Wenn Du Dich an einem warmen Sommertag in die Sonne legst, dann wird Dir sehr schnell warm. Abends hingegen – wenn die Sonne untergegangen ist – sinkt mit der Sonne auch die Temperatur. Somit ist die Sonne unsere Wärme- und Energiequelle auf der Erde. Die Form der Wärmeübertragung, die von der Sonne zur Erde stattfindet, heißt Wärmestrahlung.
Eine ausführliche Erklärung zur Wärmestrahlung, so wie die Definition, weitere Beispiele und ein Experiment findest Du hier!
Wärmeübertragung
Energien existieren in verschiedenen Formen: als Potentielle Energie, kinetische Energie oder auch in Form von Wärme. Genau wie alle anderen Energieformen kann auch Wärme zwischen Objekten ausgetauscht werden. Dabei wird Wärme dann übertragen, wenn ein Temperaturunterschied besteht.
Der Energieaustausch, der aufgrund von Temperaturunterschieden stattfindet, heißt Wärmeübertragung. Dabei fließt Wärme stets von Bereichen höherer Temperatur zu Bereichen tieferer Temperatur.
Insgesamt sind drei Formen der Wärmeübertragung möglich:
Gase und Flüssigkeiten werden als Fluide zusammengefasst. In Fluiden wird Wärme durch Konvektion – auch Wärmekonvektion oder Wärmeströmung genannt – übertragen. Dabei wird das Fluid von der einen Seite erwärmt. Durch Strömungen vermischt sich der erwärmte Teil mit dem restlichen Fluid, wodurch die Gesamttemperatur etwas ansteigt. Gleichzeitig wird ein neuer Anteil an Fluid erwärmt, der sich erneut unter den Rest mischt und somit weiter zum Temperaturanstieg beiträgt.
Du interessierst Dich näher für die Wärmekonvektion? Dann schau doch in der Erklärung dazu vorbei!
Die Temperatur eines Stoffes definiert die mittlere kinetische Energie seiner Teilchen. Deswegen bewegen sich Teilchen schneller, je höher die Temperatur ist. Bei der Konvektion wird die Durchmischung beispielsweise durch vermehrte Teilchenbewegung hervorgerufen, die wiederum zum Temperaturanstieg führt.
In Feststoffen wiederum gibt es keine freien Teilchen, die sich durchmischen und die Gesamttemperatur erhöhen können. Stattdessen sitzen die Atome an wohldefinierten Plätzen. Die einzige Bewegung, die sie hier ausführen können, ist Schwingung – aber auch Schwingung ist eine Form von Bewegung.
Erwärmst Du beispielsweise ein Metall an einem Ende, so werden die Atome in der erwärmten Umgebung zu Schwingungen angeregt. Dabei regen sie auch benachbarte Atome zu Schwingungen an, die wiederum ihre nächsten Nachbarn zum Schwingen anregen. So wird kinetische Energie – und damit auch Wärme – im Stab weitergegeben. Dies bezeichnest Du als Wärmeleitung.
Mehr zur Wärmeleitung erfährst Du in der gleichnamigen Erklärung!
Die dritte Form der Wärmeübertragung ist die Wärmestrahlung. Am besten betrachtest Du diese zunächst selbst.
Wärmestrahlung Experiment
Schnapp Dir Deine Tischlampe und halte Deine Hand vor die Glühbirne. Schalte die Lampe an und warte einen Moment. Nach kurzer Zeit wirst Du merken, dass es immer wärmer wird. Dies liegt daran, dass Deine Hand durch die Wärmestrahlung, die von der Lampe ausgeht, erwärmt wird.
Achte dabei allerdings, die Lampe nicht zu berühren! Je nachdem, wie lange die Lampe an war, kann sie sehr heiß werden und Du könntest Dich verbrennen.
Dasselbe könntest Du auch bei einer Kerze oder am Kamin beobachten: Stehst Du unmittelbar dran, so spürst Du die Wärmestrahlung. Das Ganze kannst Du aber auch wissenschaftlich erfassen.
