Wärmestrahlung

Wärmestrahlung

1.Grundlagen

Als Wärme und Temperaturstrahlung bezeichnet man den Energiestrom eines Stoffes der nur von dessen Temp. Abhängig ist. Die Wärmestrahlung wächst mit steigender Temp. Bei allen Aggregatzuständen (fest, flüssig, gasförmig) kann Wärmestrahlung auftreten. Die Energie der Strahlung kommt aus dem inneren des Körpers. (innere Energie)
Von der Oberfläche des Körpers werden aus innerer Energie erzeugte elektromagn. Wellen emittiert die im Wellenlängenbereich von 0,35 bis 10 μm liegen (laut Cerbe, aber laut Wagner 0,4 - 800 μm ) und sich vom sichtbaren Licht (0,35 bis 0,75 μm) nur durch ihre größere Wellenlänge unterscheiden. Die Wellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit geradlinig fort.




2.Absorption, Reflexion und Durchlässigkeit

Trifft ein Wärmestrom durch Strahlung auf einen Körper, so wird ein Bruchteil reflektiert, ein Teil absorbiert und ein Teil durchgelassen.

a + r + d = 1



Für feste und flüssige Körper (bis auf wenige Ausnahmen) ist d ≈ 0. Somit gilt annähernd:

r + a ≈ 1









2.1.Grenzfälle


Man nennt einen Körper:

schwarz, wenn er alle auftreffenden Strahlen absorbiert. Man kann ihn mit einem Hohlkörper vergleichen in dem sich ein eingedrungener Strahl totläuft.








weiß, wenn er alle auftreffenden Strahlen reflektiert (r = 1). Man nennt diesen Körper einen idealen Spiegel.

durchlässig, wenn er alle auftreffenden Strahlen durchlässt (d = 1). Man nennt diesen Körper auch diatherm. Dies sind meist ein, bzw. zweiatomigen Gase wie O₂, N₂, usw. Die Durchlässigkeit hängt von der Wellenlänge ab.

Grau, wenn er von allen Wellenlängen den selben Bruchteil absorbiert (a_λ = ε_λ = z.B.: 1/3 )

farbig, wenn beim auftreten der Strahlung nur bestimmte Wellenlängen bevorzugt reflektiert werden (sie entsprechen den Farben die wir sehen)

matt, wenn die auftreffenden Strahlungen nach allen Richtungen diffus verstreut werden.


3.Aussenden von Strahlen

Nach dem Kirchhoff'schen Gesetz ist das Emissionsvermögen (Emissionskoeffizient ε) ,also das Aussenden von Strahlung gleich dem Absorptionsvermögen (Absorptionskoeffizient a). Daraus folgt:


ε = a

Oberfläche	ε = a
Gold poliert Silber Kupfer poliert Eisen blank geätzt Eisen mit Walzhaut Eisen stark verrostet Ton gebrannt Emaille bis Lack schwarz matt Eis glatt Eis mit Raureifbelag	0,018 0,02 0,03 0,12 0,77 0,85 0,91 0,95 0,97 0,966 0,985

4.Stefan Boltzmannsches Gesetz

Bei der Wärmestrahlung verwandelt sich die innere Energie eines Körpers an seiner Oberfläche in elektromagnetische Energie, die sich in Form elektromagnetischer Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Diese Wellen haben eine Wellenlänge von 0,8 - 600 μm (Infrarotbereich). Dieser Vorgang wird Emission E genannt. Die Emission hängt nur von der Temperatur des Körpers und dessen Oberflächenbeschaffenheit ab. Die Umgebung hat keinen Einfluß auf die Emission. Trifft die emittierte Strahlung auf einen Körper, kann sie reflektiert und/oder absorbiert werden.
Jeder Körper sendet Strahlung aus. Nur bei einer Temperatur von 0 K gibt es keine Strahlung.





Man erkennt, dass die Strahlung erst bei höheren Temperaturen von Bedeutung ist.
Bei niedrigen Temperaturen dominieren Wärmeleitung und Konvektion.


5.Kirchhoff'sches Gesetz

Für schwarze Körper gilt a = 1, und für weiße Körper gilt r = 1. Kirchhoff hat zwischen Emission und Absorption einen Zusammenhang festgestellt.>>> In einem System von Körpern mit konstanter Temperatur ist das Verhältnis der Emission zur Absorption für die beteiligten Körper gleich groß.





Setzt man in das Kirchhoff'sche Gesetz das Stefan Boltzmann'sche Gesetz ein, folgt für die konstante Temperatur des Systems.










6.Wärmestrahlung zwischen zwei parallelen Flächen

Da jeder Körper Wärmestrahlung emittiert, hat das zur Folge, dass der wärmere wie auch der kältere Körper den jeweiligen anderen Körper anstrahlt. Da jeder Körper einen Bruchteil der auf ihn fallenden Strahlung reflektiert, setzt sich die von einer Körperoberfläche ausgesendeten Strahlung aus der Eigenemission und der Reflexion der Strahlung zusammen. Die Differenz dieser zwischen dieser zwei Körper emittierten Strahlung ist die übertragene Wärmeenergie.

Sind die Temperaturen T₁, T₂, die Strahlungszahlen C₁, C₂, die Fläche A, die Strahlungen H₁, H₂ (Helligkeit) und die ausgesendeten Strahlungsenergien E₁,E₂ bekannt, ist die ausgetauschte Wärmeenergie:





































Stefan Boltzmannsches Strahlungsgesetz:



7.Wärmestrahlung zwischen zwei sich umschließenden Flächen


















8.Wärmestrahlung beim Isolierschirm
























9.Zusammengesetzter Wärmeübergang

Bei einem Wärmeübergang aus Strahlung und Konvektion gelten:

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