{"id":42371,"date":"2019-10-04T12:05:54","date_gmt":"2019-10-04T11:05:54","guid":{"rendered":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/was-ist-strahlungswarmeubertragung-definition\/"},"modified":"2021-06-15T11:44:43","modified_gmt":"2021-06-15T10:44:43","slug":"was-ist-strahlungswarmeubertragung-definition","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/de\/was-ist-strahlungswarmeubertragung-definition\/","title":{"rendered":"Was ist W\u00e4rmestrahlung – Definition"},"content":{"rendered":"
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Die W\u00e4rmestrahlung wird durch elektromagnetische Strahlung, die als W\u00e4rmestrahlung bezeichnet wird und aufgrund der K\u00f6rpertemperatur entsteht, vermittelt. W\u00e4rmestrahlung<\/div>\n<\/div>\n
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W\u00e4rmestrahlung<\/h2>\n
\"Die<\/a>
Die Sonne erzeugt ihre Energie durch Kernfusion von Wasserstoffkernen zu Helium.\u00a0In ihrem Kern schmilzt die Sonne jede Sekunde 620 Millionen Tonnen Wasserstoff.
\nQuelle: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu<\/figcaption><\/figure>\n

In den vorangegangenen Kapiteln haben wir\u00a0Konvektion<\/a>\u00a0und\u00a0Leitung<\/a> besprochen\u00a0, die die Anwesenheit von Materie als Medium erfordern, um die W\u00e4rme von der w\u00e4rmeren in die k\u00e4ltere Region zu transportieren.\u00a0Eine dritte Art der W\u00e4rme\u00fcbertragung, die W\u00e4rmestrahlung, erfolgt jedoch ohne jegliches Medium. Im Allgemeinen ist die W\u00e4rmestrahlung von einer Oberfl\u00e4che zu einer anderen die Strahlung, die die erste Oberfl\u00e4che verl\u00e4sst, f\u00fcr die andere minus der Strahlung, die von der zweiten Oberfl\u00e4che ankommt. W\u00e4rmestrahlung\u00a0wird durch vermittelt\u00a0elektromagnetische Strahlung<\/strong>\u00a0, wie bekannt\u00a0W\u00e4rmestrahlung<\/strong>\u00a0entsteht ,\u00a0dass aufgrund der\u00a0Temperatur<\/a>\u00a0eines K\u00f6rpers.\u00a0Jedes Material mit einer Temperatur \u00fcberAbsoluter Nullpunkt<\/a>\u00a0gibt etwas\u00a0Strahlungsenergie ab<\/strong><\/a>\u00a0.\u00a0Die meiste\u00a0Energie<\/a>\u00a0dieses Typs befindet sich im\u00a0Infrarotbereich<\/strong> des elektromagnetischen Spektrums, obwohl sich ein Teil davon im sichtbaren Bereich befindet.\u00a0Eines der wichtigsten Beispiele f\u00fcr W\u00e4rmestrahlung ist die Absorption der Sonnenstrahlung durch die Erde, gefolgt von der W\u00e4rmestrahlung, die von der Erde ausgeht.\u00a0Diese Prozesse bestimmen die Temperatur und das Klima der Erde.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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W\u00e4rmestrahlung<\/h2>\n

\"W\u00e4rmestrahlung\"<\/a>W\u00e4rmestrahlung<\/strong>\u00a0ist elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums, obwohl sich ein Teil davon im sichtbaren Bereich befindet.\u00a0Der Begriff\u00a0W\u00e4rmestrahlung<\/strong>\u00a0wird h\u00e4ufig verwendet, um diese Form der elektromagnetischen Strahlung von anderen Formen wie Radiowellen, R\u00f6ntgenstrahlen oder\u00a0Gammastrahlen zu unterscheiden<\/a>\u00a0.\u00a0Es wird durch die thermische Bewegung geladener Teilchen in der Materie erzeugt, und daher gibt jedes Material, das eine Temperatur \u00fcber dem absoluten Nullpunkt hat, etwas\u00a0Strahlungsenergie ab<\/a>\u00a0.\u00a0F\u00fcr die Energie\u00fcbertragung ben\u00f6tigt die\u00a0W\u00e4rmestrahlung<\/strong>\u00a0kein Medium.\u00a0Tats\u00e4chlich ist die Energie\u00fcbertragung durch Strahlung am schnellsten (mit Lichtgeschwindigkeit) und sie wird im Vakuum nicht ged\u00e4mpft.<\/p>\n

