Cuerpo negro vs radiación térmica

Solicito aclaración de los siguientes términos:

  • Radiación de cuerpo negro
  • Radiación termal
  • Fuente de luz térmica

A primera vista, los dos primeros son lo mismo, y son la radiación emitida por el tercero. Sin embargo, una vez que los definimos con más rigor, ya no parecen idénticos:

  • La radiación de cuerpo negro es un estado de equilibrio de un gas fotónico, de donde se sigue fácilmente la ley de Planck.
  • La radiación térmica es la radiación emitida por las fuentes de luz térmica.
  • Las fuentes de luz térmicas son fuentes de luz en un estado de equilibrio térmico.

Mi punto es que, aunque la radiación de cuerpo negro es una primera aproximación excelente para la luz emitida por las fuentes de luz térmica, es solo una aproximación. En efecto, la radiación emitida por una lámpara incandescente, un objeto calentado o una estrella no está en equilibrio; de lo contrario, la fuente estaría absorbiendo tanta radiación como la que emite, es decir, no sería una fuente de luz sino un cuerpo negro . Además, podría decirse que el término fuente de luz térmica no se refiere a las propiedades de la radiación, sino al mecanismo de emisión: el material de la fuente está en estado de (cuasi)equilibrio térmico, pero la fuente no está en equilibrio con el radiación circundante. De hecho, este es manifiestamente el caso de la mayoría de las fuentes de luz que convencionalmente se denominantérmica : un objeto calentado se enfría, la lámpara incandescente no da luz, si una corriente no la calienta continuamente, y las estrellas siguen radiando sólo por el suministro constante de energía debido a las reacciones nucleares.

Para resumir: parece haber mucha ambigüedad sobre lo que se llama termal en este contexto. Apreciaré definiciones claras, preferiblemente respaldadas por referencias.

Observaciones Sobre la cuestión de si BBR es un estado de equilibrio y qué es un cuerpo negro : La radiación de cuerpo negro es la radiación electromagnética térmica dentro o alrededor de un cuerpo en equilibrio termodinámico con su entorno, emitida por un cuerpo negro (un cuerpo negro idealizado opaco, no -cuerpo reflectante).

Un ejemplo de fuente de luz en (cuasi)equilibrio térmico, pero no en equilibrio térmico con la radiación, es una lámpara de gas, que emite radiación correspondiente a una transición atómica específica.

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una pregunta relacionada

Tenga en cuenta que las fuentes (como el Sol) pueden estar en equilibrio térmico sin absorber tanta radiación como la que emiten. Pero eso requiere una fuente alternativa de energía.
@ProfRob Si la energía se transfiere de una fuente a la radiación, lo llamaría estado estacionario en lugar de equilibrio.
El equilibrio termodinámico solo significa que las variables de estado termodinámicas (como la temperatura) no cambian en escalas de tiempo relevantes.
@ProfRob Este es un estado estacionario, no necesariamente uno de equilibrio. Pensaré en formularlo como una pregunta separada.
@ProfRob El equilibrio termodinámico es mucho más estático que solo el equilibrio térmico. Este último requiere solo una distribución de temperatura constante; el primero requiere que el flujo de energía desaparezca por todas partes.
@JánLalinský Estoy de acuerdo con eso. La radiación de cuerpo negro es isotrópica.

Respuestas (2)

Radiación de cuerpo negro

Originalmente, la radiación que sale de un cuerpo negro, un cuerpo hipotético que absorbe toda la radiación que se encuentra en su camino, no refleja nada e irradia su propia radiación. Cuando esta radiación se irradia al espacio abierto, aunque tiene un espectro de radiación de equilibrio termodinámico, no es en sí misma radiación en estado de equilibrio termodinámico, porque su intensidad es más alta en la superficie del cuerpo negro y se debilita con la distancia, por lo que hay una fuente obvia y sumidero evidente de la radiación. Sin embargo, si dicho cuerpo negro estuviera encerrado en una cavidad dentro de un medio material (como dentro de la Tierra o un horno de cerámica), la radiación en el espacio entre los dos cuerpos se acercaría a la radiación de equilibrio, con la misma densidad y espectro en todas partes.

Radiación termal

Cada cuerpo emite radiación EM debido a que sus constituyentes cargados aceleran/cambian de estado todo el tiempo. Cuando la cantidad de radiación en algún rango de frecuencias puede explicarse simplemente por el movimiento térmico de las partículas que forman el cuerpo, decimos que la radiación en ese rango espectral es térmica, por ejemplo, el resplandor rojo del acero cuando se calienta con un fuego de gas a un alto temperatura, o la luz visible de una bombilla incandescente. Esto es así cuando la intensidad de la radiación es menor o igual a la intensidad de la radiación del cuerpo negro a la misma temperatura. El cuerpo no tiene que estar en equilibrio termodinámico para que digamos que su radiación en algún rango espectral es radiación térmica; basta que tenga la temperatura bien definida.

