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--- grundlagen:waermestrahlung [2022/07/11 16:56] – [Strahlungsgrößen] wfeist
+++ grundlagen:waermestrahlung [2023/09/08 18:07] (aktuell) – [Strahlungsgrößen] wfeist
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 ======Wärmestrahlung======
-{{ :grundlagen:ir_person.png?200|}}Jeder Gegenstand gibt Wärmestrahlung ab - gut erkennbar in der Wärmebildaufnahme (das Gesicht und die Hand, beide warm, strahlen am meisten Wärme ab). Bei der Wärmestrahlung handelt sich um elektromagnetische Wellen: Wie wir schon dargestellt haben, ist thermische Energie ist vor allem ungeordnete Bewegungsenergie der Moleküle; diese tragen Ladungen. Und bewegte Ladungen sind eine Quelle von elektromagnetischen Wellen. Deren Spektrum erstreckt sich von ganz tiefen Frequenzen ("Langwelle") über Radio, Fernseh- und Mobilfunkbänder sowie Mikrowellen, Infrarot, dem sichtbaren Licht bis zu Ultraviolett, Röntgenstrahlung und der "harten" $\gamma$-Strahlung (vgl. Grafik; nm = nanometer = 10<sup>-9</sup> m = 0,000 001 mm; diese Abmessung liegt in der Größenordnung eines Atomdurchmessers).
+{{ :grundlagen:ir_person.png?200|}}Jeder Gegenstand gibt Wärmestrahlung ab - gut erkennbar in der Wärmebildaufnahme (das Gesicht und die Hand, beide warm, strahlen am meisten Wärme ab). Bei der Wärmestrahlung handelt sich um elektromagnetische Wellen: Wie wir schon dargestellt haben, ist thermische Energie vor allem ungeordnete Bewegungsenergie der Moleküle; diese tragen Ladungen. Und bewegte Ladungen sind eine Quelle von elektromagnetischen Wellen. Deren Spektrum erstreckt sich von ganz tiefen Frequenzen ("Langwelle") über Radio, Fernseh- und Mobilfunkbänder sowie Mikrowellen, Infrarot, dem sichtbaren Licht bis zu Ultraviolett, Röntgenstrahlung und der "harten" $\gamma$-Strahlung (vgl. Grafik; nm = nanometer = 10<sup>-9</sup> m = 0,000 001 mm; diese Abmessung liegt in der Größenordnung eines Atomdurchmessers).
 {{ :grundlagen:em_spektrum.png |}}
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 =====Strahlungsgrößen=====
 ...die das Verhalten des strahlenden Körpers beschreiben:
-Strahlungsleistung $\dot{Q}$ eines Körpers: Gesamte abgestrahlte Energie pro Sekunde in der Einheit: Watt W.
+Da ist zunächst die gesamte Strahlungsleistung $\dot{Q}$ eines Körpers: Das ist die abgestrahlte Energie pro Sekunde in der Einheit: Watt W.
-Spezifische Ausstrahlung $\dot{q}$: Strahlungsleistung pro Flächeneinheit der abstrahlenden Oberfläche. Der Beitrag eines Flächenelementes d$A$ zur Gesamtstrahlung ist gegeben durch   d$\dot{Q}$ = $\dot{q}$ d$A,$   die Maßeinheit ist [$\dot{q}$] = W/m².
+Die spezifische Ausstrahlung $\dot{q}$ ist Strahlungsleistung pro Flächeneinheit der abstrahlenden Oberfläche. Der Beitrag eines Flächenelementes d$A$ zur Gesamtstrahlung ist gegeben durch   d$\dot{Q}$ = $\dot{q}$ d$A,$   die Maßeinheit ist [$\dot{q}$] = W/m².
-Die Strahlungsenergie kann sich auf einen ganzen Bereich von Wellenlängen verteilen. Die auf eine Wellenlänge konzentrierte  Strahlung wird beschrieben durch die Spektrale spezifische Ausstrahlung $\dot{q}_f$ . Diese Größe gibt an, wieviel Energie pro Flächeneinheit im Wellenlängenintervall zwischen $f$ und $f$ + d$f$ ausgestrahlt wird. Die spezifische Ausstrahlung ergibt sich als Summe (Integral) der spektralen spezifischen Ausstrahlung über alle Wellenlängen.
+Die Strahlungsenergie kann sich auf einen ganzen Bereich von Wellenlängen verteilen. Die auf eine Wellenlänge konzentrierte  Strahlung wird beschrieben durch die Spektrale spezifische Ausstrahlung $\dot{q}_f$ . Diese Größe gibt an, wieviel Energie pro Flächeneinheit im Frequenzintervall zwischen $f$ und $f$ + d$f$ ausgestrahlt wird. Die spezifische Ausstrahlung ergibt sich als Summe (Integral) der spektralen spezifischen Ausstrahlung über alle Frequenzen.