Im Gegensatz zum W\u00e4rme\u00fcbergang durch\u00a0W\u00e4rmeleitung<\/a>\u00a0oder\u00a0Konvektion<\/a>\u00a0, der in Richtung abnehmender Temperatur stattfindet, kann der W\u00e4rme\u00fcbergang durch W\u00e4rmestrahlung zwischen zwei K\u00f6rpern auftreten, die durch ein Medium k\u00e4lter als beide K\u00f6rper getrennt sind.\u00a0Zum Beispiel erreicht die Sonnenstrahlung die Erdoberfl\u00e4che, nachdem sie kalte Atmosph\u00e4renschichten in gro\u00dfer H\u00f6he passiert hat.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Stefan-Boltzmann-Gesetz<\/h2>\n
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Die W\u00e4rmestrahlungrate<\/strong>\u00a0q [W \/ m\u00a02<\/sup>\u00a0] von einem K\u00f6rper (z. B. einem schwarzen K\u00f6rper) zu seiner Umgebung ist proportional zur\u00a0vierten Potenz<\/strong>\u00a0der\u00a0absoluten Temperatur<\/a>\u00a0und kann durch die folgende Gleichung ausgedr\u00fcckt werden:<\/p>\n

q = \u03b5\u03c3T\u00a0<\/em>4<\/sup><\/em><\/strong><\/p>\n

Dabei ist\u00a0\u03c3<\/strong>\u00a0eine physikalische Grundkonstante, die als\u00a0Stefan-Boltzmann-Konstante<\/strong>\u00a0bezeichnet wird und gleich\u00a05,6677 \u00d7 10\u00a0<\/strong>-8<\/sup><\/strong>\u00a0W \/ m\u00a0<\/strong>2<\/sup><\/strong>\u00a0K\u00a0<\/strong>4 ist<\/sup><\/strong>\u00a0.\u00a0Die\u00a0Stefan-Boltzmann-Konstante ist<\/strong>\u00a0nach Josef Stefan (der das\u00a0Stefan-Boltzman-Gesetz<\/a> 1879 experimentell entdeckte) und Ludwig Boltzmann (der es bald darauf theoretisch ableitete) benannt.\u00a0Wie zu sehen ist, ist die W\u00e4rmestrahlung bei sehr hohen Temperaturen<\/strong>\u00a0und\u00a0im Vakuum<\/strong>\u00a0wichtig\u00a0.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Wie geschrieben, gibt das\u00a0Stefan-Boltzmann-Gesetz\u00a0\u00a0die Strahlungsintensit\u00e4t eines einzelnen Objekts an<\/strong>\u00a0.\u00a0Mit dem\u00a0Stefan-Boltzmann-Gesetz<\/strong>\u00a0k\u00f6nnen wir aber auch den Strahlungsw\u00e4rme\u00fcbergang zwischen zwei Objekten bestimmen.\u00a0Zwei aufeinander strahlende K\u00f6rper haben einen Nettow\u00e4rmefluss zwischen sich.\u00a0Die Nettow\u00e4rmestr\u00f6mungsrate zwischen ihnen ist gegeben durch:Q = \u03b5\u03c3A\u00a0<\/em><\/strong>1-2<\/sub><\/em><\/strong>\u00a0(T\u00a0<\/em><\/strong>4\u00a0<\/sup><\/em><\/strong>1<\/sub><\/em><\/strong>\u00a0–\u00a0<\/em><\/strong>T\u00a0<\/em><\/strong>4\u00a0<\/sup><\/em><\/strong>2<\/sub><\/em><\/strong>\u00a0) [J \/ s]<\/em><\/strong><\/p>\n

q = \u03b5\u03c3 (T\u00a0<\/em><\/strong>4\u00a0<\/sup><\/em><\/strong>1<\/sub><\/em><\/strong>\u00a0-T\u00a0<\/em><\/strong>4\u00a0<\/sup><\/em><\/strong>2<\/sub><\/em><\/strong>\u00a0) [J \/ m\u00a0<\/em><\/strong>2<\/sup><\/em><\/strong>\u00a0s]<\/em><\/strong><\/p>\n

