Päteekö termodynamiikan 2. pääsääntö säteilyilmiöissä?

Seuraa 
Viestejä3521
Liittynyt20.7.2010

Kasvihuoneilmiön perustana on ilmakehän takaisin säteily maan pinnalle. Nyt ei kuitenkaan ole tarkoitus puhua ilmastosta, vaan 2. pääsäännön tulkinnoista.

Ammeessa on 36 asteista vettä, joka on tuntuu liian kylmältä. Vieressä on ämpärillinen 30 asteista vettä, joka sisältää runsaasti lämpöenergiaa. Kun tämän kaataa ammeeseen ammeen lämpömäärä kasvaa, mutta pahus vesi vain viilenee. Litrassa sata asteista vettä on moninkertaisesti vähemmän lämpöenergiaa kuin 10 litrassa 30 asteista vettä. Mutta tämän lisääminen ammeeseen nostaa lämpötilaa. Lämmittääkö vai ei, ei riipu lämpömäärästä, vaan energiatiheydestä eli aineen sisäisen energian määrästä massayksikköä kohti. Tätä tarkoittaa 2. pääsääntö.

Edellä energiaa siirrettiin kuljettamalla. Ovatko samat lait voimassa säteilytapahtumassa? Kun viileämmästä kohteesta tulee säteilyä lämpimämmälle kohteelle, lämpöenergiaa tulee lisää säteilyn absorboituessa. Kohteen massa pysyy samana, energiamäärä lisääntyy, joten lämpötilan tulisi nousta. Nyt tuleekin periaatteellinen kysymys; absorboituuko matalamman lämpösäteilijän säteilyenergia lämpötilaltaan korkeampaan säteilijään? Törmäys termodynamiikan pääsääntöön tapahtuu juuri tässä. Jos sääntö pitää paikkansa, vastaus on ehdottomasti - ei absorboidu. Muutoinhan lämpöä siirtyisi kylmemmästä kuumempaan. Tämä on minun tulkintani.

Tieteellisesti tutkittu ja todistettu - mutta silti voi olla totta.

Sivut

Kommentit (4263)

myl
Seuraa 
Viestejä224
Liittynyt18.11.2010

No tietysti säteily absorboituu mikäli ei heijastu eikä mene läpi. Ei säteilijän lämpötila voi vaikuttaa siihen miten sen säteily absorboituu. Fotoni ei kanna informaatiota lähtöpisteensä lämpötilasta.

Kun kaksi säteilylähdettä valaisee toisiaan niin energianvaihto tapahtuu seuraavasti. Oletetaan kappaleet mustiksi, niin että kaikki tuleva säteily absorboituu.

Kappaleen A lämpötila on T ja se säteilee teholla aT^4 (Stefan-Boltzmannin laki).
Kappaleen B lämpötila on t ja se säteilee teholla at^4.
Nettotehonsiirto kappaleesta A kappaleeseen B on a(T^4-t^4)

Energia siis siirtyy kuumemmasta kappaleesta kylmempään.

-myl

Ronron
Seuraa 
Viestejä9265
Liittynyt10.12.2006

Selkokielellä asian voi kai sanoa niin että kuumempi kappale säteilee enemmän kuin kylmä jolloin se kuumempi kappale lämmittää kylmää kappaletta enemmän kuin kylmä kappale kuumaa kappaletta jolloin kuuma kappale jäähtyy ja kylmä kappale lämpenee. Tai jotain.

くそっ!

Jyri T.
Seuraa 
Viestejä1316
Liittynyt12.11.2010
myooppi
...absorboituuko matalamman lämpösäteilijän säteilyenergia lämpötilaltaan korkeampaan säteilijää?.



Kyllä absorboituu. Miten se ei voisi absorboitua (l. miten fotoni voisi tietää, miten kuumasta kohteesta se on peräisin)?

Periaatteessa asia on kuten Ronron yllä sanoi.

JOS kylmä kohde pääsee säteilemään vapaasti ja lämpimän kohteen ympäristö absorboi itseensä säteilyä, lämpöä todella voi siirtyä kylmästä lämpimään ilman mitään lainrikkomuksia.

Suosikkiurheilulajini on nojatuolisarkasmi.

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26890
Liittynyt16.3.2005
Jyri T.
JOS kylmä kohde pääsee säteilemään vapaasti ja lämpimän kohteen ympäristö absorboi itseensä säteilyä, lämpöä todella voi siirtyä kylmästä lämpimään ilman mitään lainrikkomuksia.