-Das Verhalten einer Oberfläche bzgl. Strahlung wird durch die Größen Reflexionsgrad, Absorptionsgrad und Transmissionsgrad sowie Emissionsgrad beschrieben. Bezeichnet man die Strahlungsenergie pro Zeit und Flächeneinheit mit $\dot{q}$ so kann man folgende Größen definieren:
+Das Verhalten einer Oberfläche bzgl. Strahlung wird durch die Größen Reflexionsgrad (zurückgeworfene Strahlung), Absorptionsgrad (vom Körper aufgenommene Energie) und Transmissionsgrad (durchgelassene Strahlung, z.B. durch eine Fensterscheibe) sowie Emissionsgrad (von der Oberfläche selbst erzeugte Strahlung: 'Selbststrahler') beschrieben. Bezeichnet man die Strahlungsenergie pro Zeit und Flächeneinheit mit $\dot{q}$ so kann man folgende Größen definieren:
 ===Reflexionsgrad:===
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   * Und natürlich wird auch thermische Strahlung an den Oberflächen der uns umgebenden Körper reflektiert: In aller Regel diffus, weil die Oberflächen rau sind, das ist wieder ganz ähnlich wie für das Licht im visuellen Spektralbereich; Glasscheiben sind "glatt wie poliert" und daher können auf diesen regelmäßig auch Reflexionen von anderen thermisch strahlenden Körpern gesehen werden. Einen Unterschied zur Umgebung im sichtbaren Licht gibt es hier aber dennoch noch: Die Reflexionsgrade der Oberflächen für das mittlere und ferne IR sind in aller Regel sehr gering((und entsprechend hoch sind die Absorptionsgrade)), in einem Bereich von 2% bis 15%, die einzige Ausnahme bilden hier metallische Oberflächen, die wie gewohnt auch für die thermische Strahlung als Spiegel wirken. Während also auf den ersten Blick im Infraroten (weitgehend) alles doch so ähnlich wie im visuellen auszusehen scheint, ergeben sich bei genauer Betrachtung doch bedeutende Unterschiede.
-{{ :grundlagen:grubenorgane.jpg?200|}}Kleine Infrarot-Kameras sind heute, insbesondere als USB-Aufsteckgeräte, zu erschwinglichen Preisen erhältlich. Die haben heute noch in der Regel eine nur geringe räumliche Auflösung. Dennoch lässt sich damit unsere Umwelt in einem ganz anderen Spektralbereich erfahren. Vieles lässt sich mit diesen Kameras unmittelbar veranschaulichen. Das hat neben eine ganzen Reihe von technischen und für verschiedenste Zwecke nützlichen Anwendungen auch einen hohen pädagogischen Wert: Zeigt es uns doch, dass es neben der uns geläufigen Welt mit der Wahrnehmung durch die uns gegebenen Sinne noch gänzlich andere Wahrnehmungs-"Kanäle" gibt, auf welchen weitere Eigenarten unserer Welt erkennbar sind, die uns sonst entgehen. Interessant ist, dass einige Tiere die Wärmesensoren zu sensibleren Sinnesorganen weiterentwickelt haben (Grubenorgane von Schlangen, siehe Abb. rechts, für diese nachtaktiven Jäger erfüllt das ja einen Zweck. auch interessant ist, das bisher keine Art bekannt ist, die diese Wahrnehmung mit höherer Auflösung ähnlich einem Auge verwendet).
+{{ :grundlagen:grubenorgane.jpg?200|}}Kleine Infrarot-Kameras sind heute, insbesondere als USB-Aufsteckgeräte, zu erschwinglichen Preisen erhältlich. Die haben heute noch in der Regel eine nur geringe räumliche Auflösung. Dennoch lässt sich damit unsere Umwelt in einem ganz anderen Spektralbereich erfahren. Vieles lässt sich mit diesen Kameras unmittelbar veranschaulichen. Das hat neben einer ganzen Reihe von technischen und für verschiedenste Zwecke nützlichen Anwendungen auch einen hohen pädagogischen Wert: Zeigt es uns doch, dass es neben der uns geläufigen Welt mit der Wahrnehmung durch die uns gegebenen Sinne noch gänzlich andere Wahrnehmungs-"Kanäle" gibt, auf welchen weitere Eigenarten unserer Welt erkennbar sind, die uns sonst entgehen. Interessant ist, dass einige Tiere die Wärmesensoren zu sensibleren Sinnesorganen weiterentwickelt haben (Grubenorgane von Schlangen, siehe Abb. rechts, für diese nachtaktiven Jäger erfüllt das ja einen Zweck. auch interessant ist, das bisher keine Art bekannt ist, die diese Wahrnehmung mit höherer Auflösung ähnlich einem Auge verwendet).
