Wärmestrahlung
Was ist Wärmestrahlung? Wärmestrahlung ist eine Form der Wärmeübertragung ohne Medium. Erfahre in dem Video, wie sie funktioniert, warum schwarze Objekte mehr Wärme absorbieren und weshalb helle Kleidung im Sommer vorteilhafter ist. Interessiert? Im nachfolgenden Text findest du diese Informationen und noch viel mehr.
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Grundlagen zum Thema Wärmestrahlung
Wärmestrahlung einfach erklärt
Vielleicht hast du schon einmal an einem Lagerfeuer gestanden und die Wärme des Feuers gespürt. Hast du dich dabei gefragt, wie dich das Feuer wärmt? Die Wärmeströmung der Luft kann es nicht sein, da warme Luft normalerweise nach oben steigt und nicht zur Seite. Auch die Wärmeleitung kommt nicht infrage, da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist. Es muss also einen dritten Mechanismus geben, mit dem Wärme übertragen werden kann. Dieser Mechanismus heißt Wärmetransport durch Wärmestrahlung. Was es damit auf sich hat, wollen wir uns im Folgenden anschauen.
Was ist Wärmestrahlung?
Wärmestrahlung ist eine Art der Wärmeübertragung, die kein Medium braucht, um sich auszubreiten. Wärmestrahlung kann sich also sogar in einem Vakuum ausbreiten. Schauen wir uns dazu ein Schema an.
Der warme Körper ist in unserem Beispiel das Feuer. Der kalte Körper sind die Menschen. Das Feuer verfügt über thermische Energie, es kann also Wärme übertragen. Diese Energie besitzt das Feuer aufgrund seiner Temperatur. Das Symbol für die thermische Energie ist $E_{therm}$. Die Einheit wird in Joule angegeben, kurz $\pu{J}$. Ein Teil der thermischen Energie wird in Form von Wärmestrahlung abgegeben, die die Menschen erreicht. Ein Teil der Strahlung wird auf dem Weg von der Luft absorbiert, und erwärmt diese.
Alle Körper senden Wärmestrahlung aus. Die Stärke der Wärmestrahlung wird von der Temperatur des Strahlers bestimmt. Je höher die Temperatur eines Körpers ist, umso mehr Wärme gibt er dabei ab. In unserem Beispiel gibt also eigentlich auch der Mensch, also der kühlere Körper, Wärmestrahlung ab. Allerdings ist die Wärmestrahlung des Feuers so viel stärker, dass der Nettofluss vom Feuer zum Menschen zeigt.
Die Sonne hat eine hohe Temperatur und daher eine starke Wärmestrahlung. Der Mond hingegen hat nur eine niedrige Wärmestrahlung, da seine Temperatur deutlich geringer ist.
Absorption und Reflexion von Wärmestrahlung
Bestimmt ist dir an heißen Sommertagen schon einmal aufgefallen, dass der Asphalt auf der Straße sehr heiß wird. Andere Stoffe, wie zum Beispiel Beton, bleiben meist nur warm. Beide sind der Wärmestrahlung der Sonne ausgesetzt. Der Asphalt absorbiert die meiste Wärmestrahlung und reflektiert nur wenig. Der Beton hingegen reflektiert den größten Teil und absorbiert nur wenig. Absorbieren bedeutet, dass die Wärmestrahlung von dem Körper „verschluckt“ wird. Reflektieren bedeutet, dass die Wärmestrahlung zurückgeworfen wird. Ein Teil der Wärmestrahlung wird immer absorbiert und ein Teil reflektiert. Dunkle Körper absorbieren mehr Wärmestrahlung. Helle Körper reflektieren mehr Wärmestrahlung.
Trägst du im Sommer ein weißes T-Shirt, reflektiert dieses einen großen Teil der Wärmestrahlung. Es hält dich also relativ kühl. Ein schwarzes T-Shirt hingegen absorbiert einen großen Teil der Wärmestrahlung. Dir wird vermutlich sehr warm in diesem T-Shirt.
