Equilibrio radiativo, Definiciones, Mecanismos de equilibrio radiativo



Equilibrio radiativo es uno de los varios requisitos de equilibrio termodinámico, pero puede ocurrir en ausencia de equilibrio termodinámico. Hay varios tipos de equilibrio radiativo, que es en sí misma una especie de equilibrio dinámico.

Definiciones

Hay varios tipos de equilibrio radiativo.

Definiciones de Prevost

Una primera contribución importante fue hecha por Pierre Prevost en 1791. Prevost consideró que lo que hoy se llama el gas de fotones o radiación electromagnética es un líquido que se llama "fuego libre". Prevost propone que el calor radiante libre es un fluido muy raros, los rayos de los cuales, al igual que los rayos de luz, pasan a través de ellos sin alteración detectable de su paso. La teoría de los intercambios de Prevost dijo que cada cuerpo irradia y recibe radiación, otros órganos. La radiación de cada cuerpo se emite independientemente de la presencia o ausencia de otros órganos.

Prevost en 1791 ofrece las siguientes definiciones:

Equilibrio absoluto de calor libre es el estado de este líquido en una porción de espacio que recibe tanto de él, ya que le permite escapar.

Equilibrio relativa de calor libre es el estado de este fluido en dos porciones de espacio que reciben unos de otros cantidades iguales de calor, y que, además, están en equilibrio absoluto, o experimentan cambios precisamente iguales.

Prevost llegó a comentar que "El calor de varias porciones de espacio a la misma temperatura, y al lado de los otros, es al mismo tiempo en las dos especies de equilibrio."

Pointwise equilibrio radiativo

Después de Planck, un campo de radiación se describe a menudo en términos de intensidad de la radiación específica, que es una función de cada punto geométrico en una región de espacio, en un instante de tiempo. Esto es ligeramente diferente de modo Prevosts de definición, que fue para las regiones de espacio. También es un poco conceptualmente diferente de la definición Prevosts: Prevost pensaba en términos de calor unido y libre, mientras que hoy en día pensamos en términos de calor en cinética y otra energía dinámica de las moléculas, es decir, el calor en la materia, y el gas de fotones térmicos. Una definición detallada se da por Goody y Yung. Piensan en la interconversión entre la radiación térmica y el calor en la materia. A partir de la intensidad de la radiación específica que derivan, el vector monocromática densidad de flujo de radiación en cada punto en una región del espacio, que es igual al tiempo de promediado vector de Poynting monocromática en ese punto. Ellos definen la tasa de volumen específico monocromática de ganancia de calor por la materia de la radiación como el negativo de la divergencia del vector de densidad de flujo monocromática, sino que es una función escalar de la posición del punto:

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Definen equilibrio radiativo monocromática por

 en cada punto de la región que está en equilibrio radiativo.

Definen equilibrio radiativo por

 en cada punto de la región que está en equilibrio radiativo.

Esto significa que, en cada punto de la región del espacio que está en equilibrio radiativo, el total, para todas las frecuencias de la radiación, la interconversión de la energía entre la radiación térmica y el contenido de energía en la materia es nulo. Pointwise equilibrio radiativo está estrechamente relacionado con absoluta equilibrio radiativo de Prevost.

Mihalas y Weibel-Mihalas destacar que esta definición se aplica a un medio estático, en el que el asunto no se está moviendo. También consideran los medios de comunicación móviles.

 Aproximado equilibrio radiativo puntual

K. Schwarzschild en 1906 considera un sistema en el que la convección y la radiación tanto operada pero la radiación fue mucho más eficiente que la convección que la convección podría ser, como una aproximación, descuidado, y la radiación puede ser considerado predominante.

Chandrasekhar escribe acerca de un modelo de atmósfera estelar en el que "no existen mecanismos, distintos de la radiación, para el transporte de calor dentro de la atmósfera ... no hay fuentes de calor en la atmósfera." Esto no es diferente de 1906 concepto aproximado de Schwarzschild, pero se afirma con mayor precisión.

Equilibrio de intercambio radiativo

Planck se refiere a una condición de equilibrio termodinámico, en el que "cualquiera de los dos cuerpos o elementos de los órganos seleccionados al azar en el intercambio por radiación cantidades iguales de calor entre sí."

El término equilibrio de intercambio radiativo también puede ser utilizado para referirse a dos regiones determinadas de espacio de cambio que cantidades iguales de la radiación de emisión y de absorción. Equilibrio de intercambio radiativo es casi el mismo que el equilibrio radiativo relativo de Prevost.

