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Wärmestrahlung

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Wärmestrahlung

In diesem Artikel erfährst du mehr über die Wärmestrahlung. Wir erklären dir, was Wärmestrahlung ist, wie diese entsteht und auch die Intensität dieser. Dieser Artikel hilft dir dabei, sowohl theoretisches als auch praktisches Wissen in diesem Gebiet zu erlangen.

Dieser Artikel gehört zum Fach Physik und erweitert das Themengebiet Wärmelehre.

Überblick zur Wärmestrahlung

Die Wärmestrahlung ist eine der drei Arten der Wärmeübertragung. Wärme wird entweder durch Wärmekonvektion, Wärmeleitung oder aber durch die Wärmestrahlung übertragen, wobei unterschiedliche Arten auch parallel vorkommen können. In diesem Artikel gehen wir aber genauer auf die Wärmestrahlung ein. Falls du auch etwas über die anderen Arten lernen möchtest, findest du diese ebenfalls hier auf der Plattform.

Wärmestrahlung gibt die Art der Wärmeübertragung an, bei der die Wärme mithilfe von Strahlung übertragen wird. Für diese Art der Wärmeübertragung ist keine Materie erforderlich und sie funktioniert als einzige von den drei möglichen Arten auch im Vakuum.

Jetzt weißt du schon einmal, wie genau die Wärmestrahlung definiert ist und was sie von den anderen Arten unterscheidet. In den nachfolgenden Abschnitten lernst du nun kennen, wie genau diese Wärmestrahlung entsteht, wer sie als erstes entdeckt hat und von welchen Faktoren sie abhängt. Bist du bereit?

Geschichte der Wärmestrahlung

Erst im Jahr 1800 hat Friedrich Wilhelm Herschel entdeckt, dass es neben dem sichtbaren Licht auch einen nicht-sichtbaren Teil bei elektromagnetischen Wellen gibt. Hierfür hat er mithilfe eines Prismas die Strahlung in seine einzelnen Farben zerlegt und diese jeweils auf ein Thermometer gerichtet, um die Temperatur zu messen.

Bis hierhin ist noch alles normal, zumindest im Leben eines Physikers, doch dann passierte das Erstaunliche. Herschel hat aus Versehen ein Thermometer etwa 2 cm weiter rechts vom roten Lichtbereich in seinem Experiment abgelegt und bemerkte, dass sich dieses ebenso erwärmte. Und das, obwohl kein sichtbares Licht auf das Thermometer gerichtet war! Hieraus folgerte Herschel, dass auch ein unsichtbarer Anteil der Strahlung zu einer Temperaturerhöhung führen kann. Siehe da, die Wärmestrahlung wurde nun entdeckt und taucht deshalb jetzt in deinem Stundenplan auf.

Rotes Licht ist die größte Wellenlänge, welche für den Menschen noch als sichtbares Licht erscheint.

Wie entsteht Wärmestrahlung

Um den Entstehungsprozess von Wärmestrahlung zu verstehen, musst du dir erstmal klar machen, was du unter Wärmestrahlung grundlegend verstehen kannst!

Wärmestrahlung entsteht, indem ein Körper - dabei spielt es keine Rolle was für ein Körper dies ist - Strahlung aussendet. Die Stärke und Menge der ausgestrahlten Wärmestrahlung hängt einzig und allein von der Temperatur des Körpers ab.

Je heißer der Körper ist, desto energiereicher ist auch die ausgesandte Strahlung. Wie entsteht jedoch diese Strahlung überhaupt?

Jeder Körper besteht aus Atomen welche in Bewegung sind, je nach Temperatur bewegen sich diese unterschiedlich schnell. Bei höheren Temperaturen bewegen sich die Atome und die darin enthaltenen Elektronen umso mehr und erzeugen dadurch elektromagnetische Felder und auch damit verbunden elektromagnetische Strahlung.

Du siehst also, je höher die Temperatur im Körper ist, desto schneller werden die Elektronen beschleunigt und damit wird auch die ausgesandte elektromagnetische Strahlung umso energiereicher. Du solltest jedoch wissen, dass Wärmestrahlung mithilfe von jeder Wellenlänge übertragen werden kann. Die letztendliche Wellenlänge, mit der sie übertragen wird, hängt nur von der Temperatur ab.

Du kannst am Beispiel der Sonnenstrahlung sehen, dass aufgrund der hohen Temperatur die Wärmestrahlung in eine kurzwelligere Wellenlänge rutscht. Diese Wellenlänge geht daher beim Beispiel der Sonne vom ultraviolettem Bereich in den Infrarotbereich!