Durchlässigkeit von Wärmestrahlung
Da du die Wärme neben dem Feuer direkt bemerkst, kannst du darauf schließen, dass die Luft diese durchlässt. Stellst du dich hinter einen anderen Menschen, spürst du die Wärme des Feuers fast gar nicht mehr. Nicht alle Körper reflektieren oder absorbieren die Wärmestrahlung.
Durch Luft wird die Wärmestrahlung fast nicht geschwächt. Nur ein sehr kleiner Teil der Wärmestrahlung wird absorbiert, der größte Teil läuft ungehindert durch die Luft. Befindet sich ein Körper, welcher die Wärmestrahlung absorbiert oder reflektiert, zwischen dir und der Wärmestrahlungsquelle, so ist die Wärmestrahlung spürbar abgeschwächt.
Wärmestrahlung – Beispiele
Die wichtigste Quelle für die Wärmestrahlung ist die Sonne. Aber auch, wenn du dir eine Pizza im Ofen warm machst und ihn öffnest, merkst du die Wärmestrahlung des Ofens. Auch gibt es Quellen von Wärmestrahlung, die nicht gewollt sind. So zum Beispiel bei einem heißen Getränk in einer Flasche. Die austretende Wärmestrahlung kann durch die Verwendung einer isolierten Thermoskanne minimiert werden. Tanklaster sind ebenfalls sehr wärmeempfindlich, allerdings sind sie der Wärmestrahlung der Sonne ausgesetzt. Um viel Wärmestrahlung zu reflektieren, sind die Tanker in einer hellen Farbe gehalten. Auch du hast eine Wärmestrahlung, die man zum Beispiel mit einer Wärmebildkamera sichtbar machen kann. Die Wärmestrahlung des Menschen ist aber relativ gering.
Kurze Zusammenfassung zum Video Wärmestrahlung
In diesem Video lernst du, wie die Wärmestrahlung funktioniert. Es wird auf das Reflektieren, Absorbieren und Durchlassen von Wärmestrahlung eingegangen. Auch lernst du, warum es schlauer ist, im Sommer helle statt dunkler Kleidung zu tragen. Zusätzlich zum Video gibt es noch eine Übung und Arbeitsblätter zum Thema Wärmestrahlung.
Transkript Wärmestrahlung
Hallo und ganz herzlich willkommen. Dieses Video heißt Wärmestrahlung. Du kennst bereits Wärme, Energieumwandlung, Energiewandler, thermische Energie und das Teilchenmodell. Nachher kennst du die Wärmestrahlung, du kannst Beispiele dafür nennen und du weißt, wann starke und schwache Erwärmung auftritt. Erstens: das Osterfeuer. Die Tradition des Osterfeuers kennt ihr sicher. Wenn es hoch auflodert, wird es selbst in einiger Entfernung sehr heiß. Ist das Wärmeströmung der Luft? Mit Sicherheit nicht, denn Heißluft steigt hoch und nicht zur Seite. Ist das Wärmeleitung? Auch das kann nicht sein, denn Luft leitet die Wärme schlecht. Es handelt sich hier um Wärmestrahlung. Das ist eine Art der Wärmeübertragung, die ohne einen Stoff auskommt. Zweitens: Wärme und thermische Energie. Schauen wir uns die Wärmestrahlung einmal schematisch an. Der warme Körper ist hier das Feuer. Der kalte Körper sind die Menschen. Durch die Luft findet die Wärmeübertragung statt. Das Feuer verfügt über thermische Energie. Es kann Wärme übertragen. Das Symbol für die thermische Energie ist E_Therm. Die Einheit wird geschrieben als J. Das bedeutet Joule. Drittens: Wärmequelle und Energiewandler. Bei einem Osterfeuer wird chemische Energie in Wärme umgewandelt. Ein anderer Energiewandler ist die Sonne. Sie wandelt Nuklearenergie in Wärme um. Ein letztes Beispiel. Die Mikrowelle ist ein Energiewandler. Sie wandelt elektrische Energie in Wärme um. Viertens: Wärmestrahlung. Den Versuch habt ihr bereits in dem Intro gesehen. Die Infrarotlampe ist ein Wärmestrahler. Meine Hand wird warm. Nun können wir einige wichtige Dinge notieren. Alle Körper senden Wärmestrahlung aus. Zweitens, je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto mehr Wärme gibt er dabei ab. Und drittens, für die Übertragung der Wärme durch Strahlung wird kein Stoff benötigt. Fünftens: starke und schwache Wärmestrahlung. Wir haben gehört, dass man bei jedem Körper Wärmestrahlung beobachten kann. Die Sonne strahlt stark, denn sie hat