Jak Kelvin dla temperatury barwowej odnosi się do Kelvina dla rzeczywistej temperatury?

33

Kolor nie ma rzeczywistej temperatury. Spróbuj umieścić niebieski monitor i czerwony kwadrat na monitorze i przytrzymaj termometr w obu regionach. Jeśli zauważysz różnicę, robisz to źle. Prawdopodobnie już to wiesz.

Dlaczego więc temperatura barwowa jest mierzona w stopniach Kelvina? Kelwin jest miarą ciepła w substancji od zera absolutnego. Oznacza to, że kiedy w rzeczywistości nie ma żadnego ciepła w cząsteczce, a cząsteczki w niej są absolutnie nieruchome, to jest 0 K. 0 K może nie być możliwe, ale to nie powstrzymuje nas przed pomiarem w stosunku do niej, a to jest w każdym razie dygresja.

Czy jest jakaś substancja, która emituje różne kolory w różnych temperaturach, która została wykorzystana jako odniesienie od temperatury mapy do temperatury kolorów? A może jest to bardziej skomplikowane? A może wybór Kelvina jest całkowicie arbitralny, bez żadnego związku z ciepłem?

Travis Well
źródło
2
Wszystkie substancje emitują światło o temperaturze 2000 K lub 4000 K! Na przykład drut w żarówce działa. Światło tego rozpalonego na czerwono lub rozpalonego na biało blasku ma tę temperaturę barwową (2000 K, 4000 K lub cokolwiek innego). A temperatura powierzchni Słońca wynosi ~ 5800 K, co jest temperaturą barwową światła słonecznego, cum grano salis z powodu atmosfery i tym podobnych.
Peter - Przywróć Monikę
1
Kolor nie ma temperatury, ale temperatura ma kolor. Nazywa się to promieniowaniem ciała czarnego . Zgadzam się, że to dziwny sposób mierzenia odcienia, ale jest tak dobry, jak każda inna skala.
BlueRaja - Danny Pflughoeft
1
Nieznaczne wybieranie nitek - Zrobiłem bardzo wrażliwy termometr do pomiaru powierzchni i można było zobaczyć zauważalne różnice temperatur dla różnych drukowanych kolorów - emisyjność była inna, więc lampy sufitowe ogrzały niektóre kolory bardziej niż inne. Gdyby powietrze i inne rzeczy nie wysysały ciepła, papier ten nagrzałby się do 2700 K, który „widział”.
Spehro Pefhany
1
@scottbb Powrót w Uni (w Toronto) w ogromnym nowym budynku biblioteki graffito na chodniku z przodu - 233 ° C. Och, jak się śmialiśmy.
Spehro Pefhany

Odpowiedzi:

35

Jest to związane z podgrzewaną substancją, choć w nieco teoretyczny sposób. Substancja jest idealnym żarliwym ciałem czarnym , które promieniowałoby danym kolorem w obrębie danej przestrzeni kolorów w danej temperaturze. Lokalizacja w przestrzeni barw w zależności od temperatury nazywa się locus Planckiego , i nie twierdzę, że rozumiem wszystko w tym artykule, ale badam ją na dowolną głębokość.

Bardziej ogólne wyjaśnienie „odczytu światła” temperatury barwowej i jej korelacji z czarnymi kaloryferami znajduje się w Wikipedii o temperaturze barwowej .

junkyardsparkle
źródło
26

Oświadczenie wprowadzające Wikipedii na temat temperatury kolorów odnosi się do nich całkiem dobrze:

Temperatury barwowej źródła światła jest temperatura idealnego ciała czarnego grzejnika , który emituje światło o porównywalnej barwy do źródła światła.

Grzejniki z czarnym ciałem to idealna koncepcja, która emituje widmo energii o szczytowej intensywności z częstotliwością zależną od temperatury grzejnika z czarnym ciałem. Im wyższa temperatura ciała czarnego, tym wyższa częstotliwość szczytowa widma emisji grzejnika ciała czarnego. Każda emisja z idealnego czarnego grzejnika jest wyłącznie z energii cieplnej. Zatem ciało czarne o masie 6500 K emituje fotony, których widmo częstotliwości osiąga wartość szczytową przy temperaturze, którą nazywamy temperaturą barwową 6500 K (w niebiesko-białym „świetle dziennym”, zakresie temperatur barwowych).

Chociaż nie ma rzeczywistych grzejników czarnego ciała, istnieje kilka przyzwoitych przybliżeń, które działają trochę jak czarne ciała. Przykładami są gwiazdy, żarówki i kuchenki elektryczne. Dlatego 5500 - 6500 K nazywa się temperaturą barwową światła dziennego - mierzymy temperaturę czarnego ciała Słońca na poziomie około 5780 K. Podobnie, ponieważ żarówki nie emitują światła , a emitują ciepło w widmie światła widzialnego, „wewnątrz” temperatura barwowa około 2500 K to nominalna temperatura promieniowania ciała czarnego i pik widmowy żarówek.

