Was ist Wärmestrahlung

Wär­me­strah­lung wird auch als ther­mi­sche Strah­lung bezeich­net. Zum Teil fin­det sich auch der Begriff Tem­pe­ra­tur­strah­lung in der Lite­ra­tur. Es han­delt sich hier­bei um eine elek­tro­ma­gne­ti­sche Strah­lung. Dort, wo die Strah­lung ent­steht, befin­det sie sich in einem ther­mi­schen Gleich­ge­wicht mit der Mate­rie. Die Emis­si­on der Wär­me­strah­lung erfolgt sowohl durch Fest­kör­per, Plas­men und Flüs­sig­kei­ten als auch durch gro­ße Gas­mas­sen. Das Maxi­mum erreicht die ther­mi­sche Strah­lung in Bezug auf ihre Wel­len­län­ge und die Tem­pe­ra­tur im soge­nann­ten Schwar­zen Kör­per. Beschrie­ben wird die­ser Zustand von dem planck­schen Strah­len­ge­setz, wel­ches aber in der Rea­li­tät so gut wie nie erreicht wird. Geht man von gewöhn­li­chen Tem­pe­ra­tu­ren aus, so liegt das Maxi­mum der Strah­lung im Bereich des Infra­rots. Dar­aus ergibt sich in der Pra­xis, dass für die Wär­me­strah­lung häu­fig syn­onym der Begriff Infra­rot­strah­lung ver­wen­det wird. Bei der ther­mi­schen Strah­lung kann jedoch beob­ach­tet wer­den, dass sich das Strah­lungs­ma­xi­mum ver­än­dert, wenn die Tem­pe­ra­tu­ren anstei­gen. Die Wel­len­län­gen wer­den dann kür­zer. Dies kann zum Bei­spiel beim Son­nen­licht beob­ach­tet wer­den. Der dar­auf fol­gen­de Effekt ist, dass die Strah­lung sicht­bar wird und bis in die ultra­vio­let­te Strah­lung rei­chen kann.

Ent­de­ckung

Ent­deckt wur­de die Wär­me­strah­lung 1800 durch den Astro­no­men Fried­rich Wil­helm Her­schel. Er mach­te einen Ver­such mit Ther­mo­me­tern. Er unter­such­te das Licht­spek­trum des Son­nen­lich­tes und stell­te fest, dass sich außer­halb des roten Bereichs des Ther­mo­me­ters eine höhe­re Tem­pe­ra­tur abzeich­ne­te. Dies ließ ihn schluss­fol­gern, dass es eine Strah­lung gibt, die nicht sicht­bar ist, aber trotz­dem Wär­me erzeugt. Er nann­te die­se Strah­lung Infra­rot­strah­lung. Infra­rot­licht basiert auf dem Prin­zip der Wärmestrahlung.

Die Ent­ste­hung

Die Wär­me­strah­lung gehört in den Bereich der Makro­sko­pie. Betei­ligt sind hier auf phy­si­ka­li­scher Ebe­ne zahl­rei­che Teil­chen und Ele­men­te. Wenn ein Kör­per eine aus­rei­chen­de Tem­pe­ra­tur auf­weist, kann er eine Wär­me­strah­lung erzeu­gen. Dies gilt sowohl für tech­ni­sche Gerä­te als auch für die Son­ne oder den Men­schen. Je höher die Aus­gangs­tem­pe­ra­tur ist, des­to stär­ker ist auch die ther­mi­sche Strahlung.

Mes­sung von Thermik

Es gibt neben der ther­mi­schen Strah­lung auch die nicht-ther­mi­sche Strah­lung. Hier­zu gehö­ren zum Bei­spiel die Mikro­wel­len, der Koh­len­di­oxid­la­ser, die Rönt­gen­strah­len oder auch die Leucht­stoff­lam­pe. Die Zuord­nung erhält man aus der Mes­sung der Inten­si­tät der Wel­len­län­gen. Dies wird auch als die Signa­tur des Lichts bezeichnet.