Termisellä säteilyllä tuo ei toimi. Se kuuma kohde säteilee enemmän ja nettoenergiavuo on kuumasta kylmään. Ulkoista energiaa käyttämällä voidaan kyllä siirtää energiaa kylmästä kuumaan, esimerkiksi laserilla.

Denzil Dexter
Seuraa 
Viestejä6665
Liittynyt7.8.2007

Valitettavasti sekä kyky vastaanottaa, että kyky säteillä lämpöä ovat ikävästi toisiinsa kytköksissä, jolloin lämpö siirtyy aina kuumemmasta kylmempään. Sopivasti muotoilemassa esim mustasta laatikosta saa melko tehokkaan ir-loukun, mutta se ei paljon lämmitä, koska laatikko ei paljon lämmitä.

myooppi
Seuraa 
Viestejä3521
Liittynyt20.7.2010

Kysymykseen absorboituuko matalamman lämpösäteilijän säteilyenergia lämpötilaltaan korkeampaan säteilijään? vastattiin perustelemattomilla selityksillä

Jyri T.
Kyllä absorboituu. Miten se ei voisi absorboitua (l. miten fotoni voisi tietää, miten kuumasta kohteesta se on peräisin)?

myl
No tietysti säteily absorboituu mikäli ei heijastu eikä mene läpi. Ei säteilijän lämpötila voi vaikuttaa siihen miten sen säteily absorboituu. Fotoni ei kanna informaatiota lähtöpisteensä lämpötilasta.

Fotonia tyrkytetään kuin se olisi jokin partikkeli, jolla ei ole aaltoluonnetta.
Like all elementary particles, photons are currently best explained by quantum mechanics and will exhibit wave–particle duality, exhibiting properties of both waves and particles. For example, a single photon may be refracted by a lens or exhibit wave interference with itself, but also act as a particle giving a definite result when quantitative momentum (quantized angular momentum) is measured.

Ei ole siis mitenkään selvä asia, että vuorovaikutus olisi 2. pääsäännön vastainen, jossa lämpöä siirtyisi säteilyn avulla kylmästä lämpimään. Tämä kiista ei ratkea pintaa raapimalla.

Tieteellisesti tutkittu ja todistettu - mutta silti voi olla totta.

Denzil Dexter
Seuraa 
Viestejä6665
Liittynyt7.8.2007
myooppi
Kysymykseen absorboituuko matalamman lämpösäteilijän säteilyenergia lämpötilaltaan korkeampaan säteilijään? vastattiin perustelemattomilla selityksillä
.



Ole huoleti, absorboituu se. Lämpö siirtyy säteilemällä kylmemmästä kappaleesta lämpimämpään, mutta toiseen suuntaan vain siirtyy vielä enemmän. Lämpö ei siis siirry siinä mielessä, että kylmempi kylmenisi tai lämpimämpi lämpenesi, mutta siirtyy kuitenkin.

Vierailija
myl
Kun kaksi säteilylähdettä valaisee toisiaan niin energianvaihto tapahtuu seuraavasti. Oletetaan kappaleet mustiksi, niin että kaikki tuleva säteily absorboituu.

Kappaleen A lämpötila on T ja se säteilee teholla aT^4 (Stefan-Boltzmannin laki).
Kappaleen B lämpötila on t ja se säteilee teholla at^4.

O.K.

myl
Nettotehonsiirto kappaleesta A kappaleeseen B on a(T^4-t^4)

Näin ei yleensä ole, koska läheskään kaikki A:sta lähtenyt lämpösäteily ei päädy B:hen, eikä myöskään kaikki B:stä lähtenyt lämpösäteily päädy A:han.
Nettotehonsiirtoa laskettaessa täytyy siis huomioida tilanteen geometria.

Esim jos on umpinainen viileämpi pieni säteinen pallo, sekä kuumempi huomattavasti suurempi säteinen pallonkuori sen ympärillä epäkeskeisesti, niin kaikki viileämmästä lähtenyt säteily absorboituu kuumempaan, mutta vain murto-osa kuumenmmasta lähtenyttä lämpösäteilyä päätyy viileämpään, sillä suuren osa sisäänpäin lähteneestä säteilystä päätyy pienen viileämmän ohi takaisin kuumemman sisäpinnalle, ja lisäksi kuumempi säteilee myös ulospäin.