Cuando la radiación es más fuerte que la que produciría un cuerpo negro a la misma temperatura (luz de un tubo de descarga, como luces de neón o bombillas fluorescentes, o luz de un diodo emisor de luz, o luz de un tinte fluorescente), decimos que esto no es puramente térmico. radiación, aunque puede tener algún componente térmico.

Fuente de luz térmica

Esta es una fuente de luz (radiación EM visible) cuyas propiedades espectrales de luz (en el rango del espectro visible) pueden explicarse simplemente por emisión térmica, es decir, cualquier cuerpo que irradia menos o como mucho tanto como un cuerpo negro a la misma temperatura.

Gracias. Si la radiación de cuerpo negro no es un estado de equilibrio, ¿entonces solo se describe aproximadamente por la ley de Planck?
La ley de Planck es un modelo preciso para el espectro de radiación de cuerpo negro en la superficie del cuerpo negro, pero no para sus propiedades direccionales o espectrales lejos del cuerpo negro.
La verdadera radiación de cuerpo negro es isotrópica. Eso es: j v = B v . Está en completo equilibrio termodinámico con la materia que lo rodea.
La radiación en equilibrio termodinámico es isotrópica. La radiación de un cuerpo negro en cualquier punto fuera del cuerpo tiene una dirección preferida "lejos del cuerpo". Estás confundiendo estos dos conceptos.
No se puede ver la verdadera radiación de cuerpo negro desde el exterior de un cuerpo negro, solo aproximaciones aproximadas como la fotosfera solar o una lámpara de filamento de tungsteno. La aproximación de cavidad con agujero solo funciona si el agujero es tan pequeño que no altera la isotropía de la radiación en la cavidad. Tenemos que estar dentro del cuerpo negro para obtener radiación isotrópica de cuerpo negro, como el interior del Sol o el fondo cósmico de microondas.
@ProfRob en.wikipedia.org/wiki/No_true_Scotsman Está sobregeneralizando la radiación de un cuerpo negro en radiación en equilibrio termodinámico.
Creo que lo que es engañoso sobre el tratamiento habitual de la radiación del cuerpo negro es que se considera en equilibrio termodinámico con el cuerpo negro. En la mayoría de los ejemplos reales, tenemos un flujo que fluye entre dos cuerpos negros a diferentes temperaturas. Debido a que la diferencia de temperatura es enorme, podemos ignorar el sumidero y describir la radiación por la temperatura de la fuente.
Así que danos el ejemplo de un escocés que pone azúcar en su papilla.

Radiación de cuerpo negro ≠ Radiación termal.

La radiación de cuerpo negro es emitida por objetos que están en completo equilibrio termodinámico y es isotrópica. La población de estados de energía de los constituyentes de la materia y la distribución de energía de los fotones es estacionaria y se describe por una sola temperatura. La materia y la radiación están en equilibrio.

La radiación térmica se caracteriza por el equilibrio termodinámico local. Los parches locales de materia pueden caracterizarse por una temperatura y la radiación emitida por esa materia, que se llamaría radiación térmica, también podría caracterizarse por esa temperatura. Sin embargo, la materia y la radiación no necesitan estar en equilibrio. Así, mientras toda la radiación del cuerpo negro es radiación térmica, lo contrario no es cierto.

Podríamos usar el Sol como ejemplo. El campo de radiación interior del Sol está extremadamente cerca de un cuerpo negro. El camino libre medio de un fotón es del orden 10 − 3 m, que es minúsculo comparado con el radio solar. Los fotones son absorbidos y remitidos dentro de una región muy cercana a la isotérmica, por lo que el campo de radiación es (casi) isotrópico y se caracteriza por la temperatura de la materia que lo emite. La estructura es estable en escalas de tiempo de miles de millones de años, que son órdenes de magnitud más largas que la escala de tiempo de enfriamiento y, por lo tanto, el equilibrio termodinámico completo de la radiación y la materia es una excelente aproximación.

La corona del Sol emite radiación térmica. El plasma tiene temperaturas superiores a 10 6 K y emite fotones a través de procesos libres (bremsstrahlung), de unión libre (recombinación) y de unión en las regiones UV y de rayos X. Si bien esta radiación es térmica y se caracteriza por la temperatura (local) del plasma, los fotones tienen caminos libres muy largos y normalmente escaparían. Esto significa que el campo de radiación y la materia en cualquier punto del espacio no están en equilibrio. El espectro de radiación tiene las líneas y los bordes de recombinación generados por los procesos de emisión y no la distribución suave del cuerpo negro de Planck. Estas características espectrales son un diagnóstico de la temperatura del plasma; por lo tanto, la radiación es térmica, pero no de cuerpo negro.