Der Fl\u00e4chenfaktor A\u00a01-2<\/sub>\u00a0ist die Fl\u00e4che, die von K\u00f6rper 2 von K\u00f6rper 1 betrachtet wird, und kann ziemlich schwierig zu berechnen sein.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Schwarzk\u00f6rperstrahlung<\/h2>\n

Es ist bekannt, dass die Menge an Strahlungsenergie, die von einer Oberfl\u00e4che bei einer bestimmten Wellenl\u00e4nge emittiert wird, vom\u00a0Material<\/strong>\u00a0des K\u00f6rpers und dem Zustand seiner\u00a0Oberfl\u00e4che<\/strong>\u00a0sowie der Oberfl\u00e4chentemperatur\u00a0abh\u00e4ngt<\/strong><\/a>\u00a0.\u00a0Daher geben verschiedene Materialien unterschiedliche Mengen an Strahlungsenergie ab, selbst wenn sie die gleiche Temperatur haben.\u00a0Ein\u00a0K\u00f6rper<\/strong>\u00a0, der\u00a0f\u00fcr seine absolute Temperatur\u00a0die\u00a0maximale W\u00e4rmemenge<\/strong>\u00a0abgibt,\u00a0wird als\u00a0schwarzer<\/strong><\/a>\u00a0K\u00f6rper bezeichnet<\/strong>\u00a0.<\/p>\n

\"Schwarzk\u00f6rperstrahlung\"<\/a>Ein\u00a0schwarzer<\/strong>\u00a0K\u00f6rper ist ein idealisierter physischer K\u00f6rper, der bestimmte Eigenschaften hat.\u00a0Per Definition hat ein schwarzer K\u00f6rper im thermischen Gleichgewicht ein\u00a0Emissionsverm\u00f6gen<\/strong>\u00a0von\u00a0\u03b5<\/em>\u00a0= 1,0<\/strong>\u00a0.\u00a0Reale Objekte strahlen nicht so viel W\u00e4rme ab wie ein perfekter schwarzer K\u00f6rper.\u00a0Sie strahlen weniger W\u00e4rme ab als ein schwarzer K\u00f6rper und werden daher als graue K\u00f6rper bezeichnet.<\/p>\n

Die Oberfl\u00e4che eines schwarzen K\u00f6rpers emittiert bei Raumtemperatur (25 \u00b0 C, 298,15 K) W\u00e4rmestrahlung mit einer Geschwindigkeit von ungef\u00e4hr 448 Watt pro Quadratmeter.\u00a0Reale 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\u00a02<\/sup>\u00a0).\u00a0Das Emissionsverm\u00f6gen<\/strong>\u00a0spielt eine wichtige Rolle bei W\u00e4rme\u00fcbertragungsproblemen.\u00a0Beispielsweise enthalten Solarw\u00e4rmekollektoren selektive Oberfl\u00e4chen mit sehr geringen Emissionsgraden.\u00a0Diese Kollektoren verschwenden durch die Emission von W\u00e4rmestrahlung nur sehr wenig Sonnenenergie.<\/p>\n

Da das\u00a0Absorptionsverm\u00f6gen<\/strong>\u00a0und das\u00a0Emissionsverm\u00f6gen<\/strong>\u00a0durch das\u00a0Kirchhoffsche Gesetz der W\u00e4rmestrahlung miteinander verbunden sind<\/strong>\u00a0, ist ein\u00a0schwarzer K\u00f6rper<\/strong>\u00a0auch ein perfekter Absorber f\u00fcr elektromagnetische Strahlung.<\/p>\n