Välissä voi myöskin olla kaarevia lämpösäteilyä heijastavia peilejä, jotka voivat keskittää tai hajottaa lämpösäteilyä.

myl
Energia siis siirtyy kuumemmasta kappaleesta kylmempään.
-myl
Ehkäpä, mutta ylläoleva ei sitä vielä todistanut.

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26890
Liittynyt16.3.2005
myooppi
Kysymykseen absorboituuko matalamman lämpösäteilijän säteilyenergia lämpötilaltaan korkeampaan säteilijään? vastattiin perustelemattomilla selityksillä



Riippuu säteilyn spektristä ja absorboivan kappaleen ominaisuuksista. Mutta jos se ei absorboidu, esimerkiksi siksi, että kappale on läpinäkyvä tai hyvin heijastava, silloin ei energiaakaan siirry.

Ei ole siis mitenkään selvä asia, että vuorovaikutus olisi 2. pääsäännön vastainen, jossa lämpöä siirtyisi säteilyn avulla kylmästä lämpimään. Tämä kiista ei ratkea pintaa raapimalla.



No tietenkin tästä saa tehtyä matemaattiesti haastavan tehtävän, jos haluaa. Lopputulos on kuitenkin se, että spontaani nettosiirtymä tapahtuu pitkällä aikaskaalalla aina lämpimästä kylmään.

Ei voi olla esimerkiksi kappaletta, joka säteilee hyvin ulos, mutta heijastaa saman aallonpituuden tulevansäteilyn pois. Tai muutakaan kombiaatiota, joka johtaisi toien pääsäännön vastaiseen toimintaan.

kfa
Seuraa 
Viestejä2516
Liittynyt13.3.2008
myooppi
Kysymykseen absorboituuko matalamman lämpösäteilijän säteilyenergia lämpötilaltaan korkeampaan säteilijään? vastattiin perustelemattomilla selityksillä



Perusteltu selitys oli tämä: Fotoni ei kanna mukanaan tietoa siitä, missä lämpötilassa sen lähettänyt pinta on. Fotonin kaikki "tieto" sisältyy sen aaltovektoriin: fotonin aallonpituus (energia), liikesuunta ja polarisaatio. Mikään näistä ei ole suoraan sidoksissa lämpösäteilyä lähettävän pinnan lämpötilaan.

http://en.wikipedia.org/wiki/Photon

Yleisessä tapauksessa absorptio ja emissio riippuvat aallonpituuksista eli kylmän ja kuuman kappaleen lähettämä aallonpituusjakaumaltaan erilainen lämpösäteily absorboituu kohteeseen eri todennäköisyydellä. Esimerkkinä lasi: Lämpökameralla pitkäaaltoisella IR:llä katsottuna pinnaltaan kirkkaan hehkulampun lämpötila on luokkaa 100 astetta ja hehkulanka erottuu varsin heikosti lasipinnan läpi. Tämä johtuu siitä, että pitkäaaltoinen säteily ei juurikaan pääse lasista läpi vaikka näkyvälle valolle pinta on lähes täysin läpinäkyvä.

Jos kylmemmän kappaleen säteily ei ollenkaan absorboituisi kuumempaan kappaleeseen (virheellinen oletuksesi) niin ilmiö olisi hyvin helppo havaita. Esineiden lämpösäteilemä energia kun riippuisi siitä, onko sen ympärillä olevan kappaleen lämpötila suurempi vai pienempi kuin esineen itsensä lämpötila. Tämä näkyisi helposti tekemällä tyhjiökammiossa mittaus, jossa suurin energiaa siirtävä ilmiö on lämpösäteily. Ripustetaan pieni kylmä esine ohuilla langoilla tyhjiökammion keskelle. Esineessä on kiinni tarkka lämpömittari ja lämmitysvastus. Se voitaisiin aluksi jäähdyttää koskettamalla sitä kryocoolerin sormella, joka sitten vedettäisiin pois ja peitettäisiin vakiolämpöisellä laipalla.

Jos pientä kylmää esinettä lämmitettäisiin vakioteholla niin esineen lämpötilan muutosnopeus riippuisi siitä, kuinka paljon energiaa esineeseen aikayksikössä jäisi. Mikäli esineen säteilemän ja vastaanottaman lämpösäteilyn kokonaisteho yhtäkkiä muuttuisi niin se näkyisi esineen lämpenemisnopeuden muutoksena. Tuon lämpenemisnopeuden pitäisi muuttua sillä hetkellä, kun esineen lämpötila ylittää tyhjiökammion seinien lämpötilan ja seinät alkavat absorboida säteilyä. Sitä ennen oletuksesi perusteella kylmän kappaleen oma lämpösäteily ei voinut absorboitua tyhjiökammiossa mihinkään muualle kuin takaisin kylmään kappaleeseen.

