Wärmestrahlung
Quelle: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
In den vorangegangenen Kapiteln haben wir Konvektion und Leitung besprochen , die die Anwesenheit von Materie als Medium erfordern, um die Wärme von der wärmeren in die kältere Region zu transportieren. Eine dritte Art der Wärmeübertragung, die Wärmestrahlung, erfolgt jedoch ohne jegliches Medium. Im Allgemeinen ist die Wärmestrahlung von einer Oberfläche zu einer anderen die Strahlung, die die erste Oberfläche verlässt, für die andere minus der Strahlung, die von der zweiten Oberfläche ankommt. Wärmestrahlung wird durch vermittelt elektromagnetische Strahlung , wie bekannt Wärmestrahlung entsteht , dass aufgrund der Temperatur eines Körpers. Jedes Material mit einer Temperatur überAbsoluter Nullpunkt gibt etwas Strahlungsenergie ab . Die meiste Energie dieses Typs befindet sich im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums, obwohl sich ein Teil davon im sichtbaren Bereich befindet. Eines der wichtigsten Beispiele für Wärmestrahlung ist die Absorption der Sonnenstrahlung durch die Erde, gefolgt von der Wärmestrahlung, die von der Erde ausgeht. Diese Prozesse bestimmen die Temperatur und das Klima der Erde.
Wärmestrahlung
Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums, obwohl sich ein Teil davon im sichtbaren Bereich befindet. Der Begriff Wärmestrahlung wird häufig verwendet, um diese Form der elektromagnetischen Strahlung von anderen Formen wie Radiowellen, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen zu unterscheiden . Es wird durch die thermische Bewegung geladener Teilchen in der Materie erzeugt, und daher gibt jedes Material, das eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt hat, etwas Strahlungsenergie ab . Für die Energieübertragung benötigt die Wärmestrahlung kein Medium. Tatsächlich ist die Energieübertragung durch Strahlung am schnellsten (mit Lichtgeschwindigkeit) und sie wird im Vakuum nicht gedämpft.
Im Gegensatz zum Wärmeübergang durch Wärmeleitung oder Konvektion , der in Richtung abnehmender Temperatur stattfindet, kann der Wärmeübergang durch Wärmestrahlung zwischen zwei Körpern auftreten, die durch ein Medium kälter als beide Körper getrennt sind. Zum Beispiel erreicht die Sonnenstrahlung die Erdoberfläche, nachdem sie kalte Atmosphärenschichten in großer Höhe passiert hat.
Stefan-Boltzmann-Gesetz
Die Wärmestrahlungrate q [W / m 2 ] von einem Körper (z. B. einem schwarzen Körper) zu seiner Umgebung ist proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur und kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
q = εσT 4
Dabei ist σ eine physikalische Grundkonstante, die als Stefan-Boltzmann-Konstante bezeichnet wird und gleich 5,6677 × 10 -8 W / m 2 K 4 ist . Die Stefan-Boltzmann-Konstante ist nach Josef Stefan (der das Stefan-Boltzman-Gesetz 1879 experimentell entdeckte) und Ludwig Boltzmann (der es bald darauf theoretisch ableitete) benannt. Wie zu sehen ist, ist die Wärmestrahlung bei sehr hohen Temperaturen und im Vakuum wichtig .
Wie geschrieben, gibt das Stefan-Boltzmann-Gesetz die Strahlungsintensität eines einzelnen Objekts an . Mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz können wir aber auch den Strahlungswärmeübergang zwischen zwei Objekten bestimmen. Zwei aufeinander strahlende Körper haben einen Nettowärmefluss zwischen sich. Die Nettowärmeströmungsrate zwischen ihnen ist gegeben durch:Q = εσA 1-2 (T 4 1 – T 4 2 ) [J / s]
q = εσ (T 4 1 -T 4 2 ) [J / m 2 s]
Der Flächenfaktor A 1-2 ist die Fläche, die von Körper 2 von Körper 1 betrachtet wird, und kann ziemlich schwierig zu berechnen sein.
Schwarzkörperstrahlung
Es ist bekannt, dass die Menge an Strahlungsenergie, die von einer Oberfläche bei einer bestimmten Wellenlänge emittiert wird, vom Material des Körpers und dem Zustand seiner Oberfläche sowie der Oberflächentemperatur abhängt . Daher geben verschiedene Materialien unterschiedliche Mengen an Strahlungsenergie ab, selbst wenn sie die gleiche Temperatur haben. Ein Körper , der für seine absolute Temperatur die maximale Wärmemenge abgibt, wird als schwarzer Körper bezeichnet .
Ein schwarzer Körper ist ein idealisierter physischer Körper, der bestimmte Eigenschaften hat. Per Definition hat ein schwarzer Körper im thermischen Gleichgewicht ein Emissionsvermögen von ε = 1,0 . Reale Objekte strahlen nicht so viel Wärme ab wie ein perfekter schwarzer Körper. Sie strahlen weniger Wärme ab als ein schwarzer Körper und werden daher als graue Körper bezeichnet.
