Wärmestrahlung


Wärmestrahlung

Wärmestrahlung oder thermische Strahlung, seltener Temperaturstrahlung, ist elektromagnetische Strahlung, die ein Körper auf Grund seiner Temperatur aussendet. Bei den meisten Festkörpern und Flüssigkeiten ist das Spektrum dieser Strahlung kontinuierlich und hat einen charakteristischen Verlauf, der durch das plancksche Strahlungsgesetz beschrieben wird. Hingegen emittieren Gase ein für das Material charakteristisches Linienspektrum.

Wärmestrahlung ist ein Mechanismus zur Übertragung von thermischer Energie. Im Gegensatz zu Konvektion und Wärmeleitung tritt Wärmestrahlung auch im luftleeren Raum auf. Sie ist lediglich an die Möglichkeit zur Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen gebunden.

Umgangssprachlich wird unter Wärmestrahlung meist nur der nicht sichtbare Infrarotanteil der thermischen Strahlung verstanden.

Berechnung

Der von einem Körper abgestrahlte Wärmestrom $ \dot{Q} $ kann für einen Körper über das Stefan-Boltzmann-Gesetz wie folgt berechnet werden:

$ \dot{Q} = \frac {\partial Q} {\partial t} = \varepsilon \, \sigma \, A \, T^4 $

wobei

$ \dot{Q} $ : Wärmestrom bzw. Strahlungsleistung
$ \varepsilon $ : Emissionsgrad: Die Werte liegen zwischen 0 (perfekter Spiegel) und 1 (idealer Schwarzer Körper)
$ \sigma = 5{,}67 \cdot 10^{-8}~\mathrm{\frac{W }{m^2\, K^4}} $: Stefan-Boltzmann-Konstante
$ A $ : Oberfläche des abstrahlenden Körpers
$ T $ : Temperatur des abstrahlenden Körpers (in Kelvin)

Intensität

Das durch den Satelliten COBE gemessene Spektrum des Mikrowellenhintergrunds entspricht dem eines schwarzen Strahlers mit der Temperatur von 2,725 K

Mit zunehmender Temperatur eines Körpers steigt auch die Intensität seiner Wärmeabstrahlung drastisch an, und das Emissionsmaximum verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen (siehe Wiensches Verschiebungsgesetz). Da das Emissionsmaximum bei Raumtemperatur bis zu Temperaturen von 3000 K im Infraroten liegt, wird Wärmestrahlung fälschlicherweise oft mit Infrarotstrahlung gleichgesetzt. Zur Erläuterung einige Beispiele von Körpern, deren Temperaturen sich sukzessive um den Faktor 10 verringern:

  • Zuerst ein „Weißer Zwerg“, also ein Stern mit der besonders hohen Oberflächentemperatur 57.000 K. Er strahlt pro Flächeneinheit seiner Oberfläche 10.000-mal so viel Leistung ab wie unsere Sonne, das Intensitätsmaximum liegt bei 50 nm, das ist Ultraviolettstrahlung. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz liefert eine abgestrahlte Leistung pro Quadratzentimeter von 60 MW – die Leistung eines kleinen Kraftwerkes.
  • Sonnenlicht wird von der 5700 K heißen Oberfläche der Sonne abgestrahlt. Das Intensitätsmaximum liegt bei 500 nm im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
  • Jeder Quadratzentimeter der schwarzen Oberfläche eines 570 K (297 °C) heißen Ofens strahlt nur 1/10.000 der Leistung ab, die ein gleich großes Stück Sonnenoberfläche abstrahlen würde (siehe Stefan-Boltzmann-Gesetz). Das Intensitätsmaximum liegt bei 5 µm, also im Infraroten.
  • Jeder Quadratzentimeter der schwarzen Oberfläche eines 57 K (−216 °C) kalten Körpers strahlt elektromagnetische Wellen ab, deren Leistung 1/10.000 der des gleich großen Stückes Ofenoberfläche entspricht. Das Intensitätsmaximum liegt bei 50 µm im fernen Infrarot.
  • Im Prinzip ändert sich nichts, wenn der Körper auf 5,7 K (−267 °C) tiefgekühlt wird. Die abgestrahlte Leistung sinkt nochmals um den Faktor 10.000 und das Intensitätsmaximum liegt bei 0,5 mm – fast schon im Radarbereich. Mit sehr empfindlichen Empfängern der Radioastronomie kann ein sehr schwaches Rauschen, die kosmische Hintergrundstrahlung, festgestellt werden.

