Wärmestrahlung

Beim Wärmetransport sind wir bisher immer auf Bedingungen gestossen, die erfüllt sein müssen, damit der Wärmetransport stattfinden kann. Konvektion ist nur möglich, wenn ein Stoff den Transport übernimmt und Wärmeleitung braucht den physischen Kontakt, um die Teilchenbewegungen übertragen zu können. Die dritte Art des Wärmetransports ist die Wärmestrahlung und sie braucht nur den Sichtkontakt. Sie ist die einzige Art des Wärmetransports, die auch im Vakuum noch funktioniert.

Absorption / Emission

Wenn ein Würfel in einem Bad eingetaucht ist, dann wird er nach einer gewissen Zeit die gleiche Temperatur haben wie das Bad. Sobald beide Körper die gleiche Temperatur haben, sind sie in [[thermodyn_gleichgewicht|thermodynamischen Gleichgewicht]]. In diesem Gleichgewicht kriegt der Würfel gleich viel Wärme wie er abgibt: Der Netto-Wärmestrom ist null.

Genauso verhält es sich mit [[teilchenmodell|Teilchen]] in einem Körper drin. Zwischen den Teilchen hat es ja Vakuum, d.h. der Sichtkontakt ist gegeben, auch wenn wir im Material drin sind. In einem nicht-transparenten Material wird die Wärmestrahlung natürlich nicht weit kommen, sondern sie wird von einem anderen Teilchen absorbiert werden. Jede Emission ist ein Energieverlust, jede Absorption ein Energiegewinn. Im thermodynamischen Gleichgewicht, emittieren die Teilchen gleich viel Wärmestrahlung, wie sie von ihrer Umgebung aufnehmen – netto gesehen bleibt ihre Energie konstant. An der Oberfläche des Körpers wird die Wärmestrahlung abgegeben, nicht aber mehr absorbiert, d.h. der Körper strahlt Wärmestrahlung an seiner Oberfläche ab.

Zusammensetzung der Wärmestrahlung

Jeder Körper gibt Wärmestrahlung ab. Die abgegebene Wärmestrahlung ist ein Gemisch von verschiedenen Wellenlängen. Genau wie bei der Geschwindigkeit der Teilchen, kann auch hier einer bestimmten Temperatur nicht eine einzige Wellenlänge zugeordnet werden. Viel mehr entspricht eine Temperatur einer bestimmten Wellenlängenverteilung. Wenn wir die Wärmestrahlung eines Körpers empfangen, können wir anhand des Spektrums der Strahlung, d.h. ihrer Zusammensetzung die Temperatur des Körpers bestimmen. Auf diese Weise können wir die Oberflächentemperatur von Sternen bestimmen (siehe dazu das Wien’sche Verschiebungsgesetz).

Stärke der Wärmestrahlung

Neben der Zusammensetzung ist auch die Stärke der Wärmestrahlung von der Temperatur abhängig. Das nach den österreichischen Physikern Josef Stefan und Ludwig Boltzmann benannte Stefan-Boltzmann-Gesetz besagt, dass die abgestrahlte Leistung der Wärmestrahlung mit der Temperatur sehr stark zunimmt.

Ein Körper, der bestrahlt wird, nimmt durch diese Strahlung Wärme auf und steigert damit seine innere Energie. Die Temperatur steigt. Weil dieser Körper aber selber Wärmestrahlung abgibt, nimmt seine Temperatur nur solange zu, wie die zugeführte Wärme, die selber abgestrahlte Wärme übersteigt. Sobald die zugeführte Wärme gleich ist, wie die abgeführte Wärme, haben wir ein thermodynamisches Gleichgewicht.

Wird der Körper stärker bestrahlt, so erhöht er seine Temperatur. Gemäss dem Stefan-Boltzmann-Gesetz nimmt damit auch die Stärke seiner Wärmestrahlung zu. Damit kann der Körper bald wieder ein Gleichgewicht finden, wenn auch bei einer höheren Temperatur.

Wärmestrahlungshaushalt der Erde

Die Sonne ist ein grosser Gasball. Ihre Temperatur ist aber so gross dass die Moleküle ionisiert worden sind und Elektronen abgegeben haben. So gesehen ist es ein grosser Ball von Plasma.

An der Oberfläche hat die Sonne eine Temperatur von ca. 5800 K. Deshalb strahlt die Sonne die weisse Wärmestrahlung ab, die für diese Temperatur typisch ist. Was wir als weisses Licht sehen, ist ein Gemisch von Licht mit verschiedenen Wellenlängen und damit von Licht in allen Regenbogenfarben.

Mit der Wärmestrahlung schickt uns die Sonne sehr viel Energie zu. Ein Teil der Strahlung wird an der Atmosphäre zurückreflektiert. Der Rest trifft auf die Erde und erwärmt sie auf eine bestimmte Temperatur. Dadurch strahlt die Erde ihrerseits Wärmestrahlung in den Weltraum ab. Dass die Erde auch Wärmestrahlung abstrahlt, können wir daran beobachten, dass die Temperaturen in der Nacht stark sinken. Wegen der niedrigen Temperatur im Vergleich zur Sonne ist das Spektrum der Wärmestrahlung der Erde ausschliesslich im infraroten Bereich und deshalb für uns nicht sichtbar. Über die Zeit ist die Temperatur der Erde im Schnitt konstant, was bedeutet, dass gleich viel Wärme ihr zugeführt wie von ihr abgeführt wird.