Wärmestrahlung - Physik

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Einleitung

Du spürst die Sonne auf Deiner Haut, obwohl zwischen Sonne und Erde fast leerer Raum liegt. Die Energie erreicht Dich durch Wärmestrahlung. Sie ist eine Form der elektromagnetischen Strahlung und kann sich ohne Stoffteilchen durch das Vakuum ausbreiten.

Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts sendet Wärmestrahlung aus. Bei Zimmertemperatur liegt sie überwiegend im unsichtbaren Infrarotbereich. Sehr heiße Körper strahlen zusätzlich sichtbares Licht ab: Eine Herdplatte kann rot glühen, die Sonne erscheint hell.

Das Wärmebild zeigt nicht direkt „Wärme“, sondern die von Oberflächen empfangene Infrarotstrahlung. Die dargestellten Farben sind meist künstlich zugeordnet.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du Wärmestrahlung von Wärmeleitung und Konvektion unterscheiden, Emission und Absorption erklären, den Einfluss von Temperatur und Oberfläche beschreiben sowie einfache Anwendungen und Experimente beurteilen.

Grundlagen

Drei Wege der Wärmeübertragung

Vorgang	Benötigt Materie?	Typisches Beispiel
Wärmeleitung	Ja	Ein Metalllöffel wird im heißen Tee warm.
Wärmeströmung	Ja	Erwärmte Luft steigt über einem Heizkörper auf.
Wärmestrahlung	Nein	Sonnenstrahlung gelangt durch den Weltraum zur Erde.

Im Alltag wirken die drei Wege oft gleichzeitig. Ein Heizkörper erwärmt die Raumluft durch Konvektion und sendet zugleich Wärmestrahlung aus.

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Wärmestrahlung als elektromagnetische Strahlung

Wärmestrahlung transportiert Energie durch elektromagnetische Wellen beziehungsweise Photonen. Im Vakuum breitet sie sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Ihr Spektrum hängt vor allem von der absoluten Temperatur des Körpers ab.

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Die absolute Temperatur wird in Kelvin angegeben:

$T=t+\mathrm{273,15}$

Dabei ist $T$ die Temperatur in Kelvin und $t$ die Temperatur in Grad Celsius.

Emission, Absorption, Reflexion und Transmission

Trifft Strahlung auf einen Körper, kann sie aufgenommen, zurückgeworfen oder hindurchgelassen werden.

Begriff	Bedeutung
Emission	Aussendung von Strahlung
Absorption	Aufnahme von Strahlungsenergie
Reflexion	Zurückwerfen von Strahlung
Transmission	Durchgang von Strahlung

Für die Anteile bei einer bestimmten Wellenlänge gilt:

$\alpha +\rho +\tau =1$

$\alpha$ ist der Absorptionsgrad, $\rho$ der Reflexionsgrad und $\tau$ der Transmissionsgrad. Bei undurchsichtigen Körpern ist $\tau \approx 0$.

Oberfläche und Emissionsgrad

Der Emissionsgrad $\epsilon$ beschreibt, wie stark eine reale Oberfläche im Vergleich zu einem idealen Schwarzen Körper strahlt. Er liegt zwischen 0 und 1.

Matte, dunkle Oberflächen sind im Schulversuch häufig gute Absorber und gute Emitter. Blankes Metall reflektiert Infrarotstrahlung meist stark und hat oft einen kleinen Emissionsgrad. Die sichtbare Farbe allein genügt jedoch nicht zur sicheren Beurteilung, weil eine Oberfläche im Infrarotbereich andere Eigenschaften haben kann als im sichtbaren Licht.

Nach dem kirchhoffschen Strahlungsgesetz gilt im thermischen Gleichgewicht: Ein guter Absorber ist bei derselben Wellenlänge auch ein guter Emitter.

Beim Leslie-Würfel haben alle Seiten nahezu dieselbe Temperatur. Eine Wärmebildkamera zeigt trotzdem unterschiedliche scheinbare Temperaturen, weil die Oberflächen verschieden stark emittieren und reflektieren.

Temperaturabhängigkeit

Stefan-Boltzmann-Gesetz

Ein idealer Schwarzer Körper mit der Fläche $A$ und der absoluten Temperatur $T$ sendet die Leistung

$P=\sigma A{T}^4$

aus. Für einen realen Körper wird der Emissionsgrad ergänzt:

$P=\epsilon \sigma A{T}^4$

Die Stefan-Boltzmann-Konstante beträgt näherungsweise

$\sigma =\mathrm{5,67}\cdot 10^{-8}\frac{W}{m^2{K}^4}$.

Wichtig ist die vierte Potenz: Eine kleine Erhöhung der absoluten Temperatur kann die abgestrahlte Leistung deutlich steigern.

