Benutzer-Werkzeuge

Webseiten-Werkzeuge


Seitenleiste

Licht-im-Terrarium.de

Vorwort

ir:waermestrahlung

Wärmestrahlung

Drei Arten von Wärmetransport

In der Physik unterschiedet man drei verschiedene Arten wie Wärme transportiert werden kann: Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung.

Die erste Art, die wir im Alltag am häufigsten bewusst wahrnehmen, ist die Wärmeleitung. Wir wärmen unsere 35 °C kühlen Handinnenflächen an einer heißen Teetasse, deren Oberfläche 50 °C warm ist. Wir legen Fleisch mit Kühlschranktemperatur 8 °C in die 150 °C heiße Pfanne so dass es warm und durchgebraten wird. Wenn wir uns auf einen 20 °C kalte Marmorboden setzten, fühlt sich unser Hintern schnell kalt an, weil die Wärme aus unserem 36 °C warmen Körper in den 20°C kalten Marmor fließt. Setzten wir uns dagegen auf eine mit 30 °C lauwarme Heizung fühlt diese sich Wärmer an, weil nur noch wenig Wärme aus unserem Körper in die Heizung fließt.

Wann immer ein Objekt mit einer hohen Temperatur und ein Objekt mit einer geringen Temperatur im direkten Kontakt sind, fließt die Wärme vom Objekt mit der hohen Temperatur in das Objekt mit der geringeren Temperatur.

Als zweite Transportmöglichkeit kann Wärme 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.

Die Wärme der Sonne gelangt über viele Abertausende Kilometer durch Vakuum hindurch auf die Erde. Weder Wärmeströmung noch Wärmeleitung ist für diesen Warentransport verantwortlich. Die Sonnenwärme kommt über die dritte Transportmöglichkeit auf die Erde: Die Sonne wandelt ihre Wärme in Wärmestrahlung um. Entsprechend ihrer Oberflächentemperatur der Sonne wird Wärmestrahlung als Mischung aus UV-Strahlung, sichtbarer Strahlung und Infrarotstrahlung erzeugt. Das genaue Spektrum kann man sehr leicht über das Plancksche Strahlungsgesetz ausrechnen. Diese Strahlung erreicht unbeeinflusst durch die große Distanz und das Vakuum die Erde. Wenn die Wärmestrahlung ein Objekt erreicht, kann es dieses einfach durchstrahlen, reflektiert werden oder absorbiert werden. Es kommt auf die Materialeigenschaften an, welche der drei Möglichkeiten realisiert werden. Immer dann, wenn die Wärmestrahlung absorbiert wird, wird das Objekt erwärmt.

Plancksches Strahlungsgesetz

Warme Objekte strahlen Wärmestrahlung ab. Das Plancksche Strahlungsgesetz sagt aus, wie die Intensität und das Spektrum der abgestrahlten Wärmestrahlung bei einem idealen schwarzen Strahler sind. Dieser ideale Strahler heißt „schwarz“, weil er alle Wärmestrahlung, die auf in fällt, zu 100% absorbiert. Auch sichtbares Licht wird zu 100% absorbiert. Ein solcher schwarzer Strahler hätte also tatsächlich die Farbe Schwarz.

Bei niedrigen Temperaturen strahlt ein schwarzer Strahler nur Wärmestrahlung mit sehr großen Wellenlängen ab. Je höher die Temperatur wird, desto mehr Licht wird bei kürzeren Wellenlängen abgestrahlt. Erhitzt man Metall auf einige hundert Grad Celsius so strahlt es als Wärmestrahlung nur unsichtbare Infrarotstrahlung ab. Man spürt diese Infrarotstrahlung deutlich im Gesicht das Metall leuchtet aber nicht sichtbar. Bei 1000 °C Temperatur beginnt das Metall rötlich zu glimmen. Ein heißes Hufeisen oder ein heißes Schwert direkt aus dem 1300 °C warmen Ofen strahlt als Wärmestrahlung sowohl Infrarotstrahlung als auch etwas rotes sichtbares Licht mit 700 nm bis 800 nm Wellenlänge ab. Im Hochofen wird Roheisen auf ca. 2000 °C erhitzt. Die Wärmestrahlung bei dieser Temperatur setzt sich aus Infrarotstrahlung und sichtbarer Strahlung bei 500 nm bis 800 nm zusammen. Das Licht erscheint für das menschliche Auge gelblich.

