Wärmestrahlung

Wärmestrahlung Übung

• Gib an, welche Form der Übertragung der thermischen Energie des Osterfeuers auf die Besucher auftritt.

  Tipps

  Es ist eine Antwort hier richtig.

  In welche Richtung strömt heiße Luft?

  Welche Stoffe sind gute Wärmeleiter?

  Welche Übertragungsform thermischer Energie kommt ohne einen Stoff aus?

  Lösung

  Die thermische Energie des Osterfeuers wird tatsächlich durch alle drei Formen der Wärmeübertragung an die kühlere Umgebung abgegeben.

  Allerdings ist für die Übertragung auf die Zuschauer nur eine Form - die Wärmestrahlung - bedeutsam. Diese Übertragungsform kommt ohne ein Medium aus.

  Die Wärmeströmung, die das Osterfeuer erzeugt, bewegt sich nach oben, da heiße Luft eine geringere Dichte besitzt als kühle Luft. Die Wärmeleitung ist vernachlässigbar, da sowohl Luft als auch Boden schlechte Wärmeleiter sind.

• Ergänze die Eigenschaften von Wärmestrahlung.

  Tipps

  Wärmestrahlung tritt im Gegensatz zu den anderen Übertragungsformen immer auf. Wieso?

  Wovon hängt die Intensität der Wärmestrahlung ab?

  Lösung

  Wärmestrahlung geht von allen Körpern aus. Sie ist umso größer, je höher die Temperatur eines Körpers ist. Da Wärmestrahlung keinen Stoff zur Übertragung benötigt, erreicht sie andere Körper durch das Vakuum.

  Auch die Sonne (siehe Abbildung) ist ein Körper und sendet somit Wärmestrahlung aus (1). Die Intensität der Wärmestrahlung von der Sonne wird durch ihre Oberflächentemperatur bestimmt. Sie ist für jede Sternfarbe charakteristisch (2). Die thermische Energie der Sonne gelangt nur in Form von Wärmestrahlung durch das Vakuum zur Erde (3).

• Leite dir ab, welche wesentliche Eigenschaft der Wärmestrahlung jeweils in den Abbildungen verdeutlicht wird.

  Tipps

  Absorption und Reflexion sind Eigenschaften, die an Oberflächen von Körpern beobachtet werden.

  Die Durchlässigkeit gibt an, wie viel Strahlung an der gegenüberliegenden Seite eines Körpers wieder austritt.

  Lösung

  Wärmestrahlung wird von den Körpern, auf die sie trifft, unterschiedlich stark aufgenommen oder durchgelassen:

  Dunkle Körper nehmen den größten Teil der Wärmestrahlung auf. Das bezeichnet man als Absorption. Alle oder fast alle Strahlen treten dabei in den Körper ein. Helle Körper hingegen werfen den Großteil der Wärmestrahlung zurück. Das nennt man Reflexion. Alle oder fast alle Strahlen werden von der Oberfläche des Körpers zurückgeworfen.

  Transparente Körper können Wärmestrahlung in unterschiedlichem Maß schwächen: Fast keine Schwächung der Wärmestrahlung tritt auf beim Durchdringen von Luft. Glas und Kunststoffe hingegen führen zu einer größeren Abschwächung der Strahlung. Treten fast alle Strahlen an der gegenüberliegenden Seite des Körpers wieder aus, so ist die Durchlässigkeit hoch. Treten hingegen fast keine Strahlen wieder aus, ist die Durchlässigkeit für Wärmestrahlung gering.

• Begründe die Funktionalität der folgenden technischen Anwendungen.

  Tipps

  Ist die auftretende Wärmestrahlung in den Beispielen erwünscht oder nicht?

  Welche Eigenschaft kann eine erwünschte Strahlungsaufnahme verstärken, welche eine ungewollte abschwächen?

  Wie kann man Energieverluste durch Wärmestrahlung minimieren?

  Lösung

  Tanklaster werden durch eine weiße (oder eine andere helle Farbe) Beschichtung vor dem Überhitzen durch die Wärmestrahlung der Sonne geschützt. Die weiße Oberfläche reflektiert fast vollständig die einfallende Wärmestrahlung. Verstärken kann man diesen Effekt noch durch das Verwenden glatter Oberflächen, die Wärmestrahlung stärker reflektieren als raue Oberflächen.

  In der Thermoskanne ist ein Energietransport in Form von Wärme (egal, ob von innen nach außen oder umgekehrt) ebenfalls unerwünscht. Die Wärmestrahlung kann dabei nur durch ein spiegelndes Material unterbrochen werden. Wärmeströmung und Wärmeleitung werden in erster Linie durch das Vakuum in der Wand des Thermogefäßes unterbunden.

  Bei Campingduschen ist der Energieübertrag durch Wärme hingegen erwünscht. Wasser wird durch Wärmestrahlung effektiv aufgeheizt, wenn man es in einem Beutel mit einer stark absorbierenden, also dunklen, Oberfläche direkt in die Sonne hängt.

• Beschreibe die Eigenschaften von Wärmestrahlung.

  Tipps

  Welche Kleidungsfarbe ist im Sommer vorteilhaft, wenn du möglichst kühl bleiben möchtest?

  Welche Medien werden zur Abschwächung von Wärmestrahlung eingesetzt?

  Lösung

  Dunkle Körper zeigen eine hohe Absorption von Wärmestrahlung. Das heißt, sie nehmen im Gegensatz zu hellen Körpern einen Großteil der Strahlungsenergie auf. Helle Körper hingegen zeigen Reflexion (fast) der gesamte Wärmestrahlung, die auf sie trifft.

  Ist die Aufnahme thermischer Energie durch Wärmestrahlung unerwünscht, so empfiehlt sich in Freizeit und Technik die Verwendung heller Oberflächen: also helle Lackierungen bei Tanklastern und weiße T-Shirts im Sommer. Soll die Wärmestrahlung hingegen ausgenutzt werden, sind dunkle Farben vorteilhaft wie für Campingduschen, Sonnenkollektoren und besonders kuschlige Pullover.

  Neben der richtigen Auswahl der Oberflächenfarbe kann auch die unterschiedliche Durchlässigkeit von Stoffen für Wärmestrahlung zielführend eingesetzt werden. Luft ist dabei ein Stoff, der Wärmestrahlung fast ungehindert passieren lässt. Kunststoffe und Glas hingegen lassen nur einen Teil der Wärmestrahlung passieren.

• Leite dir ab, welche Sterne besonders viel Wärmestrahlung aussenden.

  Tipps

  Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Temperatur eines Körpers und der Menge an Wärmestrahlung, die er abgibt?

  Lösung

  Alle Körper senden Wärmestrahlung aus, also auch sämtliche Sterntypen.

  Je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto mehr Wärmestrahlung gibt er ab. Sterne besitzen alle vergleichsweise hohe Oberflächentemperaturen im Bereich von 3000 bis zu 50 000 Kelvin. Sie geben daher alle viel Wärmestrahlung ab.

  Wie viel genau kann man anhand der Farbe des Sterns erkennen. Blaue und weiße Sterne besitzen sehr hohe Oberflächentemperaturen. Sie geben daher viel Wärmestrahlung ab. Orange und rote Sterne sind vergleichsweise kühle Sterne und geben daher bei sonst ähnlichem Aufbau nicht so viel Wärmestrahlung ab.