Domanda:
Se fossi in piedi accanto a un pezzo di metallo riscaldato a un milione di gradi, ma in un vuoto perfetto, mi sentirei caldo?
Peter_Browning
2019-07-14 19:39:33 UTC
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Un mio amico mi ha detto che se ti trovassi accanto a una piastra di metallo calda a milioni di gradi, all'interno di un vuoto al 100%, non ne sentiresti il calore.È vero?Capisco il ragionamento secondo cui non c'è aria, quindi nessuna convezione, e se non la tocchi, non c'è nemmeno la conduzione.Sto più chiedendo informazioni sulla radiazione termica emessa da esso.

I commenti sono intesi come brevi messaggi per [fornire feedback, aggiungere informazioni minori, chiedere chiarimenti o discutere il * contenuto del post *] (https://physics.stackexchange.com/help/privileges/comment).I commenti che sono effettivamente risposte alla domanda verranno rimossi.
Otto risposte:
#1
+197
Chiral Anomaly
2019-07-14 20:53:44 UTC
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Sto più chiedendo informazioni sulla radiazione termica emessa da esso.

Ecco una stima quantitativa.

Supponi che la piastra calda sia rimasta intatta abbastanza a lungo per fare l'esperimento. Per una stima approssimativa, possiamo trattare la piastra metallica calda come un corpo nero. Secondo la legge di spostamento di Wien, la radiazione elettromagnetica emessa da un corpo nero a temperatura $ T $ è più forte alla lunghezza d'onda $$ \ lambda = \ frac {b} {T} \ quad b \ circa 2,9 \ volte 10 ^ {- 3} \ \ mathrm {m \ cdot K}. \ tag {1} $$ La potenza totale emessa per unità di superficie è data dalla legge di Stefan-Boltzmann $$ \ frac {P} {A} = \ sigma T ^ 4 \ quad \ sigma \ approx 5.7 \ times 10 ^ {- 8} \ \ mathrm {\ frac {W} {m ^ 2 \ cdot K ^ 4}}. \ tag {2} $$ Per $ T = 10 ^ 6 \ \ mathrm K $ , queste stime danno $$ \ lambda \ circa 2,9 \ volte 10 ^ {- 9} \ \ mathrm m $$ e $$ \ frac {P} {A} \ approx 5.7 \ times 10 ^ {16} \ \ mathrm {\ frac {W} {m ^ 2}}. $$ Questa lunghezza d'onda è nell'intervallo dei raggi X e questo livello di potenza è più di trilione di volte la potenza che una persona sulla terra riceverebbe dal sole se non ci fossero nuvole e niente aria.

Lo sentiresti? Non ne sono sicuro. Probabilmente solo molto brevemente.

Dato quanto i segnali nervosi lenti sono paragonati alla luce, sono abbastanza sicuro che non lo sentiresti: P
È giusto approssimare un metallo con un corpo nero?I metalli comuni hanno un'elevata emissività alle alte temperature (mentre non sono ancora vaporizzati)?
@Ruslan.Aggiornamento di un commento dell'utente Fattie: “Sicuramente e ovviamente il problema che il metallo non sarebbe un metallo, - * o un corpo nero, o vaporizzato * - a quella temperatura, non è il punto della domanda.
C'è ancora qualche domanda sulla dimensione del piatto e sulla distanza tra la persona e il piatto.Una lastra da un milione di Kelvin di un metro quadrato a 150 milioni di km di distanza non servirà a molto perché la sua radiazione si diffonderà sulla sfera di cui è il centro.
@J.Manuel Anche così il commento di Ruslan è ancora corretto se si chiedono se ciò avrebbe un effetto importante sulla risposta.
@Ian OP ha specificato che la persona del test sarebbe stata "accanto al piatto" e ha menzionato "ma non toccarlo".Quindi la distanza va da 0,1 a 1 metro.
@Ruslan Anche se in qualche modo la piastra emettesse solo lo 0,1% di ciò che ci si aspetterebbe dalla radiazione di corpo nero, non cambierebbe molto a quelle scale.
Inoltre, anche se ignoriamo la radiazione, la piastra metallica che esplode ti vaporizzerà prima che tu senta qualcosa.A un milione di gradi non esiste una lastra di metallo, c'è solo plasma caldo e denso ...
@J.Manuel A quelle temperature, entriamo nel regno della materia "esotica".Gli elettroni saranno liberi (abbastanza), il che significa corpo nero.
@Aron Voglio dire, ti stai concentrando sull'idea sbagliata.Quando due amici stanno discutendo, quelle figure ridicole hanno lo scopo di fare un punto.In questo caso, che "* il calore non può essere trasferito attraverso il vuoto, o viene trasferito solo in minima parte attraverso la radiazione *" che è la preoccupazione principale del PO, e la risposta breve è "* no, può *".Quindi, 100000 gradi non è il punto qui.Questa risposta va oltre fornendo anche un'idea di ciò che sarebbe accaduto se stavi vicino a "qualcosa (qualsiasi cosa)" a 1000000 gradi: probabilmente saresti atomizzato.
J.Manuel Oooo gli elettroni hanno energie relativistiche!Quindi anche le radiazioni di Cherenkov inizierebbero a prendere in considerazione!
#2
+87
Tomáš Zato - Reinstate Monica
2019-07-15 14:27:47 UTC
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Le altre risposte forniscono una buona spiegazione del motivo per cui il tuo amico ha torto in questo caso.Voglio solo sottolineare come entrambi potreste facilmente raggiungere la stessa conclusione senza conoscere gran parte della fisica coinvolta:

