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Wärmestrahlung: Erklärung, Beispiele und Übungen
Wärmestrahlung überträgt Energie durch elektromagnetische Wellen. Sie benötigt keinen Stoff und kann deshalb sogar das Vakuum zwischen Sonne und Erde durchqueren.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wie erreicht Sonnenenergie die Erde?
Zwischen Sonne und Erde liegt fast leerer Weltraum. Trotzdem erreicht uns Energie von der Sonne. Das gelingt durch Wärmestrahlung, denn elektromagnetische Wellen können sich auch ohne Teilchen ausbreiten.
Zum Vergleich:
- Wärmeleitung überträgt Energie durch Wechselwirkungen benachbarter Teilchen. Sie benötigt Materie.
- Konvektion oder Wärmeströmung transportiert Energie mit einer strömenden Flüssigkeit oder einem strömenden Gas.
- Wärmestrahlung transportiert Energie durch elektromagnetische Wellen und benötigt keine Materie.
Wärmestrahlung
Wärmestrahlung, auch Temperaturstrahlung genannt, ist elektromagnetische Strahlung, die ein Körper aufgrund seiner Temperatur aussendet. Trifft sie auf einen anderen Körper und wird dort aufgenommen, kann dessen Temperatur steigen.
Ein Lagerfeuer zeigt den Unterschied: Die erwärmte Luft steigt hauptsächlich nach oben. Spürst du seitlich neben dem Feuer Wärme, ist dafür vor allem die Strahlung des Feuers verantwortlich.
Warum strahlen auch kältere Körper?
Jeder Körper oberhalb des absoluten Temperaturnullpunkts sendet Temperaturstrahlung aus. Dieser Nullpunkt ist die untere Grenze der Temperaturskala. Das Aussenden heißt Emission. Ein Mensch strahlt also ebenso wie ein Feuer oder die Sonne.
Bei gleicher Größe und gleichbleibenden Strahlungseigenschaften der Oberfläche gilt: Je höher die Temperatur, desto mehr Strahlungsenergie gibt ein Körper in derselben Zeit ab. Unterschiedlich große oder verschieden beschichtete Körper kannst du daher nicht allein anhand ihrer gesamten Strahlungsabgabe nach Temperatur ordnen.
Zwischen zwei Körpern läuft der Strahlungsaustausch in beide Richtungen: Der wärmere Körper bestrahlt den kälteren, während der kältere zugleich den wärmeren bestrahlt. Für die Bilanz zählt, wie viel Energie der jeweils andere Körper davon aufnimmt. Bei diesem gegenseitigen Austausch wird netto Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen.
Nettoenergiefluss
Der Nettoenergiefluss ist die Bilanz der Energieübertragung in beide Richtungen. Bei unterschiedlich warmen Körpern zeigt er vom wärmeren zum kälteren Körper.
Nicht nur der warme Körper strahlt. Beide Körper senden Strahlung aus und nehmen Strahlung auf. Der Nettoenergiefluss zwischen ihnen zeigt zum kälteren Körper.
Was geschieht beim Auftreffen der Strahlung?
Trifft Strahlung auf einen Körper, sind drei Vorgänge möglich. Meist treten sie gleichzeitig mit unterschiedlichen Anteilen auf.
Absorption
Bei der Absorption nimmt ein Körper Strahlungsenergie auf. Die aufgenommene Energie erhöht seine thermische Energie; dadurch kann seine Temperatur steigen.
Reflexion
Bei der Reflexion wird Strahlung zurückgeworfen. Dieser Anteil wird nicht vom Körper aufgenommen.
Durchlässigkeit
Das Hindurchtreten von Strahlung durch ein Material heißt Transmission. Die Durchlässigkeit beschreibt, welcher Anteil hindurchtritt. Sie hängt vom Stoff, der Schichtdicke und der Wellenlänge der Strahlung ab. Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen.
