¿Por qué los buenos absorbentes también son buenos emisores?

Question

Leí que los buenos absorbentes son buenos emisores - ¿por lo tanto un cuerpo negro, que absorve todo tipo de radiación, también emite todo tipo de radiación? No logro entender esto.

¿Qué significa absorber todo tipo de radiación? ¿Radiación de todas las frecuencias? ¿o estamos diciendo que $100\%$ de la radiación incidente en un cuerpo negro es absorbida? ¿Ninguna es reflejada? ¿Entonces, cómo puede ser un buen emisor?

¿Estoy confundiendo buen emisor y buen reflector? Agradecería algunas aclaraciones. ¡Gracias!

P.D. Estoy regresando a Physics SE después de años. Estoy especializándome en matemáticas, pero decidí tomar un curso de física cuántica por diversión de todos modos. ¡Por lo tanto, estoy de vuelta aquí para la primavera!

Answer 1

Respuesta corta: Si "los buenos absorbentes son buenos emisores" no fuera verdad, sería posible construir una máquina de movimiento perpetuo. Y como la naturaleza no nos permite hacer máquinas de movimiento perpetuo, tuvo que crear las leyes de la mecánica cuántica para que sea verdad. :) :)

Answer 2

Como han dicho otros, la propiedad clave es la reversibilidad en el tiempo del proceso de emisión/absorción. Digamos que alguien hace la pregunta análoga "¿cómo puede un buen absorbedor de calor ser un buen absorbedor de frío?".

1. Un buen absorbedor de calor tiene una alta conductancia térmica y un buen contacto térmico con lo que se supone que debe absorber calor.

2. Un buen absorbedor de frío tiene exactamente las mismas propiedades.

Entonces, los buenos absorbedores de frío también son buenos absorbedores de calor, simplemente depende de si están más calientes o más fríos que la otra cosa. Lo sabes por la vida cotidiana, el agua fría te hace congelarte más rápido que el aire frío y el agua caliente te hace quemar (hervir) más rápido que el aire caliente.

La emisión y absorción de radiación es similar. Las cosas que son blancas o reflectantes (como los espejos) tienen un acoplamiento térmico muy débil al campo de radiación, es como si estuvieran separadas de él por una chaqueta. Las cosas que son negras tienen un acoplamiento muy fuerte al campo de radiación, por lo que alcanzan el equilibrio térmico con él mucho más rápido.

Un buen experimento para probar es este:

La luz del sol tiene una temperatura de unos 6,000 grados Celsius, mientras que incluso en un día caliente el aire estará mucho más frío que eso. Si pones un objeto blanco y un objeto negro al sol, ambos encontrarán una temperatura de compromiso donde el calentamiento por el sol y el enfriamiento por el aire se equilibran - el negro tiene mejor contacto con el sol, así que terminará más caliente.

Luego puedes repetir el mismo experimento por la noche (encontrando un lugar muy oscuro, idealmente sin luces de la calle). Ahora, el campo de luz (si está suficientemente oscuro) es realmente, realmente frío: alrededor de -270 grados Celsius (un poco por encima del cero absoluto, el fondo cósmico de microondas), por lo que el aire es ahora la fuente de calor y la luz el frío. Correspondientemente, el objeto negro se enfriará más que el blanco.

Puedes mejorar el experimento intentando poner un escudo de algún tipo para que las cosas blancas/negras solo interactúen con la luz del espacio, idealmente sin infrarrojos de la tierra cercana.

Answer 3

Todo cuerpo pierde o gana calor para estar en equilibrio térmico con su entorno. Si el cuerpo ya está en equilibrio térmico, mantendría su temperatura.

Si la radiación golpea el cuerpo y se absorbe, entonces aumentaría la temperatura del cuerpo. Por lo tanto, el cuerpo emite radiación para perder energía y volver al equilibrio térmico.

Por lo tanto, si un cuerpo absorbe más energía, también debe perder más energía para mantener su temperatura. Esto muestra que los buenos absorbedores también deben ser buenos emisores.