Die ca. 5500 °C warme Sonne strahlt als Wärmestrahlung sowohl Infrarotstrahlung, sichtbares Licht zwischen 400 nm und 800 nm und UV-Strahlung bis unter 300 nm ab.

Physikalisch ist also alles ganz einfach. In der Realität machen die meisten Menschen Erfahrungen, die sie denken lassen, sichtbares Licht sei keine Wärmestrahlung. Dafür gibt es zwei Gründe:

Die meisten Gegenstände lassen sich aber nicht annähernd so stark erwärmen. Kohlen, Öfen, heiße Herdplatten etc. sind oft nur einige Hundert Grad Celsius warm und strahlen als Wärmestrahlung nur Infrarotstrahlung ab. Viele Menschen denken daher, dass Wärmestrahlung immer in Form von Infrarotstrahlung auftritt und vergessen, dass sichtbares Licht genauso wie Infrarotstrahlung Wärmestrahlung ist.

Sichtbares Licht wird nicht immer als Wärmestrahlung erzeugt. Nur Halogen- und Glühbirnen funktionieren sehr ähnlich wie der ideale schwarze Strahler. Leuchtstoffröhren und LEDs bleiben nahezu kalt obwohl sie Licht mit einem hohen Blauanteil abstrahlen. Auch HQI-Strahler strahlen sehr viel mehr Licht mit kurzen Wellenlängen ab, als man das von ihrer Temperatur erwarten würde. Das widerlegt überhaupt nicht, dass sichtbares Licht Wärmestrahlung ist. Es sagt nur aus, dass man sichtbares Licht auch anders als über einen Temperaturprozess erzeugen kann.

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)

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

Beispielsweise strahlt der Mensch bei einer Körpertemperatur von 37°C Wärmestrahlung mit einem Maximum bei einer Wellenlänge von 10µm ab. Bei 1,6m² Hautoberfläche sind das etwa 16 kWh = 13.793 kcal pro Tag [69]. Den größten Teil dieses Energieverlusts nehmen wir über Wärmestrahlung von der etwa 20°C warmen Umgebung wieder auf, so dass wir mit einer durchschnittlichen Energieaufnahme von nur 2500 kcal (weniger als 20%!) auskommen.

Absorption

Die Wärmestrahlung der Sonne ist aus UV-Strahlung, sichtbarem Licht und Infrarotstrahlung zusammen gesetzt. Wenn ein Objekt von dieser Wärmestrahlung getroffen wird, kann es sie absorbieren. Immer dann, wenn die Wärmestrahlung absorbiert wird, wird das Objekt erwärmt.

Es hängt vom Material ab, ob die Wärmestrahlung absorbiert wird (und das Objekt erwärmt) oder ob die Strahlung reflektiert oder transmittiert wird (und das Objekt nicht erwärmt). Glas transmittiert sowohl Infrarot-A- als auch Infrarot-B-Strahlung, langwellige UV-A Strahlung und sichtbares Licht. Es kann nur von kurzwelliger UV-Strahlung oder sehr langwelliger Infrarotstrahlung erwärmt werden. Ein schwarzer Stein absorbiert dagegen alle Wellenlängen gut und erwärmt sich in der Wärmestrahlung der Sonne sehr gut.

Die Moleküle im menschlichen oder tierischen Körper können Mikrowellenstrahlung (Anregung von Molekürotationen), 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 Homepage

Literatur

[69] Schulze, R. (1982) Strahlenklima der Erde Steinkopff Dr. Dietrich V.

Diskussion

Geben Sie Ihren Kommentar ein. Wiki-Syntax ist zugelassen:
D E K​ K G
 
ir/waermestrahlung.txt · Zuletzt geändert: 2016/01/09 12:59 von sarina

Seiten-Werkzeuge