Begriffe

• Wärme bezeichnet eine Energiemenge und wird in Joule gemessen.
• Die Temperatur eines Gegenstands misst ob er die Möglichkeit hat, Wärme abzugeben oder aufzunehmen. Die Temperatur wird physikalisch in Kelvin (K), im Alltag in Grad Celsius (°C) angegeben. °C = K + 273
• Zum Wärmetransport gibt es die Möglichkeiten der Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Konvektion.
• Wärmestrahlung ist der Transport von Wärme über elektromagnetische Strahlung. Die Wellenlänge dieser Strahlung spielt dabei keine Rolle.
• Infrarotstrahlung ist Strahlung im Wellenlängenbereich 800nm bis 1'000'000nm, sie wird (wie UV-Strahlung) in IRA, IRB und IRC Strahlung aufgeteilt
• Rotlicht bezeichnet rotes (sichtbares) Licht im Wellenlängenbereich 650nm bis 800nm. Rotlichtlampen geben rotes Licht und Infrarotstrahlung (IRA) ab.

Infrarotstrahlung bildet gewissermaßen das Gegenstück zur UV-Strahlung und schließt sich im Spektrum am roten Ende des sichtbaren Bereichs an.

In der Alltagssprache wird Infrarotstrahlung häufig mit Wärmestrahlung gleichgesetzt, was jedoch falsch ist. Vermutlich hängt das mit zwei Fakten zusammen: Dem ersten Nachweis der Infrarotstrahlung¹⁾ durch Friedrich Wilhelm Herschel, der Infrarotstrahlung durch den Temperaturanstieg eines Thermometers nachwies, wobei Infrarotstrahlung die Temperatur sehr viel stärker erhöhte als sichtbare Strahlung. Und der Tatsache das warme Körper (erhitztes Metall, erhitzte Steine, Feuer) Wärmestrahlung in erster Linie im Infrarotbereich abgeben, während sichtbare Lichtquellen meist ein zu geringe Intensität haben um deutliche Wärmeeffekte zu verursachen.
Auch die übrigen Wellenlängenbereiche, wie z.B. das sichtbare Licht wärmen, wenn sie absorbiert werden. Wärmestrahlung ist nicht auf Infrarotstrahlung beschränkt.

Genau wie UV-Strahlung wird auch Infrarotstrahlung nach ihrem Absorption in drei Bereiche eingeteilt:

• IRA: 780 nm - 1'400 nm
  diese Strahlung kann aufgrund des Absorption von Wasser als einzige Strahlung tiefer als einige Millimeter in den menschlichen Körper eindringen.
• IRB: 1'400 nm - 3'000 nm
• IRC: 3'000 nm - 1'000'000 nm
  Glas und Quarzglas, das beispielsweise für Linsen eingesetzt wird, ist ab 3000 nm nicht mehr durchsichtig.
  Oberhalb von 1'000'000 nm = 1mm spricht man von Mikrowellen.

Wärme ist Energie die in einem Körper als ungerichtete Bewegung von Atomen und Molekülen gespeichert ist.

Sie entsteht überall dort, wo eine andere Form von Energie vernichtet wird, z.B. Reibungsenergie wenn wir uns die Hände reiben, oder aber auch die Energie des Lichts, wenn es absorbiert wird.

Wärme kann auf drei verschiedene Arten transportiert werden:

Wärmeleitung bezeichnet die direkte Übertragung der Atom- und Molekülbewegung durch Stöße, dabei leiten unterschiedliche Stoffe die Wärme unterschiedlich gut. Wärmeleitung findet hauptsächlich zwischen Festkörpern oder Festkörper und Flüssigkeit statt.

Beispiel:

Eine Wärmflasche wärmt die Haut, weil die Oberflächenmoleküle der Wärmflasche mit den Oberflächenmolekülen der Hand zusammenstoßen und dabei Wärme übertragen.

20°C warmes Metall fühlt sich für die menschliche Hand kalt an während 20°C warmes Styropor sich warm anfühlt. Metall hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und leitet die Wärme der 35°C warmen Hautoberfläche schnell ab, kühlt die Haut also ab. Styropor hat dagegen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und kühlt die Haut nicht ab.

Der Wärmestrom $\Phi$ (W) bezeichnet wie viel Wärme $\Delta Q$ (J) in einer Zeit $\Delta t$ (s) transportiert wird

$$\Phi = \frac{\Delta Q}{\Delta t}$$

Der Wärmestrom von einem Körper der Temperatur $T$ über die Oberfläche $A$ in die Umgebung mit Temperatur $T_0$ und dem Wärmeübergangskoeffizienten $\alpha$ ist:

$$\Phi = \frac{\Delta Q}{\Delta t} = \alpha A (T-T_0)$$

Der Wärmestrom durch ein Material mit der Wärmeleitfähigkeit $\lambda$, der Dicke $d$ und der Fläche $A$, wenn vor der Grenzfläche die Temperatur $T_1$ und hinter der Grenzfläche die Temperatur $T_2$ herrscht ist:

$$\Phi = \frac{\Delta Q}{\Delta t} = \lambda \frac{A}{d} (T_2-T_1)$$

Konvektion bezeichnet den Transport von Wärme durch Transport der warmen Materie. Sie findet nur zwischen Gasen oder Flüssigkeiten statt.

Beispiel:

Mischt man heißen Kaffee, der aus sich schnell bewegenden Teilchen besteht, und kalte Milch, in der sich die Moleküle und Atome langsam bewegen, so entsteht im Mittel lauwarmer Milchkaffe).

Wärmestrahlung bezeichnet den Wärmetransport durch elektromagnetische Strahlung. Wird elektromagnetische Strahlung absorbiert und nicht für z.B. eine chemische Reaktion verwendet, so wird die enthaltene Energie in Wärme umgewandelt. Umgekehrt strahlt jeder warme Körper elektromagnetische Strahlung ab. Wärmestrahlung ist die einzige Möglichkeit Wärme durch Vakuum zu transportieren.

Beispiel:

Sichtbares Licht und auch unsichtbare Strahlung (also UV und IR) müssen die Energie die sie transportieren irgendwo hin abgeben, wenn sie auf einem Körper absorbiert werden. Die Energie wird in Wärme umgewandelt. Wir spüren insbesondere die Wärmestrahlung der Sonne

Ein Körper mit dem Emissionsgrad $\epsilon$ (im Idealfall =1) der Temperatur $T$ und der Oberfläche $A$ strahlt Wärme ab (Stefan-Boltzmann-Gesetz):

$$\Phi = \frac{\Delta Q}{\Delta t} = \epsilon\sigma A T^4$$

wobei $\sigma = 5.67051\times 10^{-8} \mathrm W/\mathrm m^2/\mathrm K^4$ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist.

Die Verteilung der Strahlung über die Frequenz $\nu$ ist (Plancksches Strahlungsgesetz)

$$I(\lambda) \propto \frac{8\pi\nu}{c^3}\frac{h\nu}{\mathrm{e}^{h\nu/k/T}-1}$$

($h=6.626\times 10^{-34}\mathrm J\mathrm s$ Planck-Wirkungsquantum, $c=3\times 10^8\mathrm m/\mathrm s$ Lichtgeschwindigkeit, $k=1.3806\times 10^{−23}\mathrm J/\mathrm K$ Boltzmann-Konstante)

Das Maximum der Strahlung liegt bei (Wiensches Verschiebungsgesetz)

$$\lambda = \frac{2.8978\times 10^{-3} \mathrm{K}}{T}\mathrm{m} \approx \frac{3000 \mathrm{K}}{T}\mathrm{µm}$$