Цветные предметы на самом деле «впитывают» все цвета, кроме «своего», а самые черные тела выглядят ослепительно белыми. Почему в этом нет парадокса, какого цвета на самом деле Солнце и при чем здесь энергетика — объясним на примере загадочного абсолютно черного тела.
Абсолютно черное тело
Абсолютно черное тело должно полностью поглощать электромагнитное излучение, падающее на него, во всех диапазонах спектра. Это энергетическая ловушка, которую можно представить себе как полость с небольшим отверстием: попав через него внутрь, излучение переотражается от внутренних стенок и уже не выходит наружу.
Электроны в атомах любого вещества поглощают энергию, которую доставили фотоны, — и атомы переходят в возбужденное состояние. В результате поглощенное им электромагнитное излучение становится тепловой энергией, а тело само начинает испускать тепло, свет и другие типы излучения.
Наука считает, что абсолютно черное тело существует только в теории. При этом есть природные и искусственные объекты, которые близки к нему по способности поглощать или излучать. Например, сажа «впитывает» около 99% видимого света, но плохо поглощает волны инфракрасного диапазона.
Почти черное Солнце
К почти абсолютно черным телам относят Солнце и другие звезды. Они поглощают волны в своих атмосфере и внутренних слоях, причем внутри звезд излучение поглощается и переизлучается многократно. Эти процессы связаны с температурой, химическим составом и физическими условиями в разных слоях светил.
С абсолютно черным телом Солнце роднит и то, что оно излучает электромагнитные волны в широком спектре. Физики установили, что делать это максимально эффективно могут именно абсолютно черные тела. Звезды, внутри которых идут термоядерные реакции с выделением огромного количества энергии, вынуждены источать ее, чтобы оставаться в энергетическом равновесии. Вот почему почти абсолютно черное Солнце на небе выглядит белым. Причем по способности излучать энергию оно может быть ближе к абсолютно черному телу, чем черная дыра: она тоже поглощает электромагнитное излучение, но испускает гипотетическое маломощное излучение Хокинга.
Другие цвета абсолютовАбсолютно серые тела излучают и поглощают энергию равномерно во всех длинах волн, но менее эффективно, чем абсолютно черные. Примеры таких тел — раскаленные металлы, лава. Абсолютно белые тела отражают 100% падающего на них излучения, не поглощая его. Почти таким является идеально отполированное серебро.
Чем горячее поверхность звезды, тем короче волны видимого спектра — от красного до голубого, — которые она излучает. Температура поверхности Солнца — более 5,5 тысячи градусов: по этому показателю его относят к желтым звездам. Кстати, с Земли мы видим его более желтым, чем оно выглядит в космосе: причина — в атмосфере нашей планеты, которая рассеивает короткие волны.
Зачем ученые создают черные тела
Искусственные материалы, по свойствам близкие к абсолютно черному телу, в перспективе пригодятся в солнечной энергетике для увеличения поглощения света, в аэрокосмической отрасли — для защиты летательных аппаратов от излучения, в оптических системах — для предотвращения рассеивания света.
Один из самых черных материалов в мире, созданных учеными, — Vantablack: он поглощает 99,965% видимого света. Материал состоит из «леса» ультратонких углеродных нанотрубок, в котором свет безнадежно теряется и не может отразиться.
В теплоэнергетике свойства черных тел уже применяют для снижения потерь тепла, распределения излучения и повышения КПД. Например, в черный цвет окрашивают устройства-теплообменники. По телам, приближенным к абсолютно черным, калибруют некоторые виды датчиков и термометров, а также тепловизоры — приборы для наблюдения за распределением температуры.
Оригинал статьи и другие материалы об энергетике читайте на сайте журнала «Энергия+».