La fotosfera del Sol es un ejemplo intermedio interesante. A menudo se aproxima como un cuerpo negro, pero no lo es. La razón de esto es que, por definición, la fotosfera es donde el camino libre medio de los fotones se vuelve lo suficientemente largo como para permitirles escapar. Si bien el equilibrio termodinámico local suele ser una suposición razonable, el campo de radiación ya no está fuertemente acoplado a la materia y es anisotrópico. En la práctica, eso significa que cuando miramos al Sol, vemos a diferentes profundidades dependiendo de la longitud de onda y, por lo tanto, vemos emisión de plasma a una variedad de temperaturas y el espectro ya no está dado por la función de Planck.

Las fuentes de luz térmica no serán cuerpos negros en general. Sólo serán aproximadamente cuerpos negros si están en equilibrio termodinámico a una sola temperatura y son opacos a toda radiación.

EDITAR: parece haber cierta disputa sobre si la radiación de cuerpo negro debe ser isotrópica y estar en equilibrio térmico con la materia circundante. Lo es, y remito al lector interesado al Capítulo 1 de Radiative Processes in Astrophysics de Rybicki & Lightman.

¡ el equilibrio local es una muy buena manera de describirlo! Gracias también por hablar del Sol. Una de las preguntas que me preocupa es cómo se establece un equilibrio entre la materia y la radiación, antes de que la radiación se escape.
@RogerVadim la radiación no escapa. El mfp es de 1 mm.
> La radiación de cuerpo negro es emitida por objetos que están en completo equilibrio termodinámico. -- Lo que quieres decir es correcto, pero esta es una formulación desafortunada. La radiación de cuerpo negro es la radiación de un cuerpo negro hipotético , un cuerpo con temperatura que no refleja ninguna radiación que se le presente, sino que absorbe todo y emite su propia radiación. Este cuerpo no tiene que estar en ningún tipo de equilibrio con la radiación que está absorbiendo.
Lo que quieres decir es que hay más bien radiación en estado de equilibrio termodinámico, que es otra cosa; necesitamos un espacio cerrado o un medio denso para permitir que la radiación alcance el equilibrio termodinámico con la materia del interior.
@JánLalinský en realidad lo hace. Por eso la superficie del Sol no es un cuerpo negro pero el interior sí. El equilibrio termodinámico completo es ciertamente una condición para la radiación de cuerpo negro y la temperatura de la radiación tiene que ser la misma que la temperatura de la materia.
@ProfRob, ¿qué quiere decir con "lo hace"? ¿Crees que el interior del Sol (como candidato a un cuerpo negro) está en equilibrio termodinámico con la radiación que proviene de los planetas y otras estrellas y es absorbida por el Sol?
@JánLalinský la superficie del Sol no es un cuerpo negro. El interior es. La razón es que la radiación y la materia están en equilibrio a la misma temperatura. Dé un ejemplo de un cuerpo negro donde ese no sea el caso.
@ProfRob ¿dónde mencioné la superficie del Sol? No abordaste mi objeción. No existe un equilibrio termodinámico entre el Sol y otros objetos fuera del Sol.
@JánLalinský El interior del Sol no sabe nada sobre el exterior del Sol. El mfp de un fotón es de aproximadamente 1 mm. La luz del exterior del Sol se absorbe en la fotosfera, que no es un cuerpo negro.
No toda la radiación del exterior del Sol se absorbe en la fotosfera; de lo contrario, sería un cuerpo negro perfecto, que no lo es. Estamos de acuerdo en que no es un cuerpo negro perfecto, lo que significa que es parcialmente transparente a la radiación de fuentes distantes, lo que significa que alguna radiación llega al interior del Sol. Y no hay equilibrio entre esta radiación extraña y el interior del Sol.
@JánLalinský, ¿qué radiación penetra más allá de la fotosfera, que por definición es donde se absorbe la radiación? Ninguna radiación penetra al "interior", ni siquiera los rayos gamma. La razón por la que la fotosfera no es un cuerpo negro es que no está en completo equilibrio termodinámico.
Toda la radiación va parcialmente más allá de la fotosfera del Sol. La fotosfera es un concepto hecho por el hombre, una región que detiene algo así como el 50% de la radiación visible. Puede cambiar eso a 90% o 99% y obtener una fotosfera más gruesa. No se puede hacer que una fotosfera detenga toda la radiación, no hay ningún objeto que pueda hacer eso, ni siquiera una pared de plomo de 400 km de espesor.
@JánLalinský ¿qué radiación (qué longitud de onda) penetra más de, digamos, 10 000 km por debajo de la fotosfera (que tiene una definición muy específica)? Este es un argumento totalmente engañoso: no hay radiación significativa (en comparación con el campo de radiación del interior solar) que penetra en el interior solar. Que la radiación de cuerpo negro es isotrópica y está en equilibrio termodinámico con la materia circundante se define en el capítulo 1 de "Procesos radiativos en astrofísica" de Rybicki & Lightman (y en realidad es la primera oración de la definición de Wikipedia de radiación de cuerpo negro).