Die Oberfläche eines schwarzen Körpers emittiert bei Raumtemperatur (25 ° C, 298,15 K) Wärmestrahlung mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 448 Watt pro Quadratmeter. Reale Objekte mit einem Emissionsgrad von weniger als 1,0 (z. B. Kupferdraht) emittieren Strahlung mit entsprechend geringeren Raten (z. B. 448 x 0,03 = 13,4 W / m 2 ). Das Emissionsvermögen spielt eine wichtige Rolle bei Wärmeübertragungsproblemen. Beispielsweise enthalten Solarwärmekollektoren selektive Oberflächen mit sehr geringen Emissionsgraden. Diese Kollektoren verschwenden durch die Emission von Wärmestrahlung nur sehr wenig Sonnenenergie.
Da das Absorptionsvermögen und das Emissionsvermögen durch das Kirchhoffsche Gesetz der Wärmestrahlung miteinander verbunden sind , ist ein schwarzer Körper auch ein perfekter Absorber für elektromagnetische Strahlung.
Kirchhoffs Wärmestrahlungsgesetz :
Für einen beliebigen Körper, der Wärmestrahlung im thermodynamischen Gleichgewicht emittiert und absorbiert, ist das Emissionsvermögen gleich dem Absorptionsvermögen.
Emissionsgrad ε = Absorptionsvermögen α
Ein schwarzer Körper absorbiert alle einfallenden elektromagnetischen Strahlen, unabhängig von Frequenz oder Einfallswinkel. Sein Absorptionsvermögen ist daher gleich Eins, was auch der höchstmögliche Wert ist. Das heißt, ein schwarzer Körper ist ein perfekter Absorber (und ein perfekter Emitter ).
Beachten Sie, dass sichtbare Strahlung ein sehr schmales Band des Spektrums von 0,4 bis 0,76 nm einnimmt. Wir können aufgrund visueller Beobachtungen keine Beurteilung der Schwärze einer Oberfläche vornehmen. Betrachten Sie beispielsweise weißes Papier, das sichtbares Licht reflektiert und somit weiß erscheint. Andererseits ist es für Infrarotstrahlung im Wesentlichen schwarz ( Absorptionsvermögen α = 0,94 ), da sie langwellige Strahlung stark absorbieren.
Siehe auch: Ultraviolette Katastrophe
Blackbody Emissive Power
Die Schwarzkörperemissionsvermögen , E b [W / m 2 ] , von einem schwarzen Körper zu seiner Umgebung sind proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur und können durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
E b = σT 4
Dabei ist σ eine physikalische Grundkonstante, die als Stefan-Boltzmann-Konstante bezeichnet wird und gleich 5,6677 × 10 -8 W / m 2 K 4 ist, und T ist die absolute Temperatur der Oberfläche in K.
Der Begriff Schwarzkörper wurde 1860 von einem deutschen Physiker, Gustav Kirchhoff, eingeführt. Schwarzkörperstrahlung wird auch als Wärmestrahlung , Hohlraumstrahlung, Vollstrahlung oder Temperaturstrahlung bezeichnet. Mit der Schwarzkörperstrahlung sind drei Gesetze verbunden:
- Kirchhoffs Gesetz . Dieses Gesetz gibt die Beziehung zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen eines Objekts an.
- Plancksches Gesetz . Dieses Gesetz beschreibt das Spektrum der Schwarzkörperstrahlung, das nur von der Temperatur des Objekts abhängt.
- Wiens Verschiebungsgesetz . Dieses Gesetz bestimmt die wahrscheinlichste Frequenz der emittierten Strahlung.
- Stefan-Boltzmann-Gesetz . Dieses Gesetz gibt die Strahlungsintensität an.
Alle Körper oberhalb der absoluten Nulltemperatur strahlen etwas Wärme ab. Sonne und Erde strahlen Wärme aufeinander zu. Dies scheint gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu verstoßen , der besagt, dass Wärme nicht spontan vom kalten zum heißen System fließen kann , ohne dass externe Arbeiten am System durchgeführt werden. Das Paradoxon wird durch die Tatsache gelöst, dass jeder Körper in direkter Sichtlinie zum anderen sein muss, um Strahlung von ihm zu empfangen. Wenn der kühle Körper Wärme an den heißen Körper abgibt, muss der heiße Körper daher auch Wärme an den kühlen Körper abgeben. Darüber hinaus strahlt der heiße Körper mehr Energie aus als der kalte Körper. Der Fall unterschiedlicher Emissionsgrade wird durch das Kirchhoffsche Gesetz der Wärmestrahlung gelöst, was besagt, dass Objekte mit niedrigem Emissionsvermögen auch ein geringes Absorptionsvermögen haben. Infolgedessen kann Wärme nicht spontan vom kalten zum heißen System fließen , und das zweite Gesetz ist immer noch erfüllt.
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