Wärmestrahlung Goldschmied Eisen welches geformt wird. StudySmarter

Die Wellenlänge, der übertragenen Wärmestrahlung, hängt von der Temperatur ab. Diesen Umstand kannst du am besten bei einem Schmied sehen, der Eisen erhitzt um es zu formen. Die Wärmestrahlung geht in diesem Fall über in den sichtbaren Wellenlängenbereich und erscheint als dunkelrote Färbung des Eisens. Wenn man das Eisenstück nun weiter erhitzt, wird es Hellrot und dann letztendlich Gelb. Du kannst hierbei also sehr gut sehen, dass die Wellenlänge, mit der die Wärmestrahlung übertragen wird, mit höherer Temperatur immer niedriger wurde.

Wie erwärmt sich nun der andere Körper?

Um diese Frage zu beantworten, schauen wir uns doch einfach mal die untenstehende Abbildung 1 an!

Abbildung 1: Absorbierte, reflektierte und durchgehende Strahlung

Jede Strahlung, welche auf einen Körper trifft, wird entweder reflektiert, absorbiert oder geht hindurch. Ankommende Wärmestrahlung, welche reflektiert wird, trifft auf dem Körper auf und wird direkt zurückgeschickt. Ein Teil der ankommenden Wärmestrahlung geht möglicherweise komplett durch den Körper hindurch und verlässt den Körper auf der anderen Seite.

Lediglich die Wärmestrahlung, welche vom Körper absorbiert wird, ist für die Erwärmung des Körpers von Relevanz. Je nach unterschiedlicher Beschaffenheit lassen Körper unterschiedlich viel Strahlung durch bzw. absorbieren oder reflektieren diese. Im nachfolgenden betrachten wir die Aspekte und Besonderheiten, welche für die Absorption des Körpers eine Rolle spielen. Das wären

  • Schichtdicke des Körpers
  • Oberflächenbeschaffenheit des Körpers
  • Stoff, aus welchen der Körper besteht

Prüfen wir einmal verschiedene Alltagssituation und untersuchen, welche Eigenschaften hier vorliegen!

Wärmestrahlung Solarpanel in schwarz weißer Farbe StudySmarter

Du kennst bestimmt Sonnenkollektoren, auch Solarpanels genannt, die auf den Dächern sitzen und Wärmeenergie produzieren sollen. Diese haben eine dunkle und raue Oberfläche, welche den Großteil der Wärmestrahlung wenig reflektiert und viel absorbiert.

Wärmestrahlung Kühllaster in schwarz weißer Farbe StudySmarter

Kennst du die Kühlwagen, welche Produkte an Supermärkte transportieren? Diese sind meistens weiß. Der Grund hierfür ist, dass helle und glatte Oberfläche sehr viel Wärme reflektieren und nur einen wenigen Teil der Wärme absorbieren und somit warm werden. Dadurch kann Kühlleistung im Auto gespart werden, also muss insgesamt weniger gekühlt werden um eine bestimmte Temperatur zu erreichen.

Ist dir schon einmal im Sommer aufgefallen, dass dir in dunklen Kleidern wärmer ist als in hellen Kleidern? Die Wärmestrahlung hat hierbei ihre Finger im Spiel. Während dunkle Kleider viel mehr Wärmestrahlen absorbieren, ist das bei heller Kleidung genau umgekehrt. Helle Kleidung hingegen reflektiert den Großteil der Strahlung und absorbiert im Vergleich nur wenig.

Wärmestrahlung Wärmebildkamera mit 3 verschiedenen Farben StudySmarter

Während der Pandemie hast du bestimmt schon gesehen, dass in gewissen Einrichtungen wie z. B. Flughäfen die Körpertemperatur von vielen Menschen gleichzeitig, kontaktlos gemessen und auf einem Bildschirm mit komischen Farben dargestellt wird. Bei diesem Verfahren kommen Wärmebildkameras zum Einsatz, welche mit der Wärmestrahlung arbeiten und je nach ausgesandter Infrarotwellenlänge die Temperatur mithilfe von verschiedenen Farben anzeigen.

Mit dieser Methode kann die Temperatur von vielen Menschen schnell und kontaktlos gemessen werden. Außerdem kann man Wärmebildkameras auch auf Baustellen beobachten, um bei der sogenannten Wärmethermografie Gebäudeschäden und Mängel zu untersuchen!

Die Sonne als Erzeuger von Wärmestrahlung

Du hast nun gelernt, was Wärmestrahlung ist, wie sie entsteht und auch wie die Wärme damit übertragen wird. Kommen wir aber nun zu einem der größten Erzeuger von dieser Strahlung, der Sonne.

