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grundlagen:strahlungsgesetze

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grundlagen:strahlungsgesetze [2024/04/29 12:52] – [WIENsche Verschiebungsgesetz] wfeistgrundlagen:strahlungsgesetze [2024/12/18 17:53] (aktuell) – [Der Emissionsgrad] wfeist
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 =====Eigenschaften der Wärmestrahlung===== =====Eigenschaften der Wärmestrahlung=====
  
-Wärmestrahlung hat in vielerlei Gesichtspunkten die gleichen Eigenschaften wie Licht (ist ja klar: es handelt sich um elektromagnetische Strahlung, die nur im Vergleich zum sichtbaren Licht längere((wenn die Temperaturen der Quelle unter ca. 400°C liegen)) Wellenlängen aufweist):+Wärmestrahlung hat in vielerlei Gesichtspunkten die gleichen Eigenschaften wie Licht (es handelt sich um elektromagnetische Strahlung, die nur im Vergleich zum sichtbaren Licht längere((wenn die Temperaturen der Quelle in einem üblichen Bereich (unter ca. 400°C) liegen)) Wellenlängen aufweist):
   * Sie breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit c aus! (299 792 458 m/s)   * Sie breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit c aus! (299 792 458 m/s)
   * Sie breitet sich gradlinig aus!   * Sie breitet sich gradlinig aus!
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 Ein gutes Gefühl für die Eigenschaften der thermischen Strahlung in der Umgebung der Zimmertemperatur bekommt man durch die Betrachtung von Thermographie-Bildern. Damit „sieht“ man dann auch recht gut, welche Unterschiede zum sichtbaren Licht auffallen: Ein gutes Gefühl für die Eigenschaften der thermischen Strahlung in der Umgebung der Zimmertemperatur bekommt man durch die Betrachtung von Thermographie-Bildern. Damit „sieht“ man dann auch recht gut, welche Unterschiede zum sichtbaren Licht auffallen:
   * Die längere Wellenlänge (entsprechend niedrigerer Frequenz) wird bei der spektralen Zerlegung (Prisma oder Gitter) der Wärmestrahlung einer Glühlampe offensichtlich.   * Die längere Wellenlänge (entsprechend niedrigerer Frequenz) wird bei der spektralen Zerlegung (Prisma oder Gitter) der Wärmestrahlung einer Glühlampe offensichtlich.
-  * Im mittleren Infrarot (thermischen Strahlung in der Umgebung der Zimmertemperatur) sind die meisten Oberflächen „schwarz“ oder zumindest dunkelgrau – und nicht transparent! Z.B. absorbiert Glas mittleres und langwelliges IR nahezu vollständig. Dagegen ist eine PE-Tüte durchsichtig!   +  * Im mittleren Infrarot (thermischen Strahlung in der Umgebung der Zimmertemperatur) sind die meisten Oberflächen „schwarz“ oder zumindest dunkelgrau – und nicht transparent! Z.B. absorbiert Glas mittleres und langwelliges IR nahezu vollständig. Dagegen ist eine normale Plastiktüte((aus 'PE', Polyethylen)) durchsichtig!   
-  * Und ... im thermischen Spektralbereich ist es auf der Erde praktisch immer „hell“. \\  \\  +  * Und ... im thermischen Spektralbereich ist es auf der Erde praktisch immer „hell“((im Bereich der Raumtemperatur)). \\  \\  
  
 |{{ :grundlagen:ir_pe_tuete.png?300 |}}|{{ :grundlagen:ir_ir_pe_tuete.png?372 |}}| |{{ :grundlagen:ir_pe_tuete.png?300 |}}|{{ :grundlagen:ir_ir_pe_tuete.png?372 |}}|
-|Plastik-Tüte (PE): opak im normalen, \\ visuellen Licht. | Die gleiche Tüte: **Durchsichtig** \\ im thermischen Infrarot.| +|Plastik-Tüte (PE): undurchsichtig (Fachbegriff\\ 'opak') im normalen, visuellen Licht. | Die gleiche Tüte: **Durchsichtig**(transparent) \\ im thermischen Infrarot.| 
 |Fotos: Beide NASA / IPAC / Spitzer Space Telescop / “cool cosmos” ||  |Fotos: Beide NASA / IPAC / Spitzer Space Telescop / “cool cosmos” || 
 |{{ :grundlagen:regen_visuell.jpg?300 |}}|{{ :grundlagen:regen_infrarot.png?360 |}}| |{{ :grundlagen:regen_visuell.jpg?300 |}}|{{ :grundlagen:regen_infrarot.png?360 |}}|
 |Auch wenn es stockfinster ist\\ und nieselt (linkes Foto\\ im visuellen Spektrum,\\ beleuchtetes Fenster im\\ 1.OG mit Mühe erkennbar ),... |...liefert die Thermographie klare \\ Bilder (rechts). \\ \\ <sub>Aufnahmen PHI, Dr. Berthold Kaufmann</sub> |  |Auch wenn es stockfinster ist\\ und nieselt (linkes Foto\\ im visuellen Spektrum,\\ beleuchtetes Fenster im\\ 1.OG mit Mühe erkennbar ),... |...liefert die Thermographie klare \\ Bilder (rechts). \\ \\ <sub>Aufnahmen PHI, Dr. Berthold Kaufmann</sub> | 
 |{{ :grundlagen:ir_orion.jpg?725 |}}||  |{{ :grundlagen:ir_orion.jpg?725 |}}|| 
-|..und in der Astronomie wird im Infraroten auch der vergleichsweise kühle Staub sichtbar, \\  auch wenn er nicht direkt von Sternen angeleuchtet wird (Aufnahmen NASA/IRAS).||+|..und in der Astronomie wird im Infraroten auch der vergleichsweise kühle Staub sichtbar, \\  auch wenn er nicht direkt von Sternen angeleuchtet wird (Aufnahmen NASA/IRAS;\\  gezeigt ist das Sternbild Orion, das im Winter bei uns gut sichtbar ist).||
  