Powiązane pytania tutaj w Photography.SE:

To pytanie Physics.SE dotyczy również bieżącego pytania: Jak temperatura jest związana z kolorem?

scottbb
źródło
6
@ JDługosz Być może po prostu nie robiłeś zdjęć w pokoju z żarówkami jako jedynym źródłem światła. Widziałem to bardzo często. Wiele nowoczesnych lamp LED ma 2700 K.
Zenit
3
@ JDługosz I masz rację, koloru nie da się bardzo dobrze skorygować. Ludzkiego wzroku nie obchodzi to zbytnio, ale nie widziałem wielu tanich aparatów, które byłyby w stanie poprawnie balansować zdjęcia zrobione w pomieszczeniach z takim oświetleniem - zawsze są bardzo żółto-czerwonawe. Ale są jedną z głównych kategorii oświetlenia wewnętrznego, a niektórzy wolą je (podobno są bardziej relaksujące).
Luaan
2
@ JDługosz Regularnie używam temperatur barwowych w wysokich 2000s i niskich 3000s w Lightroom. Użycie 4000 K dla sceny oświetlonej głównie żarówkami wyglądałoby na zbyt pomarańczowe.
JohannesD
8
Żeby było absolutnie jasne - żarówka jest w rzeczywistości dość dobrym przybliżeniem czarnego ciała, a rzeczywista, fizyczna temperatura żarnika podczas pracy wynosi zwykle około 2250 ° C (lub ~ 2500 K). Słońce jest również całkiem przyzwoitym czarnym ciałem, a jego faktyczna, fizyczna temperatura na powierzchni wynosi około 6000 K.
J ...
3
I robi się to nieco złą, ale jeśli zastanawiasz się, dlaczego temperatura barwowa światła dziennego jest zakresem, kiedy temperatura Słońca jest prawie stała, to dlatego, że niebo jest niebieskie - to znaczy, atmosfera rozprasza więcej niebieskiego światła słonecznego niż jest czerwony, więc temperatura barwowa sceny jest niższa lub wyższa, w zależności od tego, ile światła bezpośredniego i pośredniego dostaje światło słoneczne.
hobbs
17

Temperatura barwowa jest związana z promieniowaniem ciała czarnego wytwarzanym przez gorące obiekty. Krzywa promieniowania ciała czarnego, pokazana poniżej, pokazuje krzywe przybliżonej intensywności * dla każdej długości fali dla promieniowania emitowanego przez ciała przy 5000 K, 4000 K i 3000 K.

* W rzeczywistości pokazuje spektralną krzywą promieniowania, która jest rodzajem strumienia. Ale możesz myśleć o tym jak o intensywności, jeśli to pomaga. Dwie wielkości są ściśle powiązane.

Krzywe promieniowania ciała czarnego dla obiektów o różnych temperaturach

Źródło obrazu: Wikipedia

Zwróć uwagę, jak krzywe przechodzą przez widzialne spektrum. W zależności od tego, ile krzywej (pole pod) znajduje się w widmie widzialnym, kolor będzie wyglądał inaczej. Opisuje to locus Planckiana, gdy mówi się o temperaturze barwowej.

Krzywa promieniowania ciała czarnego na schemacie chromatyczności CIE

Źródło obrazu: Wikipedia

Powyższy schemat CIE pokazuje wizualny kolor ciał w różnych temperaturach. Ciała o temperaturach około 3000 K wydają się być czerwone, podczas gdy ciała około 5000 K lub 6000 K będą bielsze. Ciała, które są cieplejsze niż to, będą miały kolor niebieski.

Andrzej
źródło
8

Jak zauważają inne odpowiedzi, temperatura barwowa odpowiada promieniowaniu ciała doskonale czarnego w tej temperaturze.

Ale dlaczego nam na tym zależy? Aby to zrozumieć, musisz najpierw zadać sobie pytanie „Co to jest biel?”

Fizycznie biały nie jest kolorem. Nie ma długości fali światła, która odpowiada „białemu”, tak jak nie ma żadnej, która odpowiada „czarnej”, „szarej” lub „różowej” - wszystkie te kolory są jedynie „artefaktami” ludzkiej percepcji. Fizycznie są one mieszanką wielu różnych długości fali (w szczególności w świetle naturalnym biel jest z definicji mieszanką wszystkich widzialnych długości fali Słońca).

