05FE03 Termikus egyensúly:

Fizika egyszerűen

. Ahhoz, hogy  a világűrben két egymással átellenes fekete felület között termikus egyensúly lépjen fel (abszolút vákuum, hősugárzás az egyedüli hőátadási mechanizmus), azok hőmérséklete ki kell hogy egyenlítődjön, hogy egyenként annyi hőt sugározzanak amennyit egyenként el is nyelnek.

Amennyiben azonban egy fekete és egy fényes fémfelület áll egymással szemben, a fényes fémfelület hőmérséklete ugyancsak ki kell hogy egyenlítődjön a fekete felület hőmérsékletével ahhoz, hogy 1%-os hatékonysággal visszasugározza az 1%-os hatékonysággal elnyelt sugárzást (a hatékonyság azonos hőmérsékletű fekete felülethez lett viszonyítva).

Valójában az elnyelés/kisugárzás páros a hőhíd a két átellenes felület között bármely a=e értékre,kivéve az abszolút tükröző felületet ahol a=e=0 és r=1: az abszolút tükröző felület a teljes visszaverődésnek és nulla kisugárzásnak köszönhetően megtartja saját hőmérsékletét az átellenes a=e>0 és a=e<1 szürke felülettel szemben (szürke felület kisugárzása és elnyelése definíció szerint ugyanaz bármely hullámhosszon, ami valós felületekre nézve nem igaz).

Valós anyagok sugárzási spektruma nem csak hőmérsékletfüggő, hanem hullámhosszfüggő is egyben: e = e(λ,T). Felületek sugárzási/elnyelési tulajdonságai mások a beeső és kimenő sugárzásra, így a szürke felület közelítés valós anyagokra NEM is alkalmazható. Valós felületek kétféleképpen viselkednek: a szoláris spektrum elnyelési tényezője merőben eltér a szobahőmérsékleti hősugárzás kisugárzási tényezőjétől.

Valós felületek elnyelő- és kisugárzó képessége (valamint komplemensük, a tükrözés) nagyon eltérő lehet különböző hullámhosszakra:

- így például  szokásos fekete felületek egyaránt jól elnyelik és kisugározzák a szoláris  (λ=1μm, látható és közeli infravörös)  és termikus  (λ=10μm)  spektrumot   a_s=e_s=0.9, a_t=e_t=0.9.  

- fehérre festett felületek gyengén nyelik el és sugározzák ki a szoláris (λ=1μm) spektrumot: a_s=e_s=0.1, de nagyon jól elnyelik és kisugározzák a termikus (λ=10μm) spektrumot: a_t=e_t=0.9,  tehát nagyon hatékonyan tükrözik a szoláris spektrumot:  r_s=0.9,    de nagyon rosszul tükrözik vissza a termikus spektrumot: r_t=0.1. A fehér festék gyakorlatilag "fekete" a hősugárzással szembe.
                                     
Az izzásig felhevített fekete és fehér felületek közötti termikus egyensúly fenntartásához  a fekete felület szoláris hullámhossztartományban (λ=1μm) fog sugározni, az átellenes fehér felület a ráeső sugárzás 90%-át visszatükrözi, 10%-ot elnyel majd kibocsát ugyanabban a szoláris hullámhossztartományban, ugyanis az azonos felszíni hőmérséklet változatlan marad a két különböző felület között. Amennyiben ugyanez szobahőmérsékleten indul, úgy mindkét felület feketének minősíthető, és itt is az egyensúly folyamatosan meg fog maradni.

Ha azonban izzó fekete felszínnel indul a folyamat, a fehér pedig szobahőmérsékleten van, a 10%-ban elnyelt szoláris (λ=1μm) spektrum energiája 90%-os hatékonysággall lesz kisugározva a termikus (λ=10μm) spektrumban. Ezzel is azonban az elnyelt energia csak elenyésző hányada lesz vissza kisugározva a Stefan-Boltzmann q = σ T*T*T*T  F  képlettel összhangban, ahol a kisugárzott energia a hőmérséklet negyedik hatványával arányos, σ a Stefan-Boltzmann állandó, F a felület.

Az izzó felület igen gyorsan fel fogja melegíteni a szobahőmérsékletű felületet, létrejön a termikus egyensúly:
- leggyorsabban két fekete felület között,
- tízszer lasabban fekete és fehér felület között,
- százszor lasabban két fehér felület között.          

Fényes fémes felület  magas r_s=0.9 szoláris reflektivitással bír, tehát sugárzási és elnyelési tényezője alacsony: a_s=e_s=0.1. Termikus reflektivitása még egy nagyságrenddel nagyobb,  r_t=0.99,  amiből kifolyólag termikus sugárzási és elnyelési tényezője még alacsonyabb:   a_t=e_t=0.01.   Párhuzamos fekete és fémes felületek  ugyancsak elérik a termikus egyensúlyt, szoláris sugárzási tartományban hasonlóan mint a fehér színű felületek, szobahőmérsékleten azonban százszor lasabban a fekete- és fémfelület között,  tízezerszer lasabban a fém- és fémfelület között.