Nimm ein Gefrierbeutel – am besten einen mit Verschluss – und ein Thermometer. Fülle den Beutel mit etwas Wasser und steck das Thermometer hinein. Verschließe dann den Beutel, damit möglichst wenig Wasser rausläuft. Bestenfalls legst Du den Beutel auch noch in eine Schüssel, damit Du Deinen Tisch nicht nass machst.
Schalte jetzt Deine Tischlampe ein und leg die Schüssel mit dem Beutel genau darunter. Die Lampe sollte den Beutel nun möglichst gerade von oben beleuchten. Warte mehrere Minuten und notiere Dir die angezeigte Temperatur.
Je nach Leistung der Lampe kann es auch was länger dauern, bis sich das Wasser im Beutel erwärmt. Warte in diesem Fall so lange, bis Du nennenswerte Temperaturänderungen merkst.
Kipp nun das Wasser aus und fülle den Beutel erneut. Wiederhole den Versuch, nur mit einem anderen Winkel der Lampe. Dieses Mal wird der Beutel seitlich bestrahlt:
Warte genauso lange wie bei der ersten Durchführung und notiere Dir die Temperatur. Was fällt Dir dabei auf, wenn Du die Ergebnisse miteinander vergleichst?
Wird der Beutel mit Wasser direkt von oben bestrahlt, so steigt die Temperatur höher als bei seitlicher Bestrahlung. Dies liegt daran, dass bei direkter Bestrahlung von oben mehr Wärmestrahlen den Beutel erreichen – das Wasser erwärmt sich also schneller, wenn es von oben bestrahlt wird.
Dieses Experiment gibt wieder, wie die Erwärmung der Erde durch die Sonne funktioniert: Im Sommer steht die Sonne genau über Deutschland, ähnlich wie die Lampe im ersten Versuchsteil. Im Winter hingegen steht sie flacher am Horizont und beleuchtet uns von der Seite. Da im ersten Fall mehr Sonnenstrahlen die Erde treffen, erwärmen sich die Erdoberfläche und Atmosphäre stärker als im zweiten Fall und deswegen ist es im Sommer wärmer als im Winter.
Wärmestrahlung Erklärung
Wärmestrahlung kannst Du im Alltag also überall beobachten. Ohne sie wäre das Leben auf der Erde nicht möglich und es gäbe auch keine Jahreszeiten. Doch wie genau wird die Wärme von der Lampe auf den Beutel und von der Sonne auf die Erde übertragen?
Wärmestrahlung Definition
Zur richtigen Antwort führt eine weitere Frage: Was haben die Lampe und unsere Sonne gemeinsam?
Beide Objekte senden Licht – um genauer zu sein, elektromagnetische Wellen – aus. Das Leuchten, das Du dabei mit den Augen wahrnimmst, liegt im sichtbaren Spektralbereich. Allerdings ist das sichtbare Licht nicht die einzige Strahlung, die von der Lampe oder der Sonne ausgeht. Neben dem sichtbaren Licht strahlen beide nämlich auch Infrarotstrahlung ab.
Als Infrarotstrahlung – oder auch Wärmestrahlung – bezeichnest Du elektromagnetische Strahlung im infraroten Bereich. Dieser grenzt an die rote Wellenlänge des sichtbaren Bereichs:
Sichtbares Licht kannst Du mit dem Auge sehen: Du siehst blaue, gelbe oder rote Farben – je nachdem, welche Wellenlängen absorbiert werden. Infrarotstrahlung nimmst Du ebenfalls wahr – allerdings ist das entsprechende Sinnesorgan nicht das Auge, sondern die Haut. Mit dieser spürst Du Infrarotstrahlung als Wärme.
Bei der Wärmestrahlung wird Wärme also in Form von elektromagnetischer Strahlung übertragen. Weil elektromagnetische Strahlung kein Medium benötigt, um sich auszubreiten, benötigt auch die Wärmestrahlung kein Ausbreitungsmedium. Damit steht sie im starken Gegensatz zur Wärmeleitung – wo Wärme durch Schwingungen – und zur Wärmekonvektion – wo Wärme durch Teilchenbewegung übertragen wird.
