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====== Wärme, Wärmestrahlung und Temperatur ====== | ====== Wärme, Wärmestrahlung und Temperatur ====== | ||
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Φ = - k * A * ΔT / Δx | Φ = - k * A * ΔT / Δx | ||
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Der Wärmestrom $\Phi$ (W) bezeichnet wie viel Wärme $\Delta Q$ (J) in einer Zeit $\Delta t$ (s) transportiert wird | Der Wärmestrom $\Phi$ (W) bezeichnet wie viel Wärme $\Delta Q$ (J) in einer Zeit $\Delta t$ (s) transportiert wird | ||
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\Phi = \frac{\Delta Q}{\Delta t} = \lambda \frac{A}{d} (T_2-T_1) | \Phi = \frac{\Delta Q}{\Delta t} = \lambda \frac{A}{d} (T_2-T_1) | ||
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==== Beispiele für Falscheinschätzung ==== | ==== Beispiele für Falscheinschätzung ==== | ||
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Wärmestrahlung ist der Transport von Wärme ohne direkten Kontakt durch das Vakuum hindurch. Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung, also Radiowellen, | Wärmestrahlung ist der Transport von Wärme ohne direkten Kontakt durch das Vakuum hindurch. Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung, also Radiowellen, | ||
- | Bei der Wärmestrahlung ist es sinnvoll, die Wärmezufuhr und den Wärmeverlust zu trennen | + | ==== abgestrahlte Wärmemenge |
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- | ==== Wärmestrahlung als Wärmeverlust ==== | + | |
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- | === abgestrahlte Wärmemenge === | + | |
Jeder Gegenstand der wärmer ist als -273,15 °C strahlt Wärmestrahlung ab und verliert dabei Energie. Die Menge an abgestrahlter Wärme hängt von der Temperatur des Gegenstands ab. Die konkrete Formel für den Wärmestrom Φ gibt das Stefan-Boltzmann-Gesetz | Jeder Gegenstand der wärmer ist als -273,15 °C strahlt Wärmestrahlung ab und verliert dabei Energie. Die Menge an abgestrahlter Wärme hängt von der Temperatur des Gegenstands ab. Die konkrete Formel für den Wärmestrom Φ gibt das Stefan-Boltzmann-Gesetz | ||
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Der Mensch mit 33°C Hauttemperatur, | Der Mensch mit 33°C Hauttemperatur, | ||
- | === abgestrahltes | + | ==== Spektrum der Wärmestrahlung |
Bei sehr niedrigen Temperaturen wird die Wärmestrahlung als langwellige elektromagnetische Strahlung abgestrahlt: | Bei sehr niedrigen Temperaturen wird die Wärmestrahlung als langwellige elektromagnetische Strahlung abgestrahlt: | ||
- | Weil die Strahlung schnell so viel intensiver wird (vierte Potenz der Temperatur) habe ich auch die auf 1 normierten Kurven gezeichnet. Hier sieht man, dass auch ein Gegenstand mit -170°C Temperatur noch Wärmestrahlung abstrahlt. | + | Weil die Strahlung schnell so viel intensiver wird (vierte Potenz der Temperatur) habe ich auch die auf 1 normierten Kurven gezeichnet. Hier sieht man, dass auch ein Gegenstand mit -170°C Temperatur noch Wärmestrahlung abstrahlt. |
Das Plancksche Strahlungsgesetz besagt, wie die Strahlungsdichte über die Wellenlänge verteilt ist: | Das Plancksche Strahlungsgesetz besagt, wie die Strahlungsdichte über die Wellenlänge verteilt ist: | ||
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- | I(\lambda) \propto \frac{2\pi h c^2}{\lambda^5}{\mathrm{e}^{hc/ | + | I(\lambda) \propto \frac{2\pi h c^2}{\lambda^5(\mathrm{e}^{hc/ |
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- | ($h=6.626\times 10^{-34}\mathrm J\mathrm s$ Planck-Wirkungsquantum, | + | ($h=6.626\times 10^{-34}\mathrm J\mathrm s$ Planck-Wirkungsquantum, |
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Mit steigender Temperatur verschiebt sich das Maximum der Strahlung immer weiter zu kürzeren Wellenlängen. Mit dem Wienschen Verschiebungsgesetz kann man die Wellenlänge des Maximums leicht aus der Temperatur ausrechnen. Für Gegenstände mit mehr als 3000 Kelvin ist das Maximum der Strahlung im sichtbaren Bereich (400 – 800 nm). Für Gegenstände zwischen 0°C und 100°C liegt das Maximum zwischen 10,6 µm und 7,8 µm. Eine maximale Emission im nahen Infrarotbereich zwischen 2µm und 4 µm haben Gegenstände mit einer Temperatur zwischen 500 °C und 1000 °C. | Mit steigender Temperatur verschiebt sich das Maximum der Strahlung immer weiter zu kürzeren Wellenlängen. Mit dem Wienschen Verschiebungsgesetz kann man die Wellenlänge des Maximums leicht aus der Temperatur ausrechnen. Für Gegenstände mit mehr als 3000 Kelvin ist das Maximum der Strahlung im sichtbaren Bereich (400 – 800 nm). Für Gegenstände zwischen 0°C und 100°C liegt das Maximum zwischen 10,6 µm und 7,8 µm. Eine maximale Emission im nahen Infrarotbereich zwischen 2µm und 4 µm haben Gegenstände mit einer Temperatur zwischen 500 °C und 1000 °C. | ||
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==== Wärmestrahlung als Wärmezufuhr ==== | ==== Wärmestrahlung als Wärmezufuhr ==== | ||