Sonnenstrahlung trifft auf einen dunklen Beutel einer Campingdusche. Der Beutel absorbiert einen großen Anteil der Strahlung. Der Beutel gibt Energie durch Wärmeleitung an das Wasser weiter. Nimmt das Wasser insgesamt mehr Energie auf, als es abgibt, wird es wärmer.
Ist Wärmestrahlung immer Infrarotstrahlung?
Bei Körpern mit typischen Alltagstemperaturen liegt der größte Teil der ausgesandten Wärmestrahlung im Infrarotbereich. Diese Strahlung ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Eine Wärmebildkamera erfasst infrarote Strahlung und stellt unterschiedliche Strahlungsstärken als sichtbares Bild dar. Für zuverlässige Temperaturwerte muss sie auch die Strahlungseigenschaften der Oberfläche und reflektierte Umgebungsstrahlung berücksichtigen.
Wärmestrahlung und Infrarotstrahlung bedeuten jedoch nicht genau dasselbe. Temperaturstrahlung kann je nach Temperatur auch andere Wellenlängen enthalten. Sehr heiße Körper senden beispielsweise einen sichtbaren Anteil aus und können glühen.
Ob du einen Körper glühen siehst, ist kein zuverlässiger Sicherheitstest. Auch ein nicht sichtbar glühender Körper kann so heiß sein, dass du dich verbrennst.
Wie werden Oberflächen gezielt genutzt?
Bei einfallender Sonnenstrahlung absorbieren dunkle Oberflächen häufig einen größeren Anteil als helle. Helle oder spiegelnde Flächen reflektieren häufig mehr. Entscheidend sind die Strahlungseigenschaften des Materials; eine glatte Fläche ist nicht automatisch gut reflektierend. Technische Anwendungen nutzen diesen Unterschied gezielt.
- Eine Campingdusche oder ein Sonnenkollektor soll viel Sonnenstrahlung aufnehmen. Eine dunkle Oberfläche unterstützt die gewünschte Erwärmung.
- Ein Tankwagen soll sich in der Sonne möglichst wenig erwärmen. Eine helle, gut reflektierende Beschichtung begrenzt die Aufnahme von Sonnenstrahlung.
- Bei einer Thermoskanne reflektieren spiegelnde Schichten Wärmestrahlung. Das Vakuum in der Wand vermindert dagegen vor allem Wärmeleitung und Konvektion.
- Eine Wärmebildkamera nutzt die ausgesandte infrarote Strahlung zur berührungslosen Untersuchung von Temperaturunterschieden.
Die sichtbare Farbe allein erlaubt keine allgemeine Aussage über jede Art von Wärmestrahlung. Die Dunkel-Hell-Regel eignet sich besonders für die Aufnahme von Sonnenstrahlung. Für die weit infrarote Eigenstrahlung mäßig warmer Körper kann die sichtbare Farbe nahezu ohne Einfluss sein.
Eine Thermoskanne kombiniert mehrere Maßnahmen, damit ein warmes Getränk langsamer abkühlt:
- Das Vakuum zwischen den Wänden enthält fast keine Teilchen. Dadurch werden Wärmeleitung und Konvektion stark vermindert.
- Die dem Zwischenraum zugewandten spiegelnden Flächen reflektieren Wärmestrahlung und senden selbst nur wenig davon aus.
- Ein isolierender Verschluss begrenzt den Energieverlust an der Öffnung. Vollständig verhindern lässt sich der Austausch mit der Umgebung nicht.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Wärmestrahlung
- breitet sich ohne stoffliches Medium aus
- wird von Körpern ausgesendet
- nimmt bei gleichen Oberflächeneigenschaften und gleicher Größe mit der Temperatur an Stärke zu
- führt netto vom wärmeren zum kälteren Körper
- kann absorbiert werden und einen Körper erwärmen
- kann reflektiert oder durchgelassen werden
- wird bei Thermoskanne, Sonnenkollektor und Wärmebildkamera genutzt