La superficie del Sole è di circa 6000 gradi (Celsius e Kelvin).È separato da te da 150 milioni di chilometri di vuoto, ma puoi percepirlo chiaramente.Ne consegue che potevi sentire anche temperature più alte, fino al punto in cui non riuscivi a sentire assolutamente nulla.

Sebbene sia vero, non segue.Senza una conoscenza più ampia, potremmo concludere che mentre l'atmosfera intorno a noi è riscaldata, lo spazio al di là non lo è.
@Strawberry Non capisco che punto stai facendo.Stai facendo una distinzione tra luoghi dove c'è qualcosa da riscaldare (l'atmosfera) e dove non c'è niente (spazio esterno)?Se è così, allora ovunque tu sia, per definizione c'è qualcosa da riscaldare.Se stai semplicemente dicendo che potrebbero essere qualcosa di speciale nell'atmosfera che assorbe il calore dove un corpo umano non lo farebbe, non c'è motivo a priori per pensarlo.
Tuttavia, sentire il Sole dalla Terra non ha a che fare con la temperatura superficiale del Sole, vero?Mi sembra che si tratti delle radiazioni delle reazioni nucleari lì.
@Dronz no, se intendi i raggi gamma.Non senti i raggi gamma come calore.È la radiazione termica che puoi sentire come calore.E la radiazione termica è una conseguenza diretta della temperatura superficiale.
@Džuris Oh, quindi qualsiasi cosa con una superficie così ampia a quella temperatura irradierebbe così tanta radiazione termica, indipendentemente dall'interno (anche se la superficie è il risultato dell'interno in questo caso)?(E sarebbe giusto dire che la radiazione termica è luce?)
@Dronz Esattamente.Inoltre, solo una frazione relativamente piccola della radiazione penetra negli strati superiori del sole, la maggior parte rimbalza all'interno e credo si converta in radiazioni di lunghezza d'onda più lunga, come gli infrarossi.
@Strawberry * "mentre l'atmosfera intorno a noi è riscaldata, lo spazio al di là non lo è." * Questo è il punto, però: la temperatura dell'atmosfera è aumentata di un paio di centinaia di Kelvin più calda di quanto sarebbe se non fosse riscaldata dal Sole,e il Sole è molto più freddo e più distante dell'oggetto ipotizzato dalla domanda.Se un oggetto con una temperatura superficiale di 6000 kelvin separato da 150 milioni di km di vuoto può riscaldare qualcosa di un paio di centinaia di kelvin, allora un oggetto a un milione di gradi kelvin a una distanza di solo un metro o giù di lì avrebbe sicuramente un notevole effetto di riscaldamento.
Come Dronz, sto avendo un po 'di disconnessione qui.Anche il nucleo della Terra si trova a circa 6000 K e molto più vicino.Eppure non siamo abbronzati dalla sua radiazione del corpo nero.Non sto dicendo che non mi piacerebbe il calore geotermico che riscalda la mia casa di città negli inverni :-) Sono solo un po 'sorpreso dal fatto che il sole sarebbe "solo un corpo nero a 6000K".
@JyrkiLahtonen, La radiazione dal nucleo terrestre viene interrotta dagli strati di metallo e roccia sopra il nucleo.L'energia deve trasferirsi tramite conduzione, il che richiede molto tempo con qualcosa di massiccio come un pianeta.È anche il motivo per cui la superficie del Sole è di soli 6kK invece di 15MK.
@JyrkiLahtonen La * superficie * del Sole contro il * nucleo * della Terra.Se esponessi magicamente il nucleo della Terra, brillerebbe davvero tanto quanto il Sole.Nota che "abbronzatura" non è comunque il punto, poiché quella è la parte che * non * proviene dalla superficie - i livelli di UV simili al sole richiedono temperature più elevate rispetto a quelle del nucleo terrestre.Ma quel doppio non ha importanza, dal momento che comunque non senti i raggi UV come calore, motivo per cui è così facile scottarsi in una giornata leggermente nuvolosa;la luce visibile e infrarossa (la maggior parte del "calore" che sentiamo) viene facilmente assorbita e diffusa anche da nuvole sottili, mentre i raggi UV no.
Grazie @Luaan.Già, parlare di "abbronzatura" era ottuso.
Grazie @MichaelS.Quelle cifre.Immagino di essere stato solo un po 'sorpreso dal fatto che la temperatura superficiale del Sole (o quella di questo immaginario "piatto") sia l'unica cosa che conta.
@anaximander _temperatura superficiale di 6000 kelvin separate da 150 milioni di km_ - Ricorda che il sole è _enorme_.Se prendessi un pezzo di metallo riscaldato a 6000 kelvin e lo mettessi a 150 milioni di km da te, non te ne accorgeresti nemmeno.Non rilascerebbe nemmeno una frazione dell'energia che il sole fa.
@forest Corretto.L'oggetto * n * volte la dimensione del sole dovrebbe essere * n * volte più vicino se non sbaglio con la matematica.
#3
+28
orion
2019-07-14 20:44:42 UTC
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Il tuo amico ha completamente torto.Considera le seguenti cose:

  1. La temperatura di cui parli è molto alta, nessun metallo sarebbe allo stato solido alla temperatura di cui parli.Quindi, prima che il tuo piatto raggiunga milioni di gradi, si sarebbe sciolto molto prima.

  2. La tua comprensione è corretta in termini di radiazione termica.La radiazione del Sole raggiunge la Terra e c'è un vuoto in mezzo.Quindi, se hai un oggetto caldo come stai parlando, emetterà energia di radiazione termica per unità di tempo secondo l'equazione di Stefan-Boltzmann.E ricorda, il tasso di radiazione emessa è proporzionale alla quarta potenza della temperatura, quindi raddoppiare la temperatura aumenterebbe il tasso di 16 volte.Puoi calcolare l'energia che raggiunge per unità di superficie della tua pelle e scoprire cosa succederà!

Non vuoi dire che il piatto sublimerà invece di sciogliersi, poiché la temperatura è al di sopra del suo punto di ebollizione?
@Ferrybig Poiché OP non ha menzionato la velocità con cui la temperatura viene aumentata a milioni di gradi, quindi non ho supposto che la temperatura aumenterebbe improvvisamente a milioni di gradi.Sono d'accordo che nessuno dei due OP ha menzionato che la temperatura sta aumentando lentamente per consentire al metallo di sciogliersi, quindi immagino di aver capito il tuo punto.È solo che non mi sentivo, dato l'intento della domanda, di essere troppo tecnico su cose che non importa il messaggio generale che la risposta dovrebbe trasmettere.A volte, sento che essere troppo tecnico quando non ce n'è bisogno potrebbe uccidere l'obiettivo di trasmettere l'intuizione
Abbastanza divertente, in questo caso penso che potrebbe sublimare;ma non per i motivi suggeriti da ferrybig.Probabilmente dipende anche molto dal metallo, ho potuto solo trovare rapidamente informazioni sul ferro.Se si assume un vuoto effettivamente perfetto, [il ferro non ha fase liquida a quelle pressioni] (https://en.wikipedia.org/wiki/Allotropes_of_iron#/media/File:Pure_iron_phase_diagram_ (EN) .svg) quindi sublimerebbe,almeno inizialmente.La pressione parziale del vapore di ferro potrebbe essere sufficiente per far sì che il resto inizi a fondere comunque una volta che una parte di esso evapora.
@JMac Bene, questo è un bel punto, non ho pensato in questa direzione.Grazie per aver postato.
@Ferrybig si ionizzerà totalmente invece di sublimare.
@OrangeDog Probabilmente potresti dire che farà entrambe le cose.Comincerebbe sublimando all'inizio del riscaldamento;ma una volta che inizia a raggiungere temperature più alte, non credo sia ragionevole presumere che sia un solido, un liquido o un gas.
#4
+14
Peter Teoh
2019-07-15 12:00:46 UTC
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Un mio amico mi ha detto che se tu fossi stato accanto a un piatto di metallo che è caldo milioni di gradi, all'interno di un vuoto al 100%, lo faresti non sentire il suo calore. È vero?

