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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.
Auf dieser Seite lernst du, Wärmestrahlung von Wärmeleitung und Konvektion zu unterscheiden. Du untersuchst außerdem, was beim Auftreffen auf einen Körper geschieht, und begründest technische Anwendungen.
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. Ein Mensch strahlt also ebenso wie ein Feuer oder die Sonne.
Je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto stärker ist im Allgemeinen seine Strahlungsabgabe. Deshalb sendet ein Feuer mehr Strahlungsenergie aus als ein Mensch in seiner Nähe.
Zwischen zwei Körpern läuft der Strahlungsaustausch in beide Richtungen: Der wärmere Körper bestrahlt den kälteren, während der kältere zugleich den wärmeren bestrahlt. Weil der wärmere Körper stärker strahlt, fließt insgesamt mehr Energie vom wärmeren zum kälteren Körper.
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 strahlen, aber der wärmere gibt stärker ab. Deshalb verläuft der Nettoenergiefluss 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
Bei der Durchlässigkeit tritt ein Teil der Strahlung durch das Material hindurch. Wie groß dieser Anteil ist, hängt unter anderem vom Stoff und von der Schichtdicke ab.
Sonnenstrahlung trifft auf einen dunklen Beutel einer Campingdusche. Der Beutel absorbiert einen großen Anteil der Strahlung. Die aufgenommene Strahlungsenergie erhöht die thermische Energie des Beutels und des Wassers. Das Wasser wird 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 sie und stellt unterschiedliche Strahlungsstärken als sichtbares Bild dar.
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, raue Oberflächen häufig einen größeren Anteil als helle, glatte Oberflächen. Helle oder spiegelnde Flächen reflektieren häufig mehr. 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, glatte Oberfläche reflektiert einen großen Anteil der 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:
- Das Vakuum zwischen den Wänden enthält fast keine Teilchen. Dadurch werden Wärmeleitung und Konvektion stark vermindert.
- Spiegelnde Flächen reflektieren Wärmestrahlung zurück.
- Keine einzelne Maßnahme stoppt jeden Übertragungsweg; erst die Kombination begrenzt den Energieverlust wirksam.
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 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