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sarina [Wärmestrahlung als Wärmeverlust]
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sarina
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 Wärmestrahlung ist der Transport von Wärme ohne direkten Kontakt durch das Vakuum hindurch. Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung, also Radiowellen,​ Mikrowellen,​ Infrarotstrahlung,​ sichtbares Licht und UV-Strahlung. Wärmestrahlung ist der Transport von Wärme ohne direkten Kontakt durch das Vakuum hindurch. Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung, also Radiowellen,​ Mikrowellen,​ Infrarotstrahlung,​ sichtbares Licht und UV-Strahlung.
  
-Bei der Wärmestrahlung ist es sinnvoll, die Wärmezufuhr und den Wärmeverlust zu trennen +==== abgestrahlte Wärmemenge ​eines idealen Gegenstands ("​schwarzer Körper",​ "​Plankchscher Strahler"​) ====
- +
-==== Wärmestrahlung als Wärmeverlust ==== +
- +
-=== 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,​ 2 m² Hautoberfläche und einem Emissionsgrad von 1,0 strahlt 1050 Watt Wärmestrahlung ab. 1050 Watt sind 1050 Joule pro Sekunde oder 20‘600 kcal pro Tag. Wie gut, dass wir nicht nur eine große Menge an Wärmestrahlung abstrahlen sondern auch Wärmestrahlung aufnehmen. Sonst kämen wir mit nur etwa 2‘000 kcal Energieaufnahme aus der Nahrung nicht über den Tag. Der Mensch mit 33°C Hauttemperatur,​ 2 m² Hautoberfläche und einem Emissionsgrad von 1,0 strahlt 1050 Watt Wärmestrahlung ab. 1050 Watt sind 1050 Joule pro Sekunde oder 20‘600 kcal pro Tag. Wie gut, dass wir nicht nur eine große Menge an Wärmestrahlung abstrahlen sondern auch Wärmestrahlung aufnehmen. Sonst kämen wir mit nur etwa 2‘000 kcal Energieaufnahme aus der Nahrung nicht über den Tag.
  
-=== abgestrahltes ​Spektrum der Wärmestrahlung ===+===Spektrum der Wärmestrahlung ​eines idealen Gegenstands ("​schwarzer Körper",​ "​Plankchscher Strahler"​) ====
  
 Bei sehr niedrigen Temperaturen wird die Wärmestrahlung als langwellige elektromagnetische Strahlung abgestrahlt:​ Radiowellen. Radioteleskope werden in der Astronomie genutzt um die Wärmestrahlung kühler Objekte im Weltraum zu erfassen. Mit steigender Temperatur wird immer mehr Wärmestrahlung bei immer kürzeren Wellenlängen abgestrahlt. ​ Bei sehr niedrigen Temperaturen wird die Wärmestrahlung als langwellige elektromagnetische Strahlung abgestrahlt:​ Radiowellen. Radioteleskope werden in der Astronomie genutzt um die Wärmestrahlung kühler Objekte im Weltraum zu erfassen. Mit steigender Temperatur wird immer mehr Wärmestrahlung bei immer kürzeren Wellenlängen abgestrahlt. ​
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-Das gilt jedoch nur für einen idealen Gegenstand. Reale Gegenstände strahlen 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>​1096}} gemessen. 
- 
-[{{ :​ir:​turner2012.png?​700 |Wärmestrahlung der Erde im Vergleich zur Wärmestrahlung eines idealen Gegenstands mit 7°C Oberflächentemperatur}}] 
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-In weiten Bereichen strahlt die Erde wie ein idealer Gegenstand (Plankscher Strahler) mit 7°C Oberflächentemperatur. Bei Wellenlängen größer als 35 µm stimmt die Intensität fast exakt überein. Für diese Wellenlängen gilt ε=1. Bei anderen Wellenlängen strahlt die Erde aber deutlich weniger Wärmestrahlung ab, als sie es von ihrer Temperatur her eigentlich müsste. Die Erde hat als realer Gegenstand einen Emissionsgrad ε < 1. Das ist besonders deutlich um 10 µm Wellenlänge herum. Hier strahlt die Erde fast gar keine Wärmestrahlung ab, obwohl man allein von der Temperatur her bei etwa 10 µm das Strahlungsmaximum erwarten würde. 
  
 {{formelfreak>​start}} {{formelfreak>​start}}
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 {{formelfreak>​end}} {{formelfreak>​end}}
 +
  
 ==== 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,​ sichtbarem Licht und Infrarotstrahlung zusammengesetzt. Wenn ein Gegenstand von dieser Wärmestrahlung getroffen wird, kann er sie absorbieren. Immer dann, wenn die Wärmestrahlung absorbiert wird, wird der Gegenstand erwärmt. ​ 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,​ sichtbarem Licht und Infrarotstrahlung zusammengesetzt. Wenn ein Gegenstand von dieser Wärmestrahlung getroffen wird, kann er sie absorbieren. Immer dann, wenn die Wärmestrahlung absorbiert wird, wird der Gegenstand erwärmt. ​
  