Inten­si­tä­ten der Wärmestrahlung

Die ther­mi­sche Strah­lung kann unter­schied­lich stark aus­ge­prägt sein. Dabei gilt: je höher die Tem­pe­ra­tur, des­to höher ist auch die Inten­si­tät. Die­ser Zusam­men­hang fin­det sich auch im Ste­fan-Boltz­mann-Gesetz wie­der. Gleich­zei­tig ver­kür­zen sich die Wel­len­län­gen. Ein Bei­spiel ist der Wei­ße Zwerg. Hier­bei han­delt es sich um einen Stern, des­sen Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tur beson­ders hoch ist. Das Inten­si­täts­ma­xi­mum liegt im Bereich der ultra­vio­let­ten Strah­lung. Errech­net man die Strah­lungs­leis­tung, kommt man auf einen Wert von 60MW. Das ent­spricht der Leis­tung eines Kern­kraft­wer­kes. Bei der Son­ne wird das Licht von der Ober­flä­che abge­strahlt. Das Inten­si­täts­ma­xi­mum liegt hier im grü­nen Bereich. Die abge­strahl­te Leis­tung erreicht einen Wert von 6KW. Dies kann ver­gli­chen wer­den mit der Heiz­leis­tung eines Ein­fa­mi­li­en­hau­ses. Das drit­te Bei­spiel ist der Heiz­ofen. Hier liegt das Maxi­mum bei 5 New­ton­me­tern. Umgangs­sprach­lich wür­de man hier von der Infra­rot­strah­lung spre­chen. Dar­aus ergibt sich auch der Begriff Wär­me­strah­lung. Manch ein Stern kann hin­ge­gen eine Strah­lungs­in­ten­si­tät erzeu­gen, die im Rönt­gen­be­reich liegt.

Ein­fluss ver­schie­de­ner Körper

Ein­fluss auf die Strah­lung hat zum einen die Ober­flä­chen­be­schaf­fen­heit eines Kör­pers. Die Mes­sung erfolgt als Emis­si­ons­grad. Ein Spie­gel bei­spiels­wei­se hat einen Emis­si­ons­grad gen Null. Eine matt­schwar­ze Ober­flä­che hin­ge­gen kann maxi­ma­le Wer­te erzeu­gen. Hin­zu kommt noch Absorp­ti­on. Hier kommt bei­spiels­wei­se die Luft ins Spiel. Auch Wol­ken und Was­ser­dampf min­dern die Strah­lung, eben­so wie Gase. Hier­durch ver­än­dern sich auch die Tem­pe­ra­tu­ren auf der Erde. Wei­ter steht die­ser Wirk­zu­sam­men­hang auch in Ver­bin­dung mit dem soge­nann­ten Treib­haus­ef­fekt. Neben der Ober­flä­chen­be­schaf­fen­heit und der Art des Stof­fes hat auch die Dicke eines Kör­pers Ein­fluss auf die Wärmestrahlung.

Mensch und die ther­mi­sche Strahlung

Der Mensch gibt die durch die Nah­rung auf­ge­nom­me­ne Ener­gie in Form ther­mi­scher Strah­lung wie­der ab. Hier­bei han­delt es sich in der Regel um Infra­rot­strah­lung. Der mensch­li­che Kör­per kann aber auch Ener­gie auf­neh­men, wenn er sich bei­spiels­wei­se einer Wär­me­quel­le nähert. Dadurch ergibt sich eine Dif­fe­renz zwi­schen der absor­bier­ten und der emit­tie­ren­den Wär­me. Gene­rell kann der Kör­per die Strah­lung einer­seits durch­las­sen, also trans­mit­tie­ren, reflek­tie­ren oder auch absor­bie­ren. Im letz­te­ren Fall wird die Strah­lung in Wär­me­en­er­gie verwandelt.

Ein­fluss­nah­me auf die Strahlung

Der Effekt der Wär­me­ab­ga­be kann durch äuße­re Ein­flüs­se ver­än­dert wer­den. Ein typi­sches Bei­spiel sind Ret­tungs­de­cken. Blan­ke Metall­ober­flä­chen sor­gen dafür, dass weni­ger Wär­me aus­tre­ten kann. Daher wer­den Ret­tungs­de­cken mit einer Metall­be­schich­tung ver­se­hen. Der glei­che Effekt ergibt sich bei Iso­lier­ta­schen oder Ther­mos­kan­nen. Anders­her­um kann die Wär­me­ab­ga­be aber auch gestei­gert wer­den. Dazu muss man zu einer dunk­len und mat­ten Beschich­tung grei­fen. Beson­ders im Bereich der Hei­zun­gen und Öfen sorgt eine dunk­le Lackie­rung für eine ver­bes­ser­te Wärmestrahlung.