Für den Strahlungsaustausch mit einer Umgebung der Temperatur $T_{\mathrm{U}}$ verwendet man vereinfacht:

$P_{\mathrm{n}\mathrm{e}\mathrm{t}\mathrm{t}\mathrm{o}}=\epsilon \sigma A(T^4-T_{\mathrm{U}}^4)$

Ist der Körper wärmer als die Umgebung, ist die Nettostrahlung nach außen gerichtet. Bei gleicher Temperatur herrscht thermisches Gleichgewicht.

Wiensches Verschiebungsgesetz

Mit steigender Temperatur verschiebt sich das Maximum der Strahlung zu kürzeren Wellenlängen:

${\lambda }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}T=b$

mit

$b\approx \mathrm{2,898}\cdot 10^{-3}\mathrm{m}\mathrm{K}$.

Ein Mensch mit etwa $310\mathrm{K}$ strahlt besonders stark bei ungefähr $\mathrm{9,3}\mathrm{\mu }\mathrm{m}$. Das liegt im Infrarotbereich. Die heiße Sonnenoberfläche besitzt ihr Strahlungsmaximum dagegen im sichtbaren Bereich.

Abstand zur Strahlungsquelle

Bei einer kleinen Quelle, die gleichmäßig in alle Richtungen strahlt, verteilt sich die Leistung auf immer größere Kugelflächen. Die Intensität nimmt näherungsweise mit dem Quadrat des Abstands ab:

$I=\frac{P}{4\pi r^2}$

Verdoppelst Du den Abstand, sinkt die Intensität in diesem Modell auf ein Viertel. Für ausgedehnte Quellen und nahe Abstände ist die Situation komplizierter.

Messen und Anwenden

Wärmebildkamera und Infrarotthermometer

Eine Wärmebildkamera erfasst räumlich verteilte Infrarotstrahlung. Ein Infrarotthermometer bestimmt berührungslos eine Temperatur aus der empfangenen Strahlung. Beide Geräte müssen den Emissionsgrad berücksichtigen.

Glänzende Flächen können Wärmestrahlung aus der Umgebung spiegeln. Deshalb kann eine Wärmebildkamera dort eine scheinbar hohe oder niedrige Temperatur anzeigen, obwohl die Fläche selbst eine andere Temperatur besitzt.

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Anwendungen im Alltag

Wärmestrahlung spielt bei Heizstrahlern, Thermoskannen, Rettungsdecken, Gebäudethermografie, Wetterbeobachtung, berührungsloser Temperaturmessung und in der Astronomie eine Rolle. Blank reflektierende Schichten können den Strahlungsaustausch verringern. Dunkle Solarkollektoren sollen dagegen möglichst viel Sonnenstrahlung aufnehmen.

Erde, Atmosphäre und Treibhauseffekt

Die Sonne sendet wegen ihrer hohen Oberflächentemperatur viel kurzwellige Strahlung aus. Die kühlere Erde gibt überwiegend langwellige Infrarotstrahlung ab. Bestimmte Gase der Atmosphäre absorbieren und emittieren Strahlung in ausgewählten Wellenlängenbereichen. Dieser Strahlungsaustausch ist eine Grundlage des natürlichen Treibhauseffekts.

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Schulversuche

Vergleich schwarzer und glänzender Flächen

Stelle zwei gleiche Dosen mit gleicher Wassermenge im gleichen Abstand vor eine Wärmelampe. Eine Dose ist matt schwarz, die andere außen glänzend. Miss die Temperatur in gleichen Zeitabständen. Halte Abstand, Beleuchtungsdauer, Wassermenge und Starttemperatur konstant. Die matt schwarze Oberfläche nimmt meist mehr Strahlung auf und erwärmt sich schneller.

Abkühlung untersuchen

Fülle gleich warme Flüssigkeit in zwei gleiche Gefäße mit verschiedenen Oberflächen. Miss die Temperatur während des Abkühlens. Decke beide Gefäße gleich ab, damit Verdunstung und Konvektion möglichst vergleichbar bleiben. So untersuchst Du den Einfluss der Oberfläche auf die Emission.

Wärmebild-Spuren

Drücke Deine Hand kurz auf eine Tischplatte und beobachte die Stelle anschließend mit einer Wärmebildkamera. Die sichtbare Spur zeigt, dass Energie durch Wärmeleitung auf die Platte übertragen wurde und diese danach stärker strahlt.

Sicherheit: Verwende Wärmelampen, heißes Wasser und elektrische Geräte nur nach Anweisung der Lehrkraft. Blicke nie direkt in die Sonne und richte starke Infrarotquellen nicht auf Augen oder Haut.