Kirchhoffs W\u00e4rmestrahlungsgesetz<\/strong><\/a>\u00a0:<\/em><\/p>\n

F\u00fcr einen beliebigen K\u00f6rper, der W\u00e4rmestrahlung im thermodynamischen Gleichgewicht emittiert und absorbiert, ist das Emissionsverm\u00f6gen gleich dem Absorptionsverm\u00f6gen.<\/em><\/p>\n

Emissionsgrad \u03b5 = Absorptionsverm\u00f6gen \u03b1<\/strong><\/p>\n

Ein\u00a0schwarzer K\u00f6rper<\/strong>\u00a0absorbiert alle einfallenden elektromagnetischen Strahlen, unabh\u00e4ngig von Frequenz oder Einfallswinkel.\u00a0Sein\u00a0Absorptionsverm\u00f6gen<\/strong>\u00a0ist daher gleich Eins, was auch der h\u00f6chstm\u00f6gliche Wert ist.\u00a0Das hei\u00dft, ein\u00a0schwarzer K\u00f6rper<\/strong>\u00a0ist ein\u00a0perfekter Absorber<\/strong>\u00a0(und ein\u00a0perfekter Emitter<\/strong>\u00a0).<\/p>\n

Beachten Sie, dass sichtbare Strahlung ein sehr schmales Band des Spektrums von 0,4 bis 0,76 nm einnimmt. Wir k\u00f6nnen aufgrund visueller Beobachtungen keine Beurteilung der Schw\u00e4rze einer Oberfl\u00e4che vornehmen.\u00a0Betrachten Sie beispielsweise wei\u00dfes Papier, das sichtbares Licht reflektiert und somit wei\u00df erscheint.\u00a0Andererseits ist es f\u00fcr Infrarotstrahlung im Wesentlichen schwarz (\u00a0Absorptionsverm\u00f6gen \u03b1 = 0,94<\/strong>\u00a0), da sie langwellige Strahlung stark absorbieren.<\/p>\n

Siehe auch:\u00a0Ultraviolette Katastrophe<\/a><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Blackbody Emissive Power<\/h2>\n

Die\u00a0Schwarzk\u00f6rperemissionsverm\u00f6gen<\/strong>\u00a0,\u00a0E\u00a0b<\/sub>\u00a0[W \/ m\u00a02<\/sup>\u00a0]<\/strong>\u00a0, von einem schwarzen K\u00f6rper\u00a0zu seiner Umgebung sind proportional zur\u00a0vierten Potenz<\/strong>\u00a0der absoluten Temperatur und k\u00f6nnen durch die folgende Gleichung ausgedr\u00fcckt werden:<\/p>\n

E\u00a0b<\/sub>\u00a0= \u03c3T\u00a04<\/sup><\/em><\/strong><\/p>\n

Dabei ist\u00a0\u03c3<\/strong>\u00a0eine physikalische Grundkonstante, die als\u00a0Stefan-Boltzmann-Konstante<\/strong>\u00a0bezeichnet wird und gleich\u00a05,6677 \u00d7 10\u00a0<\/strong>-8<\/sup><\/strong>\u00a0W \/ m\u00a0<\/strong>2<\/sup><\/strong>\u00a0K\u00a0<\/strong>4 ist,<\/sup><\/strong>\u00a0und T ist die absolute Temperatur der Oberfl\u00e4che in K.<\/p>\n

Der Begriff\u00a0Schwarzk\u00f6rper<\/strong>\u00a0wurde 1860 von einem deutschen Physiker, Gustav Kirchhoff, eingef\u00fchrt.\u00a0Schwarzk\u00f6rperstrahlung<\/strong><\/a>\u00a0wird auch als\u00a0W\u00e4rmestrahlung<\/strong>\u00a0, Hohlraumstrahlung,\u00a0Vollstrahlung<\/strong><\/a>\u00a0oder Temperaturstrahlung bezeichnet.\u00a0Mit der Schwarzk\u00f6rperstrahlung sind drei Gesetze verbunden:<\/p>\n