WÄRMESTRAHLUNG: EIGENSCHAFTEN, BEISPIELE, ANWENDUNGEN - KÖRPERLICH - 2025

Die Wärmestrahlung ist die Energie, die ein Körper mit seiner Temperatur und den Wellenlängen des elektromagnetischen Infrarotspektrums überträgt. Alle Körper senden ausnahmslos Infrarotstrahlung aus, egal wie niedrig ihre Temperatur ist.

Es kommt vor, dass elektrisch geladene Teilchen in beschleunigter Bewegung schwingen und dank ihrer kinetischen Energie kontinuierlich elektromagnetische Wellen aussenden.

Abbildung 1. Wir kennen die Wärmestrahlung der Sonne, die eigentlich die Hauptquelle für Wärmeenergie ist. Quelle: Pxhere.

Der einzige Weg, wie ein Körper keine Wärmestrahlung abgibt, besteht darin, dass seine Partikel vollständig in Ruhe sind. Auf diese Weise wäre seine Temperatur auf der Kelvin-Skala 0, aber eine Reduzierung der Temperatur eines Objekts auf einen solchen Punkt ist etwas, das noch nicht erreicht wurde.

Wärmestrahlungseigenschaften

Eine bemerkenswerte Eigenschaft, die diesen Wärmeübertragungsmechanismus von anderen unterscheidet, ist, dass er kein materielles Medium benötigt, um ihn herzustellen. So bewegt sich beispielsweise die von der Sonne emittierte Energie 150 Millionen Kilometer durch den Weltraum und erreicht kontinuierlich die Erde.

Es gibt ein mathematisches Modell, um die Menge an Wärmeenergie pro Zeiteinheit zu ermitteln, die ein Objekt ausstrahlt:

Diese Gleichung ist als Stefansches Gesetz bekannt und die folgenden Größen erscheinen:

- Wärmeenergie pro Zeiteinheit P, die als Leistung bezeichnet wird und deren Einheit im Internationalen Einheitensystem das Watt oder Watt (W) ist.

-Die Oberfläche des Objekts, das Wärme A abgibt, in Quadratmetern.

-A Konstante, die so genannte Stefan - Boltzmann - Konstante , bezeichnet durch σ und dessen Wert 5,66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴ ,

-Der Emissionsgrad (auch Emission genannt) des Objekts e, eine dimensionslose Größe (ohne Einheiten), deren Wert zwischen 0 und 1 liegt. Er hängt mit der Art des Materials zusammen: Zum Beispiel hat ein Spiegel einen niedrigen Emissionsgrad, während ein sehr dunkler Körper einen hat hohes Emissionsvermögen.

-Und schließlich die Temperatur T in Kelvin.

Beispiele für Wärmestrahlung

Nach dem Stefanschen Gesetz ist die Geschwindigkeit, mit der ein Objekt Energie ausstrahlt, proportional zur Fläche, zum Emissionsgrad und zur vierten Potenz der Temperatur.

Da die Emissionsrate der Wärmeenergie von der vierten Potenz von T abhängt, ist klar, dass kleine Temperaturänderungen einen großen Einfluss auf die emittierte Strahlung haben. Wenn sich beispielsweise die Temperatur verdoppelt, würde sich die Strahlung um das 16-fache erhöhen.

Ein Sonderfall des Stefanschen Gesetzes ist der perfekte Strahler, ein völlig undurchsichtiges Objekt, das als schwarzer Körper bezeichnet wird und dessen Emissionsgrad genau 1 beträgt. In diesem Fall sieht das Stefansche Gesetz folgendermaßen aus:

Es kommt vor, dass das Stefansche Gesetz ein mathematisches Modell ist, das die von einem Objekt emittierte Strahlung grob beschreibt, da es das Emissionsvermögen als Konstante betrachtet. Das Emissionsvermögen hängt tatsächlich von der Wellenlänge der emittierten Strahlung, der Oberflächenbeschaffenheit und anderen Faktoren ab.

Wenn e als konstant betrachtet wird und das Stefansche Gesetz wie am Anfang angegeben angewendet wird, wird das Objekt als grauer Körper bezeichnet.