Typische Denkfehler

1. Wärme und Temperatur: Temperatur beschreibt einen Zustand; Wärme bezeichnet Energieübertragung aufgrund eines Temperaturunterschieds.
2. Wärmebildkamera: Eine Wärmebildfarbe ist keine echte Farbe der Oberfläche.
3. Schwarzer Körper: „Schwarz“ meint ein ideales Absorptions- und Emissionsverhalten, nicht nur eine sichtbare Farbe.
4. Strahlungsbilanz: Auch ein kalter Körper strahlt; entscheidend für die Nettoübertragung ist der Vergleich mit seiner Umgebung.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Wärmeübertragungsart funktioniert auch im Vakuum? (Wärmestrahlung) (!Wärmeleitung) (!Konvektion) (!Verdunstung)

In welchem Spektralbereich liegt die Wärmestrahlung eines Körpers bei Zimmertemperatur überwiegend? (Im Infrarotbereich) (!Im Röntgenbereich) (!Nur im sichtbaren Bereich) (!Im Radiobereich)

Was beschreibt der Emissionsgrad? (Die Strahlungsstärke einer Oberfläche im Vergleich zum Schwarzen Körper) (!Die Masse eines Körpers) (!Die elektrische Leitfähigkeit) (!Die Schallgeschwindigkeit)

Welche Oberfläche emittiert im typischen Leslie-Würfel-Versuch besonders stark? (Eine matt schwarze Oberfläche) (!Eine polierte Metalloberfläche) (!Eine spiegelnde Folie) (!Eine verchromte Oberfläche)

Welche Temperatur muss im Stefan-Boltzmann-Gesetz verwendet werden? (Die absolute Temperatur in Kelvin) (!Die Temperatur in Grad Celsius ohne Umrechnung) (!Die gefühlte Temperatur) (!Die Tageshöchsttemperatur)

Wie hängt die Strahlungsleistung eines Schwarzen Körpers von der absoluten Temperatur ab? (Sie ist proportional zur vierten Potenz der Temperatur) (!Sie ist unabhängig von der Temperatur) (!Sie ist proportional zum Kehrwert der Temperatur) (!Sie wächst nur linear mit der Celsiuszahl)

Was geschieht nach dem wienschen Verschiebungsgesetz bei steigender Temperatur? (Das Strahlungsmaximum wandert zu kürzeren Wellenlängen) (!Das Strahlungsmaximum verschwindet) (!Alle Wellenlängen werden gleich stark) (!Das Strahlungsmaximum wandert immer zu Radiowellen)

Warum können glänzende Flächen in Wärmebildern täuschen? (Sie reflektieren Infrarotstrahlung aus der Umgebung) (!Sie besitzen grundsätzlich keine Temperatur) (!Sie senden nur sichtbares Licht aus) (!Sie verhindern jede Wärmeleitung)

Wann ist die Nettowärmestrahlung zwischen zwei Körpern null? (Wenn beide dieselbe Temperatur haben und sich im thermischen Gleichgewicht befinden) (!Wenn einer der Körper schwarz ist) (!Wenn beide Körper sichtbar leuchten) (!Wenn zwischen ihnen Luft liegt)

Welche Aussage zum Treibhauseffekt ist physikalisch richtig? (Treibhausgase absorbieren und emittieren Infrarotstrahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen) (!Die Atmosphäre blockiert jede Sonnenstrahlung vollständig) (!Die Erde sendet keine Wärmestrahlung aus) (!Nur Sauerstoff erzeugt den Treibhauseffekt)

Memory

Emission	Aussendung von Strahlung
Absorption	Aufnahme von Strahlungsenergie
Reflexion	Zurückwerfen von Strahlung
Transmission	Durchgang von Strahlung
Emissionsgrad	Vergleichswert zur Strahlung eines Schwarzen Körpers
Thermografie	Bildliche Darstellung von Infrarotstrahlung
Kelvin	Einheit der absoluten Temperatur
Vakuum	Raum ohne materielles Übertragungsmedium

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Beschreibung
Wärmestrahlung	Energieübertragung durch elektromagnetische Strahlung
Wärmeleitung	Energieübertragung durch Teilchenwechselwirkungen ohne Stofftransport
Konvektion	Energieübertragung durch strömende Flüssigkeiten oder Gase
Absorption	Aufnahme eintreffender Strahlung
Reflexion	Zurückwerfen eintreffender Strahlung