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 Die Kernaussage: die gesamte abgestrahlte Energie steigt mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur.(!)     \\   Die Kernaussage: die gesamte abgestrahlte Energie steigt mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur.(!)     \\  
  
-|Die Fläche unter der wellenlängenspezifischen\\ spektralen Ausstrahlung nimmt mit der vierten (!)\\ Potenz der Temperatur des Strahlers zu.\\ Hier für Temperaturen von:\\ \\   27 °C (gelb, 459 W/m²),\\  177 °C (grün, 2325 W/m²) und \\ 327 °C (rot, 7349 W/m²)\\ \\ dargestellt. Es wird klar, warum die\\ Arbeiter in einem Stahlwerk beim \\ Anstechen eines Hochofen einen Schutz vor der \\ Strahlungswärme brauchen. |{{ :grundlagen:st_boltz.png?480|}}| +|Die Fläche unter der wellenlängenspezifischen\\ spektralen Ausstrahlung nimmt mit der vierten (!)\\ Potenz der Temperatur des Strahlers zu.\\ Hier für Temperaturen von:\\ \\   27 °C (459 W/m² im Diagramm die gelbe Fläche),\\  177 °C (2325 W/m² im Diagramm die grüne Fläche) und \\ 327 °C (7349 W/m² im Diagramm die rote Fläche)\\ \\ dargestellt. Es wird klar, warum die\\ Arbeiter in einem Stahlwerk beim \\ Anstechen eines Hochofen einen Schutz vor der \\ Strahlungswärme brauchen. |{{ :grundlagen:st_boltz.png?480|}}| 
  
  
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 $\lambda_{max} \cdot{T} = \text{const}~~~~~~(= 2,897771955... \cdot 10^{-3}$ mK ≈ 2898 µmK )  $\lambda_{max} \cdot{T} = \text{const}~~~~~~(= 2,897771955... \cdot 10^{-3}$ mK ≈ 2898 µmK ) 
  
-Mit zunehmender Temperatur verlagert sich die Ausstrahlung zu immer höheren Frequenzen, also kürzeren Wellenlängen. Für das Maximum der Planckkurve gilt das oben dargestellte Wiensche Verschiebungsgesetz. Das war empirisch schon vor Plancks Formel bekannt, die jedoch gibt das Maximum völlig korrekt wieder. Beispiele: \\ \\   +Mit zunehmender Temperatur verlagert sich die Ausstrahlung zu immer höheren Frequenzen, also kürzeren Wellenlängen. Für das Maximum der Planckkurve gilt das oben dargestellte Wiensche Verschiebungsgesetz. Das war empirisch schon vor Plancks Formel bekannt, die jedoch gibt das Maximum völlig korrekt wieder. Beispiele: \\ \\  
-|Sonne: |  Oberflächentemperatur 5800 K| Maximum der Ausstrahlung bei 500 nm|  +^Beispiel ^  (Oberflächen-)\\ Temperatur^   Maximum der \\  Ausstrahlung bei^    
-|Heizstrahler: |  Oberflächentemperatur 800 K| flaches Maximum bei 3,6 µm|  +|Sonne: |   5800 K|  500 nm|  
-|Innenwand: |  Oberflächentemperatur 295 K| flaches Maximum bei 9,8 µm|  +|Heizstrahler: |   800 K|  3,6 µm|  
-|Tiefkühltruhe: |  Oberflächentemperatur 243 K| flaches Maximum bei 12 µm|  +|Innenwand in einem\\ Wohnhaus: |   295 K|  9,8 µm|  
-|flüssiger Stickstoff: |  Temperatur 77 K< flaches Maximum bei 38 µm| +|Tiefkühltruhe: |   243 K|   12 µm|  
-|James Webb Space Telescope MIDI-Instrument: |  Temperatur 6 K| flaches Maximum bei 493 µm| +|flüssiger Stickstoff: |   77 K|   38 µm| 
-|flüssiges Helium: |  Temperatur 4,15 K| Maximum bei 698 µm| +|James Webb Space Telescope\\ MIDI-Instrument: |    6 K|  493 µm| 
-|Tiefen des Weltalls: |  kosmischer Mikrowellen-Hintergrund 2,726 K| Maximum bei 1,063 mm| \\  \\ +|flüssiges Helium: |   4,15 K|  698 µm| 
 +|Tiefen des Weltalls,\\ kosmischer Mikrowellen-Hintergrund: |  2,726 K|  1,063 mm| \\  \\ 
  
