscuros absorben y emiten más radiación electromagnética. Puede ver que este debe ser el caso al considerar colocar los objetos dentro de una "cavidad de cuerpo negro" mantenida a una temperatura fija. Una vez que el objeto alcanza la temperatura de equilibrio, por cada cantidad de energía absorbida de la radiación de cuerpo negro que llena el horno, se debe emitir una cantidad igual de energía. Así absorbtividad = emisividad.

Sé que el negro conduce el calor mientras que el blanco lo refleja.

Los objetos negros no "conducen el calor". Los objetos negros absorben la radiación entrante en el rango visible. Del mismo modo, los objetos blancos no reflejan el calor. Reflejan de forma difusa la radiación visible entrante.

Pero son colores después de todo.

Si y no. Si el blanco o el negro son "colores" depende mucho de lo que entiendas por color. Dejaré ese debate para otra pregunta. A los efectos de esta pregunta, es mejor ver el blanco y el negro como tonos de gris en lugar de colores como el rojo y el azul.

¿Cuál es la física detrás de esto?

Esta es la pregunta que abordaré en detalle. La respuesta está en los conceptos de emisividad, absortividad, reflectividad y transmisividad.

• La emisividad es la capacidad de un objeto para emitir radiación térmica, en relación con la de un cuerpo negro ideal.
• La absorbencia es la fracción de la radiación entrante absorbida por un objeto.
• La reflectividad es la fracción de la radiación entrante reflejada por un objeto.
• La transmisividad es la fracción de la radiación entrante que pasa a través de un objeto.

Los últimos tres (absorción, reflectividad y transmisividad) enumeran completamente lo que sucede con la radiación entrante. Se suman a 1 (o al 100% si los quieres como porcentajes). Para el resto de esta respuesta, asumiré objetos opacos, donde la transmisividad es cero. La luz entrante para objetos opacos es absorbida o reflejada, en la proporción determinada por la capacidad de absorción y reflectividad del objeto (que suman uno).

La reflectividad y la capacidad de absorción explican en parte por qué los objetos negros se calientan más que los blancos. Un objeto perfectamente negro absorbe toda la radiación visible entrante, mientras que un objeto perfectamente blanco refleja toda la radiación visible entrante. Como no existe un objeto perfectamente negro o perfectamente blanco, todos los objetos absorben la radiación visible entrante hasta cierto punto. Sin embargo, los objetos negros absorben considerablemente más radiación visible entrante que los blancos.

La otra cara de la moneda es la emisividad. Eventualmente, un objeto alcanzará el equilibrio térmico, siendo la energía absorbida de la radiación entrante igual a la energía emitida como radiación saliente. La radiación saliente es una función de la emisividad del objeto.$\epsilon$, es la temperatura$T$, y su área de superficie$A$, dictada por la ecuación de Stefan Boltzmann$E_{\text{out}} = A \epsilon \sigma T^4$dónde$\sigma$es la constante de Stefan Boltzmann. La radiación entrante es una función del flujo de energía entrante.$\phi$, la capacidad de absorción del objeto$\alpha$y su sección transversal a la radiación entrante$A_c$:$E_{\text{in}} = A_c \alpha \phi$. Igualación y resolución de rendimientos de temperatura$T= \left( \frac {\alpha}{\epsilon} \frac{A}{A_c} \frac{\phi}{\sigma} \right)^{1/4}$.

Tenga en cuenta que solo el primer factor en lo anterior,$\frac {\alpha}{\epsilon}$depende de la composición. Los otros dos factores representan la geometría ($\frac A {A_c}$) y energía entrante ($\frac {\phi}{\sigma}$). Según la ley de radiación de Kirchhoff, la emisividad y la absortividad en cualquier frecuencia dada son iguales. Para un cuerpo gris ideal, tanto la absortividad como la emisividad son constantes, independientes de la frecuencia y la temperatura. El radio$\frac {\alpha}{\epsilon}$es uno para un cuerpo gris perfecto. Todos los cuerpos grises perfectos con la misma geometría y sujetos a la misma radiación entrante eventualmente alcanzarán la misma temperatura de equilibrio.

Así que necesitamos algo más para explicar por qué los objetos negros se calientan más que los blancos. La respuesta radica en el hecho de que la absortividad y la emisividad dependen de la frecuencia y la temperatura de los objetos reales. Los cuerpos grises ideales no existen. Son buenas aproximaciones si corresponde . "Negro" y "blanco" se refieren a la reflectividad (y, por lo tanto, a la capacidad de absorción) en el rango visible. Un objeto que es visiblemente blanco puede ser muy negro en el infrarrojo térmico. Un objeto que es visiblemente blanco pero térmicamente negro no se calentará tanto como un objeto que es visible y térmicamente negro.