Wärmestrahlung

Hallo ihr Profis :wink:

Ich habe vor nem Jahr ne Ausbildung gemacht und hatte fürs Fachabi Physik. Da kamen wir auch auf das Thema Wärme. Bei diesem Thema hatte ich aber einen Hänger und mein Lehrer (Referendar) konnt es mir auch nicht wirklich erklären.

Mir ist klar, warum eine Fläche, die schwarz ist, wärmer wird als z.B eine weiße Fläche, wenn sie mit Licht bestrahlt werden.

Nun hatten wir einen Metallwürfel, in den wir warmes Wasser gefüllt haben. Die