Von diesen fünf Beispielen zur Wärmestrahlung ist nur eines in unserer engeren Umwelt üblich: der heiße Ofen. Und weil der den größten Teil seiner Strahlung im IR-Bereich sendet, kommt es zur oben erwähnten irrtümlichen Gleichsetzung. Für bestimmte galaktische Kerne liegt das Maximum der Strahlung sogar im Röntgenbereich des elektromagnetischen Spektrums.

Einflussnahme verschiedener Körperoberflächen

Die Senderöhre 3-500 C besitzt eine Anode aus Graphit, da die graue Farbe und die raue Oberfläche die Wärme gut abstrahlt

Einen starken Einfluss auf die abgestrahlte Intensität hat auch die Oberflächenbeschaffenheit des Körpers. Diese wird durch den Emissionsgrad charakterisiert, der bei Spiegeln fast null ist und sein Maximum bei mattschwarzen Oberflächen erreicht. Soll die Temperatur berührungslos durch Thermografie bestimmt werden, kann durch Fehleinschätzung des Emissionsgrades ein gewaltiger Fehler entstehen, wie im Artikel Wärmebildkamera gezeigt wird.

Die Wärmeabstrahlung der Erdoberfläche mit einem Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge von 8 bis 10 µm ist verantwortlich für den Temperaturhaushalt der Erde, sie bewirkt die Abkühlung der Erdoberfläche in klaren Nächten durch Abstrahlung in den Weltraum. Vor allem Wolken und Wasserdampf, in geringerem Maße auch Gase wie Kohlendioxid und weitere sogenannte Treibhausgase sind für diese Strahlung intransparent (siehe: Atmosphärisches Fenster) und verringern oder verhindern diese Abkühlung durch Reflexion oder Remission (siehe auch Treibhaus, Treibhauseffekt).

Von besonderer Bedeutung ist in der Physik das Konzept des schwarzen Strahlers, eines Emitters und Absorbers von Wärmestrahlung, der einen Emissions- bzw. Absorptionsgrad von eins hat. Hält man einen solchen Absorber mit einem Thermostat im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung, kann man über dessen Wärmeaufnahme die Strahlungsleistung thermischer und nichtthermischer Strahlungsquellen bestimmen.

Effekte

Beim Auftreffen von Wärmestrahlung auf einen Körper kann

  1. die Strahlung teilweise durchgelassen (transmittiert) werden
  2. die Strahlung teilweise reflektiert werden
  3. die Strahlung teilweise absorbiert, das heißt vom Körper aufgenommen und in Wärme umgewandelt, werden.

Diese drei Effekte werden mit dem Transmissions-, Reflexions-, und Absorptionskoeffizienten quantifiziert.

Der Absorptionskoeffizient gleicht dem Emissionsgrad, d. h., eine hellgraue Oberfläche mit einem Emissions- bzw. Absorptionsgrad von 0,3 absorbiert 30 % der einfallenden Strahlung, emittiert jedoch bei gegebener Temperatur gegenüber einem schwarzen Strahler auch nur 30 % der Wärmestrahlung.

Schwarz eloxierte Aluminiumkühlkörper zur Wärmeabstrahlung

Die Wärmeabstrahlung lässt sich durch die Verwendung blanker Metalloberflächen verringern (Beispiele: Metallschichten an Rettungsdecken und Isoliertaschen, Verspiegelungen von Dewargefäßen (z. B. in Thermoskannen) und Superisolation).

Um die Wärmeabstrahlung eines metallischen Körpers zu erhöhen, kann man ihn mit einer im relevanten Wellenlängenbereich „dunklen“, matten Beschichtung versehen:

  • Lackierung von Heizkörpern mit Farbe, die im Infrarotbereich gut Strahlung emittiert.
  • Schwarze Eloxierung von Aluminiumkühlkörpern wie im Bild rechts.
  • Emaillierung von Ofenrohren und Metallöfen
  • Dunkle Abstrahlflächen bei Nuklearstromquellen von Satelliten

Die Farbe solcher Schichten gilt nur für den relativ schmalen Bereich des sichtbaren Lichtes und ist für die Wärmestrahlung ohne Bedeutung.

Siehe auch

Weblinks