Muuttamalla kammion seinien lämpötilaa pitäisi tuon jäähtymisnopeuden muutoskohdan siirtyä vastaavalla tavalla. Mitään tälläistä ei tietääkseni ole raportoitu eli oletuksesi on väärä.

[edit: lisätty sanat "juurikaan" ja "ollenkaan" ]

Kim Fallström kfa+news@iki.fi

Denzil Dexter
Seuraa 
Viestejä6665
Liittynyt7.8.2007
kuukle

Välissä voi myöskin olla kaarevia lämpösäteilyä heijastavia peilejä, jotka voivat keskittää tai hajottaa lämpösäteilyä.



Peileillä tai linsseillä ei voi muuttaa lämpövirran suuntaa. Esimerkiksi aurinpeileillä ei voi koskaan kuumentaan mitään esinettä kuumemmaksi, kuin auringon pinta.

myooppi
Seuraa 
Viestejä3521
Liittynyt20.7.2010
kfa
myooppi
Kysymykseen absorboituuko matalamman lämpösäteilijän säteilyenergia lämpötilaltaan korkeampaan säteilijään? vastattiin perustelemattomilla selityksillä



Perusteltu selitys oli tämä: Fotoni ei kanna mukanaan tietoa siitä, missä lämpötilassa sen lähettänyt pinta on. Fotonin kaikki "tieto" sisältyy sen aaltovektoriin: fotonin aallonpituus (energia), liikesuunta ja polarisaatio. Mikään näistä ei ole suoraan sidoksissa lämpösäteilyä lähettävän pinnan lämpötilaan.

Selityksesi ei tuo mitään uutta edellä sanottuun ja selittämäsi koe mahdoton.
Helppo koe on heijastaa pintapeilillä IR-lähteen säteily takaisin ja mitata säteilijässä mahdollisesti tapahtuva lämpötilan muutos. Ellei säteilyn energiatiheyttä vahvisteta keräimellä (esim. pallopeili), mitään lämpenemistä ei havaita.
Auringon säteily ei maan pinnalla voi saavuttaa juuri yli 80 asteen lämpötilaa, johtuen heijastumisesta ja ekstinktiosta. Mutta keräämällä säteilyä eli vahvistamalla säteilyn tiheyttä, voi pallopeilillä helposti saada 600 C. Säteilyn tiheys on nostettava 40 kertaiseksi.
Tästä on kysymys, eikä mistään fotonin sisältämästä tiedosta. Aurinkopeilillä voi siten saada aikaan suuria lämpötiloja, muttei tietenkään auringon lämpötila suurempaa.

Tieteellisesti tutkittu ja todistettu - mutta silti voi olla totta.

Vierailija
Denzil Dexter
kuukle
Välissä voi myöskin olla kaarevia lämpösäteilyä heijastavia peilejä, jotka voivat keskittää tai hajottaa lämpösäteilyä.

Peileillä tai linsseillä ei voi muuttaa lämpövirran suuntaa. Esimerkiksi aurinpeileillä ei voi koskaan kuumentaan mitään esinettä kuumemmaksi, kuin auringon pinta.

http://en.wikipedia.org/wiki/Stefan%E2% ... tzmann_law
The Stefan–Boltzmann law, also known as Stefan's law, states that the total energy radiated per unit surface area of a black body per unit time (also known as the black-body irradiance or emissive power), j*, is directly proportional to the fourth power of the black body's thermodynamic temperature T (also called absolute temperature):
[code:1sko52t3] j^{\star} = \sigma T^{4}[/code:1sko52t3].

To find the total absolute power of energy radiated for an object we have to take into account the surface area, A(in m2):

[code:1sko52t3]P= A j^{\star} = A \varepsilon\sigma T^{4}[/code:1sko52t3].