-Es hängt vom Material ab, ob die Wärmestrahlung absorbiert ​wird (und das Objekt erwärmtoder ob die Strahlung reflektiert ​oder transmittiert wird (und das Objekt nicht erwärmt). Und diese Materialeigenschaft ​ist für jede Wellenlänge ​andersEs ist der gleich ​spektrale ​Emissionskoeffizient ​ε der auch die spektrale Absorption angibt.+==== Reale Gegenstände ==== 
 + 
 +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 ​wird exakt so viele Wärmestrahlung abgestrahlt wie die obige Formel vorhersagt. 
 + 
 +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>​1096}} gemessen. 
 + 
 +[{{ :​ir:​turner2012.png?​700 |Wärmestrahlung der Erde im Vergleich zur Wärmestrahlung eines idealen Gegenstands mit 7°C Oberflächentemperatur}}] 
 + 
 +In weiten Bereichen strahlt ​die Erde oder die Erdatmosphäre wie ein idealer Gegenstand ​(Plankscher Strahlermit 7°C OberflächentemperaturBei Wellenlängen größer als 35 µm stimmt die Intensität fast exakt überein. Für diese Wellenlängen gilt ε=1. Bei anderen Wellenlängen strahlt die Erde aber deutlich weniger Wärmestrahlung ab, als sie es von ihrer Temperatur her eigentlich müsste. Die Erde hat als realer Gegenstand einen Emissionsgrad ε < 1. Das ist besonders deutlich um 10 µm Wellenlänge ​herumHier strahlt die Erde fast gar keine Wärmestrahlung ab, obwohl man allein von der Temperatur her bei etwa 10 µm das Strahlungsmaximum erwarten würde. 
 + 
 +Auf wundersame Weise ((Physikalisch lässt sich das sogar recht leicht herleiten, das Wunder muss so sein, sonst wäre die Energieerhaltung verletzt)) ​ist der spektrale ​Emissionsgrad ​ε(λ) immer identisch zum spektralen Absorptionsgrad α(λ). Die Erdatmosphäre strahlt nicht bei 10 µm ab, obwohl sie das bei 7 °C eigentlich müsste. Ihr spektraler Emissionsgrad bei dieser Wellenlänge ist sehr klein: ε(7 µm) ≈ 0. Das heißt gleichzeitig,​ dass auch α(7 µm) ≈ 0 sein muss. Die Erdatmosphäre kann man mit Strahlung mit 7 µm Wellenlänge nicht erwärmen.
  
 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),​ Infrarotstrahlung (Anregung von Molekülschwingungen und Rotationsschwingungen) und UV-Strahlung (Anhebung von Valenzelektronen) absorbieren. Im sichtbaren Bereich sehen wir die Absorption direkt als Farbe. Organische Farbstoffe bestehen aus Kohlenstoffatomen mit alternierenden Doppelbindungen. Dabei sind die Elektronen über die gesamte Länge der alternierenden Doppelbindungen delokalisiert und können sich frei bewegen. Eine Kette alternierender Doppelbindungen verhält sich wie eine sehr kleine Antenne, die entsprechend ihrer Länge Strahlung absorbieren kann. In anorganischen Pigmenten, beispielsweise Kristallen, werden Elektronen auf energetisch höhere Niveaus gehoben. Dabei spielt die Wechselwirkung der Atome mit anderen Atomen des Kristalls eine Rolle, so dass das Chrom-Ion im Rubin einmal eine rote Farbe, im Smaragd eine grüne Farbe verursachen kann. Eine sehr umfassende Übersicht über die Physik und Chemie hinter farbigen Substanzen gibt der theoretische Physiker Prof. Dr. Dietrich Zawischa auf seiner [[http://​www.itp.uni-hannover.de/​~zawischa/​ITP/​ursachen.html|Homepage]]+=== 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://​www.itp.uni-hannover.de/​~zawischa/​ITP/​ursachen.html|Homepage]]: ​Die Moleküle im menschlichen oder tierischen Körper können Mikrowellenstrahlung (Anregung von Molekülrotationen),​ Infrarotstrahlung (Anregung von Molekülschwingungen und Rotationsschwingungen) und UV-Strahlung (Anhebung von Valenzelektronen) absorbieren. Im sichtbaren Bereich sehen wir die Absorption direkt als Farbe. Organische Farbstoffe bestehen aus Kohlenstoffatomen mit alternierenden Doppelbindungen. Dabei sind die Elektronen über die gesamte Länge der alternierenden Doppelbindungen delokalisiert und können sich frei bewegen. Eine Kette alternierender Doppelbindungen verhält sich wie eine sehr kleine Antenne, die entsprechend ihrer Länge Strahlung absorbieren kann. In anorganischen Pigmenten, beispielsweise Kristallen, werden Elektronen auf energetisch höhere Niveaus gehoben. Dabei spielt die Wechselwirkung der Atome mit anderen Atomen des Kristalls eine Rolle, so dass das Chrom-Ion im Rubin einmal eine rote Farbe, im Smaragd eine grüne Farbe verursachen kann. 
  
  
ir/start.txt · Last modified: 2019/03/25 10:27 by sarina