Die Emissionswerte für einige als grauer Körper behandelte Substanzen sind:

-Poliertes Aluminium 0,05

-Black Carbon 0,95

-Human Haut jeder Farbe 0,97

-Holz 0,91

-Eis 0,92

-Wasser 0,91

-Kupfer zwischen 0,015 und 0,025

-Steel zwischen 0,06 und 0,25

Wärmestrahlung von der Sonne

Ein konkretes Beispiel für ein Objekt, das Wärmestrahlung emittiert, ist die Sonne. Es wird geschätzt, dass jede Sekunde ungefähr 1.370 J Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung von der Sonne auf die Erde gelangen.

Dieser Wert wird als Sonnenkonstante bezeichnet und jeder Planet hat eine, die von seiner durchschnittlichen Entfernung von der Sonne abhängt.

Diese Strahlung passiert senkrecht jedes m ² der atmosphärischen Schichten und ist in verschiedenen Wellenlängen verteilt.

Fast alles kommt in Form von sichtbarem Licht, aber ein großer Teil kommt als Infrarotstrahlung, was genau das ist, was wir als Wärme wahrnehmen, und einige auch als ultraviolette Strahlen. Es ist eine große Energiemenge, die ausreicht, um die Bedürfnisse des Planeten zu befriedigen, um ihn einzufangen und richtig zu nutzen.

In Bezug auf die Wellenlänge sind dies die Bereiche, in denen sich die Sonnenstrahlung befindet, die die Erde erreicht:

- Infrarot , was wir als Wärme wahrnehmen: 100 - 0,7 μm *

- Sichtbares Licht zwischen 0,7 - 0,4 μm

- Ultraviolett , weniger als 0,4 μm

* 1 μm = 1 Mikrometer oder ein Millionstel Meter.

Wiens Gesetz

Das Bild unten zeigt die Verteilung der Strahlung über die Wellenlänge für verschiedene Temperaturen. Die Verteilung folgt dem Wiener Verschiebungsgesetz, wonach die Wellenlänge der maximalen Strahlung λ _max umgekehrt proportional zur Temperatur T in Kelvin ist:

λ _max T = 2,898. 10 ^–3 m⋅K

Abbildung 2. Diagramm der Strahlung als Funktion der Wellenlänge für einen schwarzen Körper. Quelle: Wikimedia Commons.

Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von ungefähr 5.700 K und strahlt, wie wir gesehen haben, hauptsächlich bei kürzeren Wellenlängen. Die Kurve, die der der Sonne am nächsten kommt, ist die von 5000 K in Blau und hat natürlich das Maximum im Bereich des sichtbaren Lichts. Es emittiert aber auch einen guten Teil im Infrarot und Ultraviolett.

Anwendungen von Wärmestrahlung

Solarenergie

Die große Energiemenge, die die Sonne ausstrahlt, kann in Geräten gespeichert werden, die als Kollektoren bezeichnet werden, um sie später umzuwandeln und bequem als elektrische Energie zu nutzen.

Infrarotkameras

Es handelt sich um Kameras, die, wie der Name schon sagt, im Infrarotbereich und nicht wie bei herkömmlichen Kameras im sichtbaren Licht arbeiten. Sie nutzen die Tatsache, dass alle Körper je nach Temperatur mehr oder weniger Wärmestrahlung abgeben.

Abbildung 3. Bild eines Hundes, aufgenommen mit einer Infrarotkamera. Ursprünglich repräsentieren die helleren Bereiche diejenigen mit der höchsten Temperatur. Die Farben, die während der Verarbeitung hinzugefügt werden, um die Interpretation zu erleichtern, zeigen die unterschiedlichen Temperaturen im Körper des Tieres. Quelle: Wikimedia Commons.

Pyrometrie

Wenn die Temperaturen sehr hoch sind, ist es nicht die beste Option, sie mit einem Quecksilberthermometer zu messen. Hierzu werden Pyrometer bevorzugt, durch die die Temperatur eines Objekts aufgrund der Emission eines elektromagnetischen Signals unter Kenntnis seines Emissionsvermögens abgeleitet wird.

Astronomie

Sternenlicht ist sowohl mit der Schwarzkörper-Näherung als auch mit dem gesamten Universum sehr gut modelliert. Das Wiener Gesetz wird in der Astronomie häufig verwendet, um die Temperatur von Sternen anhand der Wellenlänge des von ihnen emittierten Lichts zu bestimmen.

Militärindustrie

Die Raketen zielen mit Infrarotsignalen auf das Ziel, um die heißesten Bereiche in Flugzeugen zu erfassen, beispielsweise Triebwerke.

Verweise

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