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Wann immer elektromagnetische Strahlung absorbiert wird und nicht eine biochemische Reaktion auslöst, wird die durch die Strahlung transportierte Energie als Wärme frei. Die Wärmestrahlung der Sonne ist aus UV-Strahlung, | Wann immer elektromagnetische Strahlung absorbiert wird und nicht eine biochemische Reaktion auslöst, wird die durch die Strahlung transportierte Energie als Wärme frei. Die Wärmestrahlung der Sonne ist aus UV-Strahlung, | ||
- | Es hängt vom Material ab, ob die Wärmestrahlung absorbiert | + | ==== Reale Gegenstände ==== |
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+ | Das gilt jedoch nur für einen idealen Gegenstand. Der ideale schwarze Körper oder Plancksche Strahler hat einen spektralen Emissionsgrad ε(λ) = 1. Für jede Wellenlänge | ||
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+ | Reale Gegenstände haben maximal ein ε(λ) = 1, in vielen Fällen ist ε(λ) < 1. Reale Gegenstände strahlen also meist weniger Wärmestrahlung ab. Ich hätte als Beispiel hier gerne einen terraristisch relevanten Gegenstand gezeigt aber nur wenige Daten in der Literatur gefunden. Daher hier das Spektrum der Wärmestrahlung der Erde. Dieses wurde in {{wkx> | ||
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+ | In weiten Bereichen strahlt | ||
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+ | Auf wundersame Weise ((Physikalisch lässt sich das sogar recht leicht herleiten, das Wunder muss so sein, sonst wäre die Energieerhaltung verletzt)) | ||
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+ | Der Eisbär hat sein Fell so konstruiert, | ||
Ein weißes T-Shirt beispielsweise absorbiert sichtbares Licht zwischen 400 nm und 700 nm nicht oder nur sehr wenig (deswegen ist es weiß). Ein schwarzes T-Shirt absorbiert sehr viel sichtbares Licht zwischen 400 nm und 700 nm. Unter einem Wärmestrahler der mit sichtbarem Licht strahlt wird ein schwarzes T-Shirt deutlich wärmer als ein weißes T-Shirt. | Ein weißes T-Shirt beispielsweise absorbiert sichtbares Licht zwischen 400 nm und 700 nm nicht oder nur sehr wenig (deswegen ist es weiß). Ein schwarzes T-Shirt absorbiert sehr viel sichtbares Licht zwischen 400 nm und 700 nm. Unter einem Wärmestrahler der mit sichtbarem Licht strahlt wird ein schwarzes T-Shirt deutlich wärmer als ein weißes T-Shirt. | ||
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Fensterglas ist zwischen 350 nm und 3000 nm sehr gut transparent. Ab 5000 nm wird Strahlung absorbiert. Zwischen 3000 nm und 5000 nm wird etwa die Hälfte der Strahlung absorbiert. Fensterglas lässt sich daher mit sichtbarem Licht nicht oder nur sehr wenig aufwärmen. Will man Glas gut mit Wärmestrahlung heizen so braucht man Wärmestrahlung mit 5000 nm Wellenlänge oder größer. | Fensterglas ist zwischen 350 nm und 3000 nm sehr gut transparent. Ab 5000 nm wird Strahlung absorbiert. Zwischen 3000 nm und 5000 nm wird etwa die Hälfte der Strahlung absorbiert. Fensterglas lässt sich daher mit sichtbarem Licht nicht oder nur sehr wenig aufwärmen. Will man Glas gut mit Wärmestrahlung heizen so braucht man Wärmestrahlung mit 5000 nm Wellenlänge oder größer. | ||
- | Die Moleküle im menschlichen oder tierischen Körper können Mikrowellenstrahlung (Anregung von Molekülrotationen), | + | === Farbe === |
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+ | Der spektrale Absorptionsgrad α(λ) für Wellenlängen im sichtbaren Bereich beeinflusst die Farbe von Gegenständen. Eine sehr umfassende Übersicht über die Physik und Chemie hinter farbigen Substanzen gibt der theoretische Physiker Prof. Dr. Dietrich Zawischa auf seiner [[http:// | ||
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Wärme kann auch zusammen mit dem Medium, in dem es enthalten ist, transportiert werden. Wer das kalte Wasser im Planschbecken seiner Kinder auswärmen will, kann im Wasserkocher Wasser erhitzen und dann dieses kochend heiße Wasser zu dem kühlen Wasser im Planschbecken schütten. Das Wasser mischt sich und ist hinterher etwas wärmer als vorher. Diesen Vorgang nennt man in der Physik „Wärmeströmung“ oder „Konvektion“. Ein anderes Alltagsbeispiel ist die warme Luft, die zwischen den Rippen der Heizung erwärmt wird und dann nach oben strömt. Konvektion tritt normalerweise nur bei Flüssigkeiten und bei Gasen auf. | Wärme kann auch zusammen mit dem Medium, in dem es enthalten ist, transportiert werden. Wer das kalte Wasser im Planschbecken seiner Kinder auswärmen will, kann im Wasserkocher Wasser erhitzen und dann dieses kochend heiße Wasser zu dem kühlen Wasser im Planschbecken schütten. Das Wasser mischt sich und ist hinterher etwas wärmer als vorher. Diesen Vorgang nennt man in der Physik „Wärmeströmung“ oder „Konvektion“. Ein anderes Alltagsbeispiel ist die warme Luft, die zwischen den Rippen der Heizung erwärmt wird und dann nach oben strömt. Konvektion tritt normalerweise nur bei Flüssigkeiten und bei Gasen auf. | ||
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+ | ====== Literatur ====== | ||
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ir/start.txt · Last modified: 2023/06/18 11:05 by sarina