Jos keräät kaiken auringon lähettämän säteilyn peileillä 1m säteisen pallon pinnalle, jolla on alunperin täsmälleen sama lämpötila kuin auringon pinnalla, niin mitä tapahtuu ?
Pinta-alaa kohti aurinko lähettää saman verran lämpösäteilyä kuin pallokin, mutta koska pinta-ala on aivan eri kertaluokkaa, niin aurinko lähettää paljon enemmän säteilyä kuin tuo pallo.
Väitätkö, että pallo kieltäytyy absorboimasta tuota säteilyä, ja jos niin miten se sen osaa tehdä, kun nuo fotonit eivät sisällä informaatiota siitä, että mistä lämpötilasta olevasta pinnasta ovat lähtöisin ?
Jos et väitä, niin silloinhan pallo absorboi enemmän kuin lähettää, joten sen lämpötilan on pakko nousta alkuperäistä suuremmaksi, ja siten myös auringon pintalämpötilaa suuremmaksi, kunnes säteilytasapaino muodostuu.

Tämä kaikki on tietysti teoriaa, koska tuollaista määrää täydellisen muotoisia peilejä ei löydy, eikä niitä saataisi paikalleen, mutta jos niin voitaisiin tehdä, niin jo esim 0.1% heijastavuudella lämpövuo palloon päin olisi aluksi huomattavasti suurempaa.
Siis jättimäinen ellipsoidipeili, jonka toisessa polttopisteessä on aurinko ja toisessa tuo pallo.

Kerro missä menee pieleen, toisen pääsäännön mainitseminen ei riitä, koska se ei vastaa boldattuun kysymykseen.

Denzil Dexter
Seuraa 
Viestejä6665
Liittynyt7.8.2007
kuukle

Kerro missä menee pieleen, toisen pääsäännön mainitseminen ei riitä, koska se ei vastaa boldattuun kysymykseen.




Kokeile valolla: säteilyä se on sekin. Laita paksu ja iso linssi pimeän huoneen seinäksi ja odota että se alkaa valaista ympäristöään. Voit tehdä sinne linssillä kirkkaan pisteen, mutta et saa sen avulla toista, valoisaa huonetta sen valoisammaksi.

kfa
Seuraa 
Viestejä2516
Liittynyt13.3.2008
myooppi
kfa
myooppi
Kysymykseen absorboituuko matalamman lämpösäteilijän säteilyenergia lämpötilaltaan korkeampaan säteilijään? vastattiin perustelemattomilla selityksillä



Perusteltu selitys oli tämä: Fotoni ei kanna mukanaan tietoa siitä, missä lämpötilassa sen lähettänyt pinta on. Fotonin kaikki "tieto" sisältyy sen aaltovektoriin: fotonin aallonpituus (energia), liikesuunta ja polarisaatio. Mikään näistä ei ole suoraan sidoksissa lämpösäteilyä lähettävän pinnan lämpötilaan.

Selityksesi ei tuo mitään uutta edellä sanottuun ja selittämäsi koe mahdoton.



Selitykseni sisältää sen, mikä kysymyksesi kannalta oli oleellista. Fotonit eivät voi käyttäytyä absorptiossa tavalla, joka edellyttäisi niiden tietävän lämpötilaeron lähteen ja kohteen välillä. Jos olet tästä väitteestä eri mieltä niin kerropa perustellen mikä väitteessä on virheellistä.

Esittämäni koe on mahdollinen ja toteutettavissa ainakin sen perusteella, mitä itse tiedän tyhjiötekniikasta ja mittaustekniikasta yleensä. Mikä nimenomainen kohta esittämässäni kokeessa on mielestäsi mahdoton toteuttaa ja miksi? Lämpötilojen mittailu tyhjiökammioissa ja lämpösäteilyn huomioonottaminen on rutiinijuttuja laboratorioissa ympäri maailmaa.

Mieti nyt vähän itsekin vähän tätä asiaa: Lämpösäteilyn kautta termisen tasapainon saavuttava kappale lähestyy eksponentiaalisesti ympäristönsä lämpötilaa. Mitä pienempi lämpötilaero kappaleen ja tasalämpöisen ympäristön välillä on sitä hitaammin kappaleen lämpötila muuttuu. Jos kylmemmän kappaleen oma lämpösäteily ei siirtäisi energiaa myös toiseen suuntaan niin lämpötilan tasaantumisnopeuden pitäisi olla riippumaton lämpötilaerosta eli lämpötila nousisi tasaisella nopeudella kunnes tasapainolämpötilassa tuo nousu yhtäkkiä mystisesti katkeaisi. Näin ei todellakaan tapahdu eli olet nyt keksimässä uusia fysiikan lakeja.

Kim Fallström kfa+news@iki.fi

Sivut

Uusimmat

Suosituimmat