Non è vero. Il concetto di "calore" - secondo Feynman è il "tremolio dell'atomo". Nell'intervallo di bassa temperatura questi jiggling avranno bisogno di conduzione / convezione come modalità di trasmissione della sua energia - al fine di trasmettere il "calore" tramite "jiggling" interatomico.

D'altra parte, questi "jiggling" non devono essere solo l'atomo stesso, ma possono essere gli elettroni che passano da un livello di energia all'altro. Questo passaggio tra il livello di energia degli elettroni emetterà tutti i tipi di onde EM (a seconda degli intervalli di temperatura). Alcuni di questi sono onde infrarosse. Anche il tuo tostapane quando è caldo emetterà onde infrarosse, che POSSONO trasmettere attraverso il vuoto. Proprio come il sole, la cui energia ci raggiunge attraverso un vuoto spinto. O la tua pelle - e la luce a infrarossi è visibile di notte agli occhiali per la visione notturna.

Nota: come qualcuno ha evidenziato che la radiazione del corpo nero si è verificata a tutte le temperature - Vero. (queste sono le onde EM emesse come menzionato sopra)

Potresti voler cambiare la parte in cui indichi che il movimento di oggetti a bassa temperatura richiede convezione / conduzione.Tutti gli oggetti emettono radiazioni di corpo nero.L'intensità / energia dipende dalla temperatura: è per questo che i predatori con visione a infrarossi possono vedere il calore della loro preda, mentre le cose riscaldate a poche centinaia di gradi si illuminano di rosso, e perché le cose riscaldate diventano ancora più bianche.Potrebbe non essere * visibile * a temperature più basse, ma la radiazione sta ancora accadendo.
#5
+12
Loren Pechtel
2019-07-16 00:43:07 UTC
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In realtà, il tuo amico probabilmente ha ragione, ma per il motivo sbagliato.Quanta energia ti friggerà in brevissimo tempo e probabilmente ucciderà i nervi prima che possano dire "caldo!"

Ricorda, l'energia arriva alla quarta potenza della temperatura.100 volte la temperatura del sole equivale a 100 milioni di volte l'energia.Non c'è dubbio che sia abbastanza per ucciderti molto rapidamente, l'unica incertezza che ho qui è se percepirai qualcosa prima che accada.

Perché i voti negativi?Questa è in realtà la risposta più corretta.Essere vicino a qualcosa che è oltre cento volte la temperatura superficiale del Sole ti farà sentire morto (qualunque cosa sia).
Hai fatto +1 a zero, ma è comunque una cattiva risposta perché non spiega perché.Vedi la risposta più votata per un esempio dello stesso punto fatto bene
Non percepiresti nulla prima che accada.L'energia che riceveresti sarebbe maggiore di quella se dovessi sederti su una bomba all'idrogeno, e naturalmente l'onda di pressione di una bomba viaggia molto più lentamente della luce.
@forest Il problema è quanto velocemente i nervi possono percepire e quanto velocemente i segnali si muovono lungo i nervi.I segnali più veloci sono solo circa 120 m / se ci vuole anche il tempo del cervello per tradurre quell'impulso in una sensazione.
#6
+7
jjoonathan
2019-07-16 23:32:31 UTC
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La radiazione termica sarebbe davvero un problema, ma ci sono un paio di aspetti interessanti di questa domanda e della sua risposta che sono oscurate dall'iperbole. È istruttivo eliminare l'iperbole per saperne di più.

Prima di tutto, "milioni di gradi" non è compatibile con "metal" in senso familiare. Il ferro bolle a 2862 ° C. Il tungsteno fonde a 3422 ° C e bolle a 5930 ° C [1]. A milioni di gradi avresti una palla di plasma in espansione che compete con la propria radiazione termica per esplodere e ucciderti. Potremmo postulare che qualcosa confina il plasma, e in tal caso la radiazione termica ti cucinerebbe in breve tempo, come esplorato in altre risposte.

Tuttavia, penso che il tuo amico potrebbe aver pensato a un fenomeno molto reale che spesso viene oscurato dai curricula introduttivi di fisica. Non lo vedo menzionato qui, ma ha letteralmente e metaforicamente bruciato molte persone, quindi vale la pena riformulare la domanda per evidenziare questo fenomeno.