Welche Arten von Strahlung produziert die Sonne?

Die Sonne produziert Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge. Je nach Größe der Wellenlänge kannst du zwischen UV-Strahlung, sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung aber auch anderen Strahlen unterscheiden. Die Strahlung, welche wir zu sehen bekommen, ist das sichtbare Licht mit einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis zu 700 nm. Alles was über oder unter diesem Wellenlängenbereich liegt, sehen wir nicht mehr.

Doch nur weil wir diese Strahlung nicht sehen, heißt das nicht, dass sie uns nicht beeinflusst. UV-Strahlen zum Beispiel sind der Grund weshalb du überhaupt Sonnencreme benutzen musst, wenn du dich sonnen willst, ohne einen Sonnenbrand zu erhalten.

Die Auswirkungen von Wärmestrahlen hast du ja schon Oben anhand von zwei Beispielen besser kennengelernt. Die Sonne hat mit T = 5778 K eine enorm hohe Temperatur und dementsprechend weist die Wärmestrahlung in der Sonnenstrahlung auch kürzere Wellenlängen auf. Schauen wir uns die Strahlungsverteilung der Sonne in Abbildung 2 doch etwas genauer an!

Abbildung 2: Einteilung der einzelnen Strahlungsarten im Sonnenlicht

Du siehst in dem obigen Bild eine Verteilung der einzelnen Strahlenarten in der gesamten Sonnenstrahlung. Der Großteil der Strahlung umfasst hierbei die beiden Arten sichtbares Licht und Wärmestrahlung bzw. Infrarotstrahlung.

Der Anteil des sichtbaren Lichtes in der Gesamtstrahlung beträgt hierbei 48 %, während die Wärmestrahlung insgesamt 38 % ausmacht. Die restlichen 14 % teilen sich zu jeweils 7 % in die UV-Strahlung und zu 7 % in die restlichen Strahlungsarten auf.

Für das Auge ist nur das sichtbare Licht erkennbar, also siehst du eigentlich nur weniger als die Hälfte der gesamten Sonnenstrahlung. Der Rest der Strahlen ist für dich unsichtbar und doch beeinflusst es dich in deinem Leben sehr!

Wärmestrahlung - Das Wichtigste auf einen Blick

  • Wärmeübertragung mithilfe von unsichtbaren Strahlen
  • Funktioniert auch im Vakuum, also im Weltall
  • Elektronen bewegen sich durch eine erhöhte Temperatur im Körper schneller und geben dadurch elektromagnetische Strahlung ab
  • Wärmestrahlung wird entweder reflektiert, absorbiert oder geht durch
  • Sonne ist der Hauptproduzent von Wärmestrahlung
  • Nur 48 % der Sonnenstrahlung ist sichtbares Licht, der Rest ist mit 38 % Wärmestrahlung, mit 7 % UV-Strahlung und 7 % sind sonstige Strahlung

Häufig gestellte Fragen zum Thema Wärmestrahlung

Infrarotstrahlung kann bei zu hohen Temperaturen schädlich wirken! Einerseits kann es Netzhautschäden auf dem Auge, Hautrötungen oder auch den berühmten Sonnenstich bewirken. Direkte Bestrahlung durch Geräte auf Haut und Augen sollten vermieden werden und bei kosmetischen Eingriffen nur von echten Profis geschehen!

Die Temperatur im Körper führt dazu, dass sich die Atome bzw. damit verbunden auch die Elektronen in den Atomen schneller bewegen. Je schneller sich diese Elektronen bewegen, desto mehr elektromagnetische Strahlung wird von diesen abgegeben. Die elektromagnetische Strahlung letztendlich ist dies was als Wärmestrahlung bekannt ist.

Wärmestrahlung gibt es überall. Jeder Körper strahlt Wärmestrahlung aus, diese hängt einzig und allein von seiner Temperatur ab. Je höher die Temperatur im Körper, desto höher ist auch die ausgestrahlte Wärmestrahlung. Der Hauptproduzent von Wärmestrahlung ist hierbei die Sonne.

Bei der Wärmeübertragung wird zwischen 3 möglichen Arten unterschieden. Diese 3 verschiedenen Arten sind unten aufgelistet, nur die Wärmestrahlung ist die einzige Art welche auch im Vakuum, also im Weltall, funktioniert.

  • Wärmeströmung
  • Wärmeleitung
  • Wärmestrahlung
60%

der Nutzer schaffen das Wärmestrahlung Quiz nicht! Kannst du es schaffen?

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