Kreuzworträtsel

Infrarot	In welchem unsichtbaren Spektralbereich liegt die Wärmestrahlung bei Zimmertemperatur überwiegend?
Emission	Wie heißt die Aussendung von Strahlung?
Absorption	Wie heißt die Aufnahme von Strahlungsenergie?
Thermografie	Wie heißt das bildgebende Verfahren mit Infrarotstrahlung?
Vakuum	Wodurch kann sich Wärmestrahlung ohne materielles Medium ausbreiten?
Emissionsgrad	Welche Größe beschreibt die Strahlungsfähigkeit einer Oberfläche?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Wärmestrahlung ist eine Form der Strahlung. Sie kann sich auch im ausbreiten. Ein Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts sendet ständig aus. Die Aufnahme von Strahlung heißt . Eine matt schwarze Oberfläche besitzt häufig einen hohen . Im Stefan-Boltzmann-Gesetz wird die Temperatur in eingesetzt. Mit steigender Temperatur wandert das Strahlungsmaximum zu kürzeren . Eine Wärmebildkamera erfasst überwiegend .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Wärmequellen im Alltag: Fotografiere oder skizziere drei Situationen, in denen Du Wärmestrahlung vermutest, und begründe Deine Auswahl.
2. Begriffsnetz Wärmestrahlung: Erstelle ein Begriffsnetz mit Emission, Absorption, Reflexion, Temperatur und Infrarot.
3. Wärmebildfarben: Entwirf eine Legende für ein falsches Wärmebild und erkläre, warum die Farben künstlich sind.
4. Wärmeübertragung vergleichen: Ordne fünf Alltagssituationen Wärmeleitung, Konvektion oder Wärmestrahlung zu.

Standard

1. Dosenexperiment: Plane einen fairen Versuch zum Erwärmen einer schwarzen und einer glänzenden Dose. Formuliere Hypothese, Variablen und Messplan.
2. Abkühlkurve: Miss die Abkühlung zweier Gefäße, stelle die Daten in einem Diagramm dar und deute den Verlauf.
3. Thermografie im Gebäude: Untersuche Beispielbilder eines Gebäudes und nenne mögliche Wärmebrücken sowie Grenzen der Messung.
4. Rettungsdecke: Erkläre mit Emission und Reflexion, warum eine metallisierte Rettungsdecke den Strahlungsaustausch beeinflusst.

Schwer

1. Stefan-Boltzmann-Modell: Berechne für eine gewählte Fläche die Nettostrahlungsleistung bei zwei Temperaturen und prüfe die Größenordnung.
2. Emissionsgrad bestimmen: Entwickle ein Vergleichsverfahren, mit dem sich der Emissionsgrad einer unbekannten Oberfläche näherungsweise untersuchen lässt.
3. Strahlungsbilanz der Erde: Erstelle ein vereinfachtes Modell aus einfallender Sonnenstrahlung, Reflexion und abgegebener Infrarotstrahlung.
4. Erklärvideo Wärmestrahlung: Produziere ein kurzes Video, das einen Versuch zeigt, Messfehler erklärt und die Ergebnisse fachsprachlich auswertet.

Lernkontrolle

1. Versuchsplanung Wärmestrahlung: Zwei Gruppen erhalten unterschiedliche Messergebnisse beim Dosenexperiment. Entwickle Kriterien, mit denen Du prüfst, welches Ergebnis zuverlässiger ist.
2. Wärmebildanalyse: Eine polierte Metallplatte erscheint in einem Wärmebild sehr heiß. Erkläre mindestens zwei mögliche Ursachen und plane eine Kontrollmessung.
3. Temperaturvergleich: Begründe ohne vollständige Rechnung, warum ein Körper bei 600 Kelvin deutlich mehr als doppelt so stark strahlt wie bei 300 Kelvin.
4. Oberflächenwahl: Entscheide, welche Oberfläche für einen Solarkollektor und welche für eine Thermoskanne geeignet ist. Begründe mit Absorption, Emission und Reflexion.
5. Nächtliche Abkühlung: Erkläre, warum eine klare Nacht häufig stärkere Abkühlung ermöglicht als eine bewölkte Nacht.
6. Modellkritik: Beurteile, wann das Abstandsgesetz $I\sim 1/r^2$ für eine Wärmelampe sinnvoll ist und wann nicht.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du

1. Wärmestrahlung von Wärmeleitung und Konvektion unterscheiden kannst,
2. Emission, Absorption, Reflexion und Transmission korrekt verwendest,
3. den Einfluss von Temperatur und Emissionsgrad erklärst,
4. Stefan-Boltzmann- und Wien-Gesetz auf einfache Situationen anwendest,
5. Versuche fair planst, Messdaten auswertest und Fehlerquellen benennst,
6. Wärmebilder sowie Anwendungen in Technik und Klima kritisch beurteilst.

Verknüpfte Lernbereiche

Wärmestrahlung - Physik Wärmeübertragung Wärmeleitung Konvektion Infrarotstrahlung Elektromagnetisches Spektrum Schwarzer Körper Emissionsgrad Stefan-Boltzmann-Gesetz Wiensches Verschiebungsgesetz Thermografie Treibhauseffekt