eine hohe Temperatur. Der Mond hat nur eine niedrige Wärmestrahlung, denn seine Temperatur ist niedrig. Also: die Stärke der Wärmestrahlung wird von der Temperatur des Strahles bestimmt. So, und das Nächste steht nicht im Lehrbuch. Vorsicht, falls ihr einmal in einem Metall verarbeitenden Betrieb sein sollt. Nicht alle Metalle glühen in der Hitze. Auch sehr heißes Kupfer und sehr heißes Aluminium glühen nicht. Es besteht Verbrennungsgefahr. Sechstens: Absorption und Reflexion von Wärmestrahlung. Es ist Sommer. Bestimmt habt ihr schon mal auf dem Asphalt oder dem Beton einer Straße gestanden. An heißen Sommertagen wird der Asphalt sehr heiß, der Beton bleibt meist nur warm. Beide sind den Strahlen der Sonne ausgesetzt. Der Asphalt absorbiert die Wärmestrahlung und reflektiert nur wenig. Anders der Beton. Er reflektiert den größten Teil der Wärmestrahlung und absorbiert nur wenig davon. Absorbiert bedeutet, die Wärmestrahlung wird verschluckt. Reflektiert heißt, die Wärmestrahlung wird zurückgeworfen. Wir stellen fest: dunkle Körper absorbieren die Wärmestrahlung. Helle Körper reflektieren die Wärmestrahlung. Wie ist es nun, wenn ich im Sommer ein weißes T-Shirt anziehe? Oder vielleicht doch ein schwarzes? Wir haben gelernt, das weiße T-Shirt reflektiert, es hält uns relativ kühl. Das schwarze T-Shirt absorbiert die Wärmestrahlung. Wir werden warm. Also im Sommer ist es angenehmer, helle Kleidung zu tragen. Siebtens: Durchlässigkeit für Wärmestrahlen. Noch einmal der Versuch mit der Infrarotlampe. Die Wärme spüre ich sofort. Das heißt, die Luft lässt die Wärmestrahlung durch. Nun halte ich mein Mousepad dazwischen. Von der Wärme ist nichts mehr zu spüren. Wir stellen fest: durch Luft wird die Wärmestrahlung fast nicht geschwächt. Glas und Kunststoff schwächen die Wärmestrahlung spürbar ab. Das war ein weiterer Film von André Otto. Alles Gute. Tschüss.
Wärmestrahlung Übung
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Gib an, welche Form der Übertragung der thermischen Energie des Osterfeuers auf die Besucher auftritt.
TippsEs 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?
LösungDie 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.
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Ergänze die Eigenschaften von Wärmestrahlung.
TippsWärmestrahlung tritt im Gegensatz zu den anderen Übertragungsformen immer auf. Wieso?
Wovon hängt die Intensität der Wärmestrahlung ab?
LösungWärmestrahlung 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).
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Leite dir ab, welche wesentliche Eigenschaft der Wärmestrahlung jeweils in den Abbildungen verdeutlicht wird.
TippsAbsorption 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.
LösungWärmestrahlung 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.
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Begründe die Funktionalität der folgenden technischen Anwendungen.
TippsIst 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?
LösungTanklaster 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.
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Beschreibe die Eigenschaften von Wärmestrahlung.
TippsWelche Kleidungsfarbe ist im Sommer vorteilhaft, wenn du möglichst kühl bleiben möchtest?
Welche Medien werden zur Abschwächung von Wärmestrahlung eingesetzt?
LösungDunkle 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.
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Leite dir ab, welche Sterne besonders viel Wärmestrahlung aussenden.
TippsWelcher Zusammenhang besteht zwischen der Temperatur eines Körpers und der Menge an Wärmestrahlung, die er abgibt?
LösungAlle 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.
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Tolles Video, echt gut erklärt! ;-)
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