Wärmestrahlung

Alle Stoffe emittieren Wärmestrahlung

Die Wärmestrahlung ist eine von drei Arten, wie thermische Energie transportiert (Wärmetransport) bzw. von einem System auf das andere System übertragen werden kann.

Der grösste Vorteil der Wärmestrahlung ist, dass sie nur Sichtkontakt braucht. Sie ist die einzige Art des Wärmetransports, die auch im Vakuum noch funktioniert, z.B. im Weltall.

Die Sonnenstrahlung, die unsere Erde mit lebenswichtiger Energie versorgt, ist Wärmestrahlung. Die Oberfläche der Sonne hat eine Temperatur von rund 5’800 K, was eine Wärmestrahlung gibt, die viel Infrarot (IR), aber auch alle Regenbogenfarben und Ultraviolett (UV) beinhaltet.

Nicht nur die Sonne gibt Wärmestrahlung ab. Wir auch, denn wirklich alle Stoffe emittieren Wärmestrahlung, unabhängig von ihrem Aggregatzustand und ihrer Temperatur.

Die Wärmestrahlung wird ab einer Temperatur von ca. 550 °C sichtbar als rotes Glühen, das wir z.B. in der Glut sehen oder wenn ein Stück Metall sehr heiss ist.

Auch unser Körper “leuchtet” innen und aussen, jedoch ausschliesslich im Infrarot, so dass wir dieses Leuchten nicht sehen.

Mit spezieller Technik (IR-Kamera, Nachtsichtgeräte etc.) kann die Infrarotstrahlung sichtbar gemacht werden.

Absorption / Emission und thermisches Gleichgewicht

Wenn jeder Körper Wärmestrahlung abgibt, würden alle Energie verlieren und dadurch abkühlen. Das stimmt auch, aber alle Körper absorbieren auch die Wärmestrahlung, die sie von ihrer Umgebung erhalten.

Wir benutzen folgendes Gedankenexperiment:

Ein Stein, den wir irgendwo auffinden, hat die Umgebungstemperatur. Er war ja mit dem Boden in Kontakt, so dass sich die Teilchenbewegungen sich gegenseitig ausgleichen konnten.

Selbst ohne Kontakt zum Untergrund hätte er die Umgebungstemperatur angenommen, denn er hätte seine Energie abgestrahlt und sich dadurch abgekühlt. Gleichzeitig hätte ihn die Umgebung angestrahlt und er hätte seinen Energieverlust wieder wettgemacht.

Sobald ein Stoff oder System die gleiche Temperatur hat, wie seine Umgebung, gibt er/es gleich viel Wärme an die Umgebung ab, wie er/es von ihr absorbiert. Der Stoff/das System ist im thermischen Gleichgewicht.

Würden wir den Stein ins Weltall schiessen, dann würde er nur noch abstrahlen, nichts mehr zurückbekommen und dadurch immer mehr thermische Energie verlieren und abkühlen. Der Stein würde aber nicht den absoluten Temperaturnullpunkt erreichen, denn im Weltall gibt es viele Strahlungsquellen. Ausserdem ist das “Schwarze” des Weltalls nicht ganz schwarz. Der Hintergrund strahlt mit der sog. Hintergrundstrahlung, die einer Temperatur von ca. 4 K entspricht.

Zusammensetzung der Wärmestrahlung

Wärmestrahlung ist immer ein Gemisch von verschiedenen Wellenlängen. Wir sprechen dabei von einer bestimmten Wellenlängenverteilung (siehe dazu das Wien’sche Verschiebungsgesetz).

Wenn wir die Wärmestrahlung eines Körpers empfangen, können wir anhand des Spektrums der Strahlung, d.h. ihrer Zusammensetzung auf die Temperatur des Körpers rückschliessen. Auf diese Weise können wir z.B. die Oberflächentemperatur von Sternen bestimmen.

Stärke der Wärmestrahlung

Neben der Zusammensetzung ist auch die Stärke oder Intensität 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.

Wir erkennen das im obigen Diagramm, wo die Verteilungen steigende Temperaturen nicht nur nach links (kürzere Wellenlänge), sondern auch nach oben (höhere Intensität) sich verschieben.

Nehmen wir wieder unseren Stein als Gedankenexperiment. Wenn er aus dem Weltall mit 4 K Temperatur wieder auf die Erde fällt, wird er in der Atmosphäre durch Reibung stark erhitzt.

Angenommen, er fällt als Meteorit auf den Boden. Natürlich wird er sich durch Wärmeleitung (Kontakt mit dem Boden) abkühlen. Er wird aufgrund seiner höheren Temperatur stärker Wärmestrahlung abgeben als die Umgebung. Somit kann er nicht soviel Wärmestrahlung von der Umgebung absorbieren, wie er abstrahlt und er kühlt sich ab, bis er die Umgebungstemperatur erreicht hat.

Wärmestrahlungshaushalt der Erde

Die Sonne ist eine grosse Kugel aus Plasma. Ihre Temperatur ist so gross, dass die Moleküle ionisiert worden sind und Valenzelektronen abgegeben haben.

Was wir als weisses Licht sehen, ist die Wellenlängenverteilung, die der Temperatur von 5’800 K entspricht: Ein Gemisch von Licht mit verschiedenen Wellenlängen (Regenbogenfarben + UV + IR).

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.