Atmosphärische Wärmestrahlung
Dass Wärmestrahlung kein Ausbreitungsmedium benötigt, ermöglicht uns ein angenehmes Leben auf der Erde – denn ansonsten könnte sie das Vakuum des Weltraums nicht überqueren. Obwohl der größte Anteil der Strahlung, die die Erde von der Sonne aus erreicht, im sichtbaren Bereich liegt, macht Infrarotstrahlung ebenfalls einen großen Anteil aus:
Trifft sichtbares Licht auf die Erde, so nehmen wir es als Farben wahr. Wärmestrahlung hingegen wird von der Erdoberfläche und jedem Objekt auf der Erde aufgenommen, die dadurch erwärmt werden. Somit steigt die Gesamttemperatur der Erdoberfläche.
Durch diese Erwärmung kann die Erdoberfläche wiederum Wärme in Form von Strahlung abgeben. Diese wird dann teilweise von den Treibhausgasen wie CO2, CH4 oder Wasserdampf (H2O) aufgenommen und anschließend wieder abgegeben. Die zurückgeworfene Strahlung kann dann erneut von der Erdoberfläche aufgenommen werden und diese zusätzlich erwärmen. Diesen Prozess bezeichnest Du als Treibhauseffekt.
Unter dem Treibhauseffekt verstehst Du den Temperaturanstieg auf einer Planetenoberfläche (z.B. der Erde), der durch die Treibgase der Atmosphäre verursacht wird.
Auch wenn Du vielleicht viel Negatives über den Treibhauseffekt hörst, so spielt er eine sehr wichtige Rolle für das Leben auf der Erde. Kritisch betrachten solltest Du allerdings den zusätzlichen Beitrag durch menschliches Handeln.
Wärmestrahlung Beispiele
Nicht nur die Sonne, sondern auch Objekte auf der Erdoberfläche – so wie die Erdoberfläche selbst – geben also Wärme in Form von Strahlung ab. Dabei gilt:
Jedes Objekt mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts gibt Wärmestrahlung ab.
Mehr über den absoluten Nullpunkt erfährst Du bei Temperaturmessung.
Beispielspielweise kann sich das Licht einer Glühlampe warm anfühlen, weil sie nicht nur sichtbares Licht, sondern auch Infrarotstrahlung aussendet. Dasselbe gilt auch für eine Kerze oder ein Lagerfeuer: Die Flammen senden zwar überwiegend sichtbares Licht aus – dieses nimmst Du über Deine Augen wahr – zusätzlich wärmen sie aber auch ordentlich mit der abgegebenen Wärmestrahlung.
Wärmestrahlung berechnen
Neben dem sichtbaren Licht und Infrarotstrahlung werden allerdings auch noch andere Wellenlängen abgegeben. Diese kannst Du zu einem Emissionsspektrum zusammenfassen:
Je höher die Temperatur dabei ist, desto mehr verschiebt sich die abgegebene Strahlung zu kürzeren Wellenlängen. Dies wird im Wienschen Verschiebungsgesetz zusammengefasst.
Das Wiensche Verschiebungsgesetz besagt, dass sich das Emissionsmaximum eines Objekts mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen verschiebt.
Außerdem strahlt das Objekt umso stärker, je höher seine Temperatur ist.
Nach dem Stefan Boltzmann Gesetz ist die Strahlungsleistung \(P\) eines Objekts proportional zur vierten Potenz seiner Temperatur \(T\):
$$P=\sigma\cdot A \cdot T^4$$
Dabei ist \(A\) die strahlende Fläche und \(\sigma=5,67\cdot10^{-8}\;\frac{W}{m^2 \cdot K^4}\) die Boltzmann-Konstante.
Du interessierst Dich näher für dieses Strahlungsgesetz? Dann schau doch in der Erklärung zum Stefan Boltzmann Gesetz rein!
Wenn Du beispielsweise lange genug am Lagerfeuer sitzt und die Glut beobachtest, kannst Du sehen, dass sie zunächst orange, dann rötlich und anschließend braun wird, bis sie komplett erlischt. Dies kannst Du einerseits mit dem Wienschen Verschiebungsgesetz erklären: Wenn die Temperatur der Glut sinkt, dann verschiebt sich das Strahlungsmaximum zu größeren Wellenlängen – also aus dem sichtbaren in den Infrarotbereich.