"Se agiti la mano vicino a un blocco di alluminio a 660 ° C, appena al di sotto della sua temperatura di fusione, senti il ​​calore, supponendo che il trasferimento di calore convettivo sia trascurabile?"

Conosciamo gli oggetti caldi nella vita di tutti i giorni e intuitivamente ci aspettiamo che gli oggetti caldi irradiano calore. La legge di Stefan-Boltzmann ci dice quanta potenza per area irradia un corpo nero e molti oggetti nella nostra vita quotidiana sono approssimati in modo decente dai corpi neri. Partendo dal presupposto che l'alluminio si comporti come un corpo nero - di cui ora dovresti essere molto sospettoso - potresti intuitivamente aspettarti di sentire approssimativamente la seguente potenza / area di calore irradiato quando passi la mano con un gesto:

$$ \ frac {P} {A} = \ sigma T ^ 4 \ approx (5,67 \ cdot 10 ^ {- 8}) (273 + 660) ^ 4 \ circa 4,3 W / cm ^ 2 $$

Ne sentiresti solo il 3%. Potresti erroneamente presumere che l'alluminio abbia una temperatura bassa, toccarlo e bruciarti. Molti lo hanno fatto.

Il motivo è semplicemente che molti materiali in molte condizioni non si comportano come corpi neri. L'alluminio è un famigerato valore anomalo. Il rapporto tra la radiazione termica effettiva emessa e la radiazione del corpo nero è chiamato emissività termica e varia abbastanza a seconda dei diversi materiali, finiture superficiali e così via:

https://en.wikipedia.org/wiki/Emissivity

In laboratorio, questo ha conseguenze pratiche. Non è possibile leggere la temperatura di superfici metalliche lucide attraverso una termocamera perché quelle superfici si comporteranno come specchi, non come bastoncini luminosi che indicano la temperatura. Puoi risolvere questo problema aggiungendo piccole macchie nere alle parti lucide che devi misurare.

Mi spavento almeno una volta all'anno assemblando un circuito, guardandolo attraverso una termocamera per il primo accensione, allungando la mano per accendere un alimentatore e saltando indietro all'improvviso salto di temperatura dovuto alla vista del mio braccio riflessione termica nei componenti lucidi.

[1] Tratto direttamente dalle pagine di wikipedia per Iron and Tungsten. Credo che queste temperature presumano il vuoto ma non l'ho verificato. Indipendentemente da ciò, non mi aspetto che P = 1atm modifichi radicalmente la discussione.

#7
+3
PackSciences
2019-07-14 19:42:23 UTC
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Sentiresti la sua radiazione di corpo nero poiché è un'onda EM e non ha bisogno di un supporto fisico per propagarsi.Inoltre, "100% vaccuum" non è una definizione rigorosa dello stato del sistema.

La risposta sarebbe la stessa indipendentemente dal fatto che ti trovi o meno in un ultra-alto vuoto oa 500 atmosfere.Moriresti all'istante in entrambi i casi.
@forest Hai ragione, ho appena segnalato un problema nella definizione della domanda, anche se non ha influenza sul risultato.
@forest Beh, in realtà a 500 atmosfere, ci sarebbe un trasferimento favorevole
#8
+1
jacob
2019-07-17 03:37:13 UTC
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Le risposte del corpo nero vanno bene, ma vorrei sottolineare che nessuno ha tenuto conto della quantità di materiale presente.Se avessi un gas metallico con 100 atomi che obbediscono a una distribuzione di Maxwell-Boltzman alla temperatura indicata, non sentiresti nulla.

100 atomi difficilmente possono essere descritti come una "piastra di metallo" come specificato nella domanda
Dato che la piastra è un disco di raggio X, a 1 metro dalla persona, approssimando il Sole come un disco di raggio 700 Mm, 150 Mm dalla persona, otteniamo [1 m = X² × 15,6 × 10¹⁵ ÷ 441] (https://www.wolframalpha.com/input/?i=1%3D(10%5E6+K%2F6*10%5E3+K)%5E4*(150*10%5E6+km+%2F1+m)%5E2*(X + m% 2F700 * 10% 5E3 + km)% 5E2), che ci fornisce [X = 170 nm] (https://www.wolframalpha.com/input/?i=1%3D15.625*10%5E15 + X% 5E2% 2F441) per eguagliare l'intensità del sole.Circa [la dimensione di un virus] (https://www.wolframalpha.com/input/?i=1.7*+10%5E-7+m).(Raggio di 1 μm con alluminio al 3% di emissività.) Non credo fosse quello che aveva in mente l'OP.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 4.0 con cui è distribuito.
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