Wo wird Wär­me­strah­lung genutzt

Ein klas­si­schen Bei­spiel für die Ver­wen­dung ther­mi­scher Strah­lung sind Son­nen­kol­lek­to­ren oder Solar­zel­len. Ihre schwar­zen Flä­chen zie­hen die Wär­me und absor­bie­ren die­se. Öfen und Heiz­kör­per bedie­nen sich der Wär­me­strah­lung, um Gebäu­de zu erhit­zen. Beim Haus­bau kommt die ther­mi­sche Strah­lung im Zusam­men­hang mit der Iso­lie­rung auf den Plan. Daher wird alles, was die Wär­me mög­lichst abhal­ten soll, hell bzw. weiß gehal­ten. Dies gilt zum Bei­spiel auch für Kühl­schrän­ke oder Kühl­wa­gen oder für Häu­ser­wän­de. Wär­me­strah­lung in Form von Infra­rot­licht wird bei­spiels­wei­se in der Medi­zin ver­wen­det. Hier kom­men meist Infra­rot­lam­pen oder –kabi­nen zum Ein­satz. Das Infra­rot­licht hilft bei ver­schie­de­nen Lei­den wie Ent­zün­dun­gen der Mus­kel­schmer­zen. Wei­ter kann die Wär­me auch in Form von Infra­rot­strah­lern genutzt wer­den. Die­se kom­men in der Gastro­nomie zum Ein­satz oder auch in der Tier­zucht. Auch kön­nen die Eigen­schaf­ten der ther­mi­schen Strah­lung bzw. des Infra­rot für Wär­me­bild­ka­me­ras ver­wen­det wer­den. Wär­me­bild­ka­me­ras kön­nen bei der Begut­ach­tung von Gebäu­den ver­wen­det wer­den, um Wär­me­ver­lus­te sicht­bar wer­den zu las­sen. Mit Hil­fe von Wär­me­bild­ka­me­ras kann die Poli­zei aber auch Suchen durch­füh­ren, um Lebe­we­sen auf­zu­spü­ren. Im Bereich der Astro­lo­gie kommt die Wär­me­strah­lung zum Ein­satz, um Aste­ro­iden auf­zu­spü­ren und deren Tem­pe­ra­tur zu mes­sen. Dar­aus kann auf die Grö­ße des Exem­plars geschlos­sen wer­den. Mit­tels Wär­me­bild­ka­me­ras las­sen sich auch Bil­der schie­ßen, die auch in neb­li­ger Atmo­sphä­re scharf sind. Dane­ben fin­det man beson­ders die Infra­rot­strah­lung auch im Bereich der Tech­nik, der Kunst­wis­sen­schaf­ten, der Elek­tro­nik sowie der Vege­ta­ti­on als auch zur Ent­fer­nungs­mes­sung wie­der. Poli­zei und Mili­tär nut­zen zudem Nacht­sicht­ge­rä­te, die auf die­ser Tech­nik beru­hen. Auch bestimm­te Sicher­heits­do­ku­men­te und Geld­schei­ne erhal­ten Sicher­heits­merk­ma­le, die nur mit­tels Infra­rot ent­schlüs­selt wer­den kön­nen. In der Mate­ri­al­be­ar­bei­tung wer­den Infra­rot­la­se ein­ge­setzt zum Ver­schwei­ßen, Beschrif­ten, Aus­här­ten oder Zuschnei­den sowie zur Trock­nung von Ware.

Treib­haus­ef­fekt

In die­sem Zusam­men­hang wird die Wär­me­strah­lung zum Pro­blem. In der Atmo­sphä­re befin­den sich näm­lich so vie­le Gase, dass die von der Erde reflek­tier­te Wär­me die Luft­hül­le der Erde nicht mehr ver­las­sen kann. Dies führt zu einer glo­ba­len Auf­hei­zung. Je mehr CO2 pro­du­ziert und aus­ge­sto­ßen wird, des­to dich­ter wird der Man­tel, der sich über die Erde legt und die Wär­me spei­chert. Dies führt zu einer gene­rel­len Erwär­mung des Erdklimas.

Quel­len