Der übrige Teil der Erklärung wird durch das Stefan Boltzmann Gesetz geleistet:
Aufgabe:
Schätze mit dem Stefan Boltzmann Gesetz ab, wie die Strahlungsleistung \(P\) sich ändert, wenn Glut von \(T_1=630\;^\circ C\) auf \(T_2=400\;^\circ C\) abkühlt.
Rechne die Temperatureinheiten zunächst in Kelvin um. Dabei reicht eine rein qualitative Schätzung.
Lösung:
Du kannst die Temperaturen von Grad Celsius in Kelvin umrechen, indem Du zur Celsius-Angabe den Wert \(273,15\) hinzuaddierst:
$$\begin{align}T_1&=630\;^\circ C=(630+273,15)\;K=903,15\;K\\ \\ T_2&=400\;^\circ C=(400+273,15)\;K=673,15\;K \end{align}$$
Diese Werte kannst Du nun in das Stefan-Boltzmann-Gesetz einsetzen. Da nicht nach einem genauen Ergebnis, sondern nach einer Schätzung gefragt ist, benötigst Du auch keine Angabe über die Fläche \(A\) oder die Boltzmann-Konstante:
$$\begin{align}P_1&\sim T_1^4=(903,15\;K)^4=6,65\cdot 10^{11}\; K^4 \\ \\ P_2&\sim T_1^4=(673,15\;K)^4=2,05\cdot 10^{11}\; K^4 \end{align}$$
Die Strahlungsleistung bei \(T_1\) ist mehr als dreimal so hoch wie bei der Temperatur \(T_2\). Daraus kannst Du schließen, dass auch eine kleine Temperaturänderung eine hohe Leistungsänderung herbeiführt.
Beispielsweise resultiert eine Verdopplung der Temperatur im 16-fachen Anstieg der Leistung.
Obwohl die Glut also nicht mehr glüht, strahlt sie immer noch Wärmestrahlung ab. Diese wird sie auch so lange abstrahlen, bis sie vollständig abgekühlt ist. Das Abkühlen der Glut kannst Du auch auf die Sterne im Universum übertragen.
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, wie ein Stern das Ende seines Lebens antritt. Sterne, die bis zu 1,44 Sonnenmassen haben, werden beispielsweise zu weißen Zwergen. Als weißer Zwerg glühen sie dann aus, bis sie langsam erlöschen und unsichtbar werden.
Mehr dazu kannst Du in den Erklärungen zur Sternentwicklung und zu "Sterne" nachlesen.
Auch der Sonne droht dieses Schicksal: Genau wie die Glut am Lagerfeuer wird sie eines Tages erlöschen und aus dem sichtbaren Bereich verschwinden.
Wärmestrahlung - Das Wichtigste
- Als Wärmeübertragung bezeichnest Du den Energieaustausch, der wegen Temperaturdifferenzen auftritt. Dabei sind drei Formen möglich:
- Wärmeleitung
- Wärmekonvektion
- Wärmestrahlung
- Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung im infraroten Bereich.
- Wärmestrahlung benötigt kein Medium, um sich auszubreiten.
- Jedes Objekt mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts sendet Wärmestrahlung aus.
- Beispielsweise wird die Erde durch Wärmestrahlung von der Sonne gewärmt.
- Neben Wärmestrahlung wird auch andere Strahlung abgegeben. In welchem Bereich die maximale Strahlung abgegeben wird, hängt von der Temperatur ab und wird durch das Wiensche Verschiebungsgesetz bestimmt.
- Die abgegebene Strahlungsleistung ist proportional zur vierten Potenz der Temperatur (Stefan-Boltzmann-Gesetz).
Nachweise
- Peter Atkins, Julio de Paula (2014). Atkins' Physical Chemistry. Oxford University Press.
- esa.int: Der Tod eines Sterns. (19.09.2022)
- pagewizz.com: Der Tod von Sternen: Rote Riesen, Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher. (19.09.2022)
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