  
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 ${\displaystyle \varepsilon(\lambda):=\frac{\dot{q}_\lambda} {\dot{q}_{Schwarzköper}} }$  ${\displaystyle \varepsilon(\lambda):=\frac{\dot{q}_\lambda} {\dot{q}_{Schwarzköper}} }$ 
  
-Der Wert von $\varepsilon(\lambda)$ ist immer kleiner (gleich) eins. Ein 'grauer Körper' ist eine grobe Näherung für einen nicht-schwarzen Körper. Er ist durch ein konstantes (von der Wellenlänge unabhängiges) Emissionsvermögen gekennzeichnet. Für einen grauen Körper gilt: $\varepsilon(\lambda)=\varepsilon $    <sub>(=constant)</sub>.      Oft haben wir die Situation, dass das Emissionsvermögen in einem bestimmten Wellenlängenbereich "hoch ist" (dort also guter Strahler oder Absorber) und in einem anderen besonders niedrig (dort also guter Reflektor). So eine Oberfläche nennen wir dann "selektiv". Das wird oft bewusst durch eine Beschichtung so eingestellt, wir sprechen dann von einer "selektiven Beschichtung" - und solche bilden ein hohes Potential für effiziente Energieanwendung, wie wir im Folgenden noch sehen werden.+Der Wert von $\varepsilon(\lambda)$ ist immer kleiner (gleich) eins. Ein 'grauer Körper' ist eine grobe Näherung für einen nicht-schwarzen Körper. Er ist durch ein konstantes (von der Wellenlänge unabhängiges) Emissionsvermögen gekennzeichnet. Für einen grauen Körper gilt: $\varepsilon(\lambda)=\varepsilon $  <sub>(=constant)</sub>.      Oft haben wir die Situation, dass das Emissionsvermögen in einem bestimmten Wellenlängenbereich "hoch ist" (dort also guter Strahler oder Absorber) und in einem anderen besonders niedrig (dort also guter Reflektor). So eine Oberfläche nennen wir dann "selektiv". Das wird oft bewusst durch eine Beschichtung so eingestellt, wir sprechen dann von einer "selektiven Beschichtung" - und solche bilden ein hohes Potential für effiziente Energieanwendung, wie wir im Folgenden noch sehen werden.
    
 |//Einige Beispiele für (näherungsweise ideale)\\ Strahler mit Temperaturen in °C sowie \\ in Kelvin (K); mit den jeweils zugehörigen\\ Strahlungswärmestromdichten in W/m² und den Wellenlängen\\ der jeweiligen Maxima der Strahlung. \\ In unserer gewohnten Umgebung\\ liegen die Leistungen zwischen um 250 und 1000 W/m².\\ Schon ein rotglühendes Metall (525 °C)\\ strahlt mit um 23 kW/m² ziemlich stark ab.\\ Warum es schmerzt, nahe neben einem\\ geöffneten Töpferofen zustehen (202 kW/m²)\\ wird auch deutlich.\\ Die Nähe der Sonnenoberfläche (63 MW/m²) sollte\\ gemieden werden.\\ Die Abstrahlungsleistung der Haut\\ erscheint auf den ersten Blick sehr hoch -\\ jedoch, es kommt ja eine ähnlich hohe\\ Strahlungsleistung "zurück",\\ relevant für das Empfinden ist die\\ Differenz von Ab- und Zustrahlung (5.Spalte).   // | {{ :grundlagen:5_waermestrahlung_2018.png?480 |}}| |//Einige Beispiele für (näherungsweise ideale)\\ Strahler mit Temperaturen in °C sowie \\ in Kelvin (K); mit den jeweils zugehörigen\\ Strahlungswärmestromdichten in W/m² und den Wellenlängen\\ der jeweiligen Maxima der Strahlung. \\ In unserer gewohnten Umgebung\\ liegen die Leistungen zwischen um 250 und 1000 W/m².\\ Schon ein rotglühendes Metall (525 °C)\\ strahlt mit um 23 kW/m² ziemlich stark ab.\\ Warum es schmerzt, nahe neben einem\\ geöffneten Töpferofen zustehen (202 kW/m²)\\ wird auch deutlich.\\ Die Nähe der Sonnenoberfläche (63 MW/m²) sollte\\ gemieden werden.\\ Die Abstrahlungsleistung der Haut\\ erscheint auf den ersten Blick sehr hoch -\\ jedoch, es kommt ja eine ähnlich hohe\\ Strahlungsleistung "zurück",\\ relevant für das Empfinden ist die\\ Differenz von Ab- und Zustrahlung (5.Spalte).   // | {{ :grundlagen:5_waermestrahlung_2018.png?480 |}}|
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