Postrzeganie koloru ludzkiego zależy od zmieszania intensywności trzech różnych receptorów światła. Teraz każdy z nich w rzeczywistości obejmuje szeroki zakres długości fal („kolorów fizycznych”), więc jest to nieco bardziej skomplikowane, ale każdy z nich ma pik o innej długości fali - zwykle nazywamy je odpowiednio czerwonym, zielonym i niebieskim. W ten sposób komputery mogą wyświetlać wszystkie kolory, które widzimy, za pomocą mieszanki trzech różnych długości fal - niektórzy inteligentni kosmici o innym widoku mogliby po prostu pomyśleć, że wszyscy jesteśmy bez sensu, ponieważ nasze zdjęcia nie wyglądają jak prawdziwe. Zasadniczo dostosowujemy intensywność trzech długości fal (które w przybliżeniu odpowiadają pikom), aby wytworzyć takie samo wzbudzenie w fotoreceptorach, jakie byłoby w prawdziwym świetle.

W tym modelu „biały” oznacza „100% czerwony + 100% zielony + 100% niebieski”. Jednak, jak już zauważyłem, naturalne białe światło tak naprawdę nie działa - jest to kompozyt o wielu różnych długościach fal bez tak ładnych proporcji. Teraz dochodzimy do ewolucji: biały to kolor, który nie zmienia odcienia. Percepcja kolorów jest zrównoważona, abyśmy mogli nadal widzieć te same kolory, nawet gdy zmieniają się warunki oświetlenia otoczenia - na przykład podczas chodzenia pod baldachimem lasu lub podczas rozpraszania światła (np. „W cieniu”). Oznacza to również, że naturalna temperatura barwowa odpowiada temperaturze fotosfery słonecznej - w zasadzie słońce jest białe z definicji , ponieważ do tego właśnie dostosowała nas ewolucja (powód, dla którego wyglądażółtawy dla oka, ponieważ część niebieskiego światła jest rozpraszana przez atmosferę - nasz wzrok przystosował się do widzenia obiektów oświetlonych przez Słońce (i atmosferę), a nie do samego Słońca.

Zabawne jest to, że pozwala nam to również używać źródeł światła, które nie są tak gorące jak Słońce. Najprostszymi przykładami są żarówki, które zwykle mają niższą temperaturę, ale stosują tę samą podstawową zasadę - rozgrzej drut tak, aby emitował wystarczającą ilość światła widzialnego, aby wyważenie bieli działało na ludzi. Światła LED wykorzystują zasadę bardziej podobną do ekranu komputera - trzy różne (no, nie dokładnie trzy, ale „trzy wąskie pasma”) długości fal, aby uzyskać dowolny kolor. Dobrą rzeczą jest to, że jest to o wiele bardziej wydajne. Złą rzeczą jest to, że może faktycznie produkują wyraźnie różne efekty świetlne, więc nie bardzo map do naturalnego światła w ogóle.

Ale sedno jest takie: światła LED nie są bliskie swojej „temperaturze barwowej”, więc jakie znaczenie ma w tym przypadku temperatura barwowa? Najważniejsze jest to, że w różnych temperaturach intensywność sygnałów wytwarzanych na każdym z trzech fotoreceptorów jest inna (dla tych samych „kolorów”). Zmieniając temperaturę kolorów na monitorze, w zasadzie dostosowujesz intensywność każdego z tych trzech kanałów w stosunku do pozostałych - to daje ci odcienie „czerwonawe” lub „niebieskawe”. Jesteś symulowaniewpływ innej temperatury ciała czarnego na wzrok ludzki - a ponieważ wzrok ludzki ignoruje tak wiele informacji w świetle, w rzeczywistości działa całkiem dobrze przez większość czasu. Dokonując ustawień w aparacie, robisz dokładnie odwrotnie - próbujesz odwzorować „przesunięte” kolory na „obiektywne” dane czerwony + zielony + niebieski. Powodem, dla którego ustawienie zwykle wykorzystuje temperaturę barwową, jest po prostu to, że jest to stosowane wszędzie - możesz spojrzeć na temperatury barwowe swojego oświetlenia i użyć go również w aparacie.