@ProfRob te estás perdiendo el punto. No importa si esa radiación extraña es significativa o inconmensurablemente pequeña. El punto es que la radiación extraña interactúa con el Sol y el Sol no está en equilibrio termodinámico con fuentes distantes de radiación. Esto es para mostrar que el cuerpo negro (aproximado) no necesita estar en equilibrio con fuentes extrañas de radiación para ser un cuerpo negro.
@JánLalinský sigues perdiendo el punto. El Sol no está en equilibrio termodinámico con la radiación que lo rodea y, por lo tanto, no es una fuente de radiación de cuerpo negro. Me alegro de que estemos de acuerdo. Sin embargo, el interior del Sol sí lo es. Del mismo modo que en el interior de una cavidad la radiación está en equilibrio con las paredes, no lo que está fuera de la cavidad. Tal como dije hace unos 6 comentarios.
> El sol no es una fuente de radiación de cuerpo negro -- no estoy de acuerdo con esto. El Sol es, con muy buena aproximación, un cuerpo negro y fuente de radiación de cuerpo negro. Simplemente no está en equilibrio con fuentes distantes. Además, cualquier parte del interior del Sol no está en equilibrio termodinámico con el resto del Sol. Hay un flujo sustancial de energía en dirección radial alejándose del Sol. No sabes qué es un cuerpo negro y no entiendes el concepto de equilibrio termodinámico.
@JanLalinsky El Sol no es un cuerpo negro. commons.wikimedia.org/wiki/… y las salidas se deben a que la fotosfera no está en completo equilibrio termodinámico. ¡Una región interior en completo equilibrio termodinámico no tiene por qué estar en equilibrio con el resto del Sol o el universo entero!
@JanLalinsky, el "flujo sustancial de energía" no es el problema. Ninguna región del Sol está en completo equilibrio termodinámico desde ese punto de vista. Lo que importa es cuánto cambia la temperatura en comparación con el camino libre medio de la radiación. En el interior, el mfp es de 1 mm, por lo que T cambia solo 10 − 5 K sobre el mfp. En la fotosfera, el mfp se acerca al infinito y el cambio de T es de unos 6000 K sobre ese mfp. POR ESO se puede tratar el interior como si estuviera en CTE (como dirá cualquier libro de texto de pregrado) mientras que la fotosfera (por definición) no lo es.
Ese tipo de trama es la razón por la cual el modelo más simple de radiación solar fuera de las atmósferas planetarias que se enseña en la escuela secundaria y en los cursos de física es el de un cuerpo negro; La radiación de cuerpo negro es un buen modelo para muchos cálculos cuantitativos básicos, incluido el espectro visible e IR. Estamos de acuerdo en que la superficie/fotosfera del Sol no es un cuerpo negro perfecto y que no se encuentra en un estado de equilibrio termodinámico perfecto.
Te recomiendo leer el libro de Planck The Theory of Heat Radiation , en particular las páginas 9-10 donde explica el concepto general de un cuerpo negro: archive.org/details/theheatradiation00planrich/page/n29/mode/…
@JánLalinský Un cuerpo negro no necesariamente tiene que estar en equilibrio térmico. Sólo tiene que ser un absorbente perfecto. Pero un cuerpo negro en equilibrio térmico emitirá lo que sea que esté absorbiendo. ¿Es esto lo que estás insinuando?
@Curiouserandcuriouser no, es equilibrio termodinámico . Un cuerpo negro es un cuerpo que absorbe perfectamente y no refleja ni un ápice. Dicho cuerpo no tiene por qué estar en equilibrio térmico o termodinámico con otros cuerpos. El equilibrio térmico significa que el cuerpo emite tanta energía como la que absorbe, independientemente de cómo se distribuya el flujo de energía o cómo varíe la temperatura en el espacio. Un cuerpo en equilibrio termodinámico con otro cuerpo es una condición más especial: significa que la temperatura es la misma en todas partes.
Entonces, el Sol es aproximadamente un cuerpo negro porque absorbe muy bien y refleja mal, pero no está en equilibrio térmico con su entorno (porque emite mucha más energía de la que recibe). La Tierra no es un buen cuerpo negro debido a las nubes y los océanos que son bastante reflectantes, pero está comparativamente casi en equilibrio térmico a largo plazo, porque la energía solar absorbida por mes es aproximadamente la misma que la energía emitida al espacio durante este mismo tiempo. Esto no es exacto, por supuesto, porque dependiendo del estado de la atmósfera, la Tierra puede recibir más o menos de lo que irradia.
Cuerpo negro vs radiación térmica
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