 Aproximado equilibrio intercambio radiativo

En una primera aproximación, un ejemplo de equilibrio radiativo de cambio está en el intercambio de la ventana no la radiación térmica de longitud de onda entre la tierra y la superficie del mar y la atmósfera más baja, cuando hay un cielo claro. Como una primera aproximación, en los números de onda sin ventana, hay un intercambio neto de cero entre la superficie y la atmósfera, mientras que, en los números de onda de ventana, no es simplemente la radiación directa desde la superficie de la tierra-mar al espacio. Una situación como se produce entre las capas adyacentes en la capa límite turbulenta mixto de la troposfera inferior, expresada en el llamado "enfriamiento a la aproximación espacio", primero observó por Rodgers y Walshaw.

Definición de un sistema celestial pasiva completa como un planeta que no proporciona su propia energía

 Equilibrio radiativo global

Liou y otros autores utilizan el término equilibrio radiativo global para referirse al supuesto o teóricamente concebido equilibrio intercambio radiativo global entre la tierra y el espacio extraterrestre; estos autores tienen la intención de significar que, en un estado de equilibrio o putativo teóricamente concebido, radiación solar absorbida por el Tierra y su atmósfera sería igual a la radiación saliente de onda larga de la tierra y su atmósfera. Prevost diría entonces que la tierra y su atmósfera considerado en su conjunto estaban en equilibrio radiativo total. Algunos buenos textos, por ejemplo Satoh, son más bien arrogante aquí y simplemente se refiere a "equilibrio radiativo", al parecer, no distingue entre punto a punto y el equilibrio radiativo de cambio global. Estos usos suponen que el suministro de energía a partir de reacciones nucleares en el planeta química y son insignificantemente pequeña, la suposición muy opuesta a la que motiva una definición contrario se indican a continuación.

Las diversas temperaturas globales que pueden ser teóricamente concebidos para cualquier planeta en general en putativo o teóricamente concebido equilibrio radiativo global son de considerable interés. Tales temperaturas incluyen la temperatura de cuerpo negro equivalente de un planeta, también llamada la temperatura de emisión de radiación efectiva del planeta. Conceptos putativo o teórico relacionados incluyen la temperatura de aire de la superficie mundial-media, que considera específicamente la presencia de una atmósfera.

Definición de un sistema celestial activa entera como una estrella que suministra su propia energía

 Una definición contraria

Cox y Giuli usan una definición bastante contrario a los usos anteriores. Ellos definen "equilibrio radiativo 'para una estrella, considerada en su conjunto, y la atención no sólo confina a su atmósfera, cuando la tasa de transferencia en forma de calor de la energía de las reacciones nucleares, además de la viscosidad a los movimientos microscópicos de las partículas del material de la estrella es sólo equilibrada por la transferencia de energía por la radiación electromagnética de la estrella al espacio. Esta es una manera de utilizar las palabras "equilibrio radiativo 'que es contrario a los usos mencionados anteriormente. Señalan que una estrella que irradia energía al espacio no puede estar en un estado constante de la distribución de la temperatura a menos que haya un suministro de energía, en particular, que tienen en mente un suministro constante de energía a partir de reacciones nucleares dentro de la estrella, para apoyar a la radiación al espacio. Del mismo modo la condición de que se utiliza para la definición anterior de equilibrio radiativo punto a punto, es decir, en cada punto de la región que está en equilibrio radiativo, no puede mantener a lo largo de una estrella que está en un estado constante de la distribución de la temperatura, sin un suministro de energía. Definición Cox y de Giuli les permite decir al mismo tiempo que una estrella se encuentra en un estado constante de la distribución de la temperatura y está en "equilibrio radiativo", sino que asumen que toda la energía de radiación al espacio viene de dentro de la estrella, todo lo contrario suposición de que la realizada por los usuarios mencionados anteriormente el concepto de "equilibrio radiativo global".

Mecanismos de equilibrio radiativo

Cuando no hay suficiente materia en una región para permitir que las colisiones moleculares que ocurren con mucha más frecuencia que la creación o aniquilación de fotones, la radiación se habla de equilibrio termodinámico local. En este caso, la ley de igualdad de capacidad de absorción de radiación y la emisividad de Kirchhoff se mantiene.

Dos cuerpos en equilibrio radiativo de cambio, cada uno en su propio equilibrio termodinámico local tienen la misma temperatura y el intercambio radiativo cumple con el principio de reciprocidad Stokes-Helmholtz.