Luaan
źródło
To dobra odpowiedź, która podchodzi do pytania z praktycznego, a nie czysto technicznego punktu widzenia. Dobry jest również fakt, że sztuczne źródła światła nie są tak fizycznie gorące, jak ich temperatura barwowa.
Andrew
@Andrew Z wyjątkiem lamp żarowych - jasne, że nie są tak gorące jak słońce, ale ich temperatura barwowa jest również znacznie niższa.
Random832
2
@ Random832 oczywiście. Różne mechanizmy emisji światła działają na różne sposoby. Temperatura barwowa to koncepcja pochodząca od promieniowania ciała czarnego, ale postrzegany kolor (i efekty balansu bieli) nie zawsze są spowodowane promieniowaniem ciała czarnego.
Andrew
2
@Luaan Dlaczego potrzebujesz kosmity? Możesz używać krewetek modliszków, również uważaj
woliveirajr
2
@woliveirajr Cóż, głównie z powodu części „komunikacja”. Pidgeony mogą myśleć, że jesteśmy opóźnieni za ignorowanie tego całego światła UV, ale to oni cały czas wpadają do okien, więc ...: D
Luaan
1

Przed termometrem kowali, garncarzy i dmuchaczy szkła i tym podobnych zależało od koloru świecącego materiału, aby monitorować postęp. Uważano, że większość minerałów ma unikalny kolor na różnych etapach po podgrzaniu. Wiadomo również, że obiekty rozszerzają się i kurczą wraz ze zmianą temperatury. Daniel Fahrenheit (niemiecki 1686-1736) opracował termometr rtęciowy. Użył liczby 180 jako liczby kroków (stopni) między zamrożeniem a wrzącą wodą, przy czym 180 jest liczbą bardzo podzielną. Anders Celsius (Szwed (1701 - 1744) uważał, że biznes 180 był szalony. Celsjusz postawił 100 kroków między zamrożeniem a wrzącą wodą.

Rtęć, alkohol i inne ciecze były powszechnie stosowane w termometrach, jednak żadne nie rozszerzają się ani nie kurczą liniowo, dlatego oznaczenia na rurkach mają różne odstępy w różnych obszarach. W 1802 r. Joseph Louis Gay-Lussac (francuski 1778–1850) wykazał, że współczynnik powietrza i różnych wspólnych gazów jest mniej więcej taki sam. Rura z pływakiem na kolumnie wodoru spada i unosi się równomiernie wraz z temperaturą. Jeśli chłodzenie będzie kontynuowane, pływak powinien uderzyć w dno w temperaturze -273 ° C. Naukowcy brzydzą się temperaturami ujemnymi i nazwali to dno „temperaturą absolutną”. W ten sposób Skala Absolutna nazywa się teraz skalą Kelvina, aby uhonorować Williama Thomsona 1. barona Kelvina (irlandzki laureat Nagrody Nobla z 1824–1907) za pracę nad Promieniowaniem Czarnego Ciała).

Temperaturę w skali Kelvina można przeliczyć na skalę Celsjusza, dodając 273. Metalurgiści powszechnie stosowali skalę Kelvina, podobnie jak wiele innych gałęzi nauki. Projekty żarówek ewoluowały, wykorzystując metalowy wolfram jako świecące włókno. Przemysł oświetleniowy przyjął skalę Kelvina, aby opisać kolor wytwarzanych lamp. Przemysł fotograficzny, silnie uzależniony od sztucznego oświetlenia, zastosował skalę Kelvina do klasyfikacji kolorów.

Tabela wybranych wybranych praktycznych źródeł oświetlenia i ich temperatur barwowych.

Światło słoneczne w południe 5400 K.

Świetlik od 120 000 K do 18 000 K.

Fotograficzne światło dzienne 5500 K (za zgodą twórców filmu)

Flash Cube - Flip Flash 4950 tys

Przezroczysta żarówka (wypełniona drutem cyrkonowym) 4200 K.

Przezroczysta lampa błyskowa wypełniona drutem aluminiowym 3800 K.

500 watów Lampa fotograficzna 3200 K.

Wolframowa żarówka domowa o mocy 100 W 2900 K.

60 watowa żarówka wolframowa dla gospodarstw domowych 2820 K.

Alan Marcus
źródło
Czy masz powód, aby początkowo zdefiniować skalę Fahrenheita jako 180 ° od zamarzania do wrzenia? Nauczyłem się tego pod kątem 96 ° od punktu zamarzania słonej wody do temperatury ciała.
mattdm
@ mattdm - Z podręcznika Asimova i Zimmermanna „Fahrenheit: Fakty, historia i formuły konwersji”. Pobrano 16 września 2017 r.
Alan Marcus
Dzięki! Z tego, co znalazłem w Internecie, wygląda na to, że skala była początkowo, jak powiedziałem, ale później ponownie skalibrowana. livescience.com/39916-fahrenheit.html
mattdm
@ mattdm - Rozpiętość 180 stopni jest znacząca, ponieważ pomaga uczniom lepiej zrozumieć formułę konwersji, tj. o jeden stopień C większy o 1,8 stopnia (stopnia) niż stopień Fahrenheita.
Alan Marcus
Tak - jestem trochę zaskoczony, że nigdy o tym nie wiedziałem, ponieważ poznałem jedynie historię pochodzenia, a nie późniejszą korektę.
mattdm