 In der Passipedia gibt es eine Reihe von Dokumenten, in denen Infrarot-Abbildungen von Gebäuden und Anlagen (von außen und von innen) gezeigt werden; aus diesen lässt sich eine Menge über die Mechanismen der des Wärmetransports und die mehr oder weniger guten Lösungen des Bauwesens lernen (hier als Beispiel der Link zur thermographischen Überprüfung einer Innendämmung: [[baulich:innendaemmung_seit_36_jahren_erfolgreich|Innendämmung ist besser als ihr Ruf]]).\\ \\
-^Material (Oberflächentemp. In °C) ^	Emissionsgrad  ^
+=====Tabelle mit typischen Absorptionsgraden (=Emissionsgraden)=====
+Bis auf Eis und Wasser sind die hier aufgeführten Oberflächen (bei Schichten > 0,5 mm) opak((d.h. die Transmission ist Null)) für die thermische Wärmestrahlung((um die Raumtemperatur herum, -20 bis +70°C)); das gilt auch für das Material "Glas" (normale Floatgläser), das ist im Infraroten weit überwiegend absorbierend und nur mit um 10% reflektierend. Durch ein normales Fensterglas kann daher Wärmestrahlung nicht direkt hindurchtreten: Vielmehr "passiert" der Wärmestrom hier so: Die Wärmstrahlung aus dem Raum wird an der raumseitigen Glasoberfläche absorbiert, der Scheibe dadurch Wärme zugeführt. Jene wird durch Wärmeleitung auf die äußere Oberfläche der Scheibe weitergeleitet und dort dann erneut abgestrahlt (oder auch durch Wärmeleitung auf das Fluid auf der anderen Seite übertragen).
+^Material (Oberflächentemp. In °C) ^	Emissionsgrad((zum Emissionsgrad siehe [[]])) \\ =Absorptionsgrad \\ im Spektralbereich 5 bis 18 µm  ^
 |Aluminium, nicht oxidiert | 	0.03  |
 |Aluminium, stark oxidiert |	0.20  |
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 |Eis oder Wasser glatte Oberfläche (0°C) |	0.97  |
 |Chrom |	0.08  |
-|Eisen, blank poliert |	0.20 |
+|Eisen, blank poliert |	 0.20  |
-|Eisen, stark oxidiert | 0.88 |
+|Eisen, stark oxidiert |  0.88  |
-|     rostfreier Stahl, poliertes Blech | 0.18 |
+|     rostfreier Stahl, poliertes Blech |  0.18  |
-|Emaille | 0.90  |
+|Emaille |  0.90  |
-|Farben (z.B. Disp.-Farbe auf Tapete) | 0.88 bis 0.96  |
+|Farben (z.B. Disp.-Farbe auf Tapete) |  0.88 bis 0.96   |
-|Glas |	0.90|
+|Glas |  0.90  |  der
-|Gips (20°C) | 0.94 |
+|Gips (20°C) |  0.94  |
-|Gold, hochglanzpoliert | 0.02 |
+|Gold, hochglanzpoliert |  0.02  |
-|Gummi | 0.89 bis 0.94 |
+|Gummi |  0.89 bis 0.94  |
-|Holz | 0.82 bis 0.92 |
+|Holz |  0.82 bis 0.92  |
-|Kerzenruß | 0.95 |
+|Kerzenruß |  0.95  |
-|Kühlkörper, schwarz, eloxiert | 0.98 |
+|Kühlkörper, schwarz, eloxiert |  0.98  |
-|Kunststoffe: PVC, PS,  Glasfaserlaminat, ... | 0.94 |
+|Kunststoffe: PVC, PS,  Glasfaserlaminat, ... |  0.94  |
-|Kupfer, poliert | 0.03 |
+|Kupfer, poliert |  0.03  |
-|Kupfer, stark oxidiert | 0.77 |
+|Kupfer, stark oxidiert |  0.77  |
-|Lack, (Heizkörper-), schwarz, matt | 0.94 bis 0.98 |
+|Lack, (Heizkörper-), schwarz, matt |  0.94 bis 0.98  |
-|Papier, matt, versch. Farben | 0.92 bis 0.94 |
+|Papier, matt, versch. Farben |  0.92 bis 0.94   |
-|Papier, weiß, versch. Glanzarten | 0.76 bis 0.93 |
+|Papier, weiß, versch. Glanzarten |   0.76 bis 0.93  |
-|Mauerwerk ; Ziegelstein; Dachziegel; Std.-Außenputze | 0.91 bis 0.94 |
+|Mauerwerk ; Ziegelstein; Dachziegel; Std.-Außenputze |  0.91 bis 0.94  |
-|Ölfarben (versch. Farben) | 0.92 bis 0.96 |
+|Ölfarben (versch. Farben) |  0.92 bis 0.96  |
-|Porzellan  | 0.92 |
+|Porzellan  |  0.92  |
-|Silber, poliert | 0.03 |
+|Silber, poliert |  0.03  |
-|Stahl, kalt gewalzt  | 0.7 bis 0.85  |
+|Stahl, kalt gewalzt  |  0.7 bis 0.85   |
-|Tapete	("normals", z.B. raufaser) | 0.85 bis 0.93 |
+|Tapete	("normal", z.B. Raufaser) |  0.85 bis 0.93  |
-|Ziegelstein, Mörtel, Putz | 0.93 |
+|Ziegelstein, Mörtel, Putz |  0.93  |
-|Zink, oxidiert | 0.11 bis 0.60 |
+|Zink, oxidiert |  0.11 bis 0.60  |
-|Zink, poliert | 0.04 bis 0.05 |
+|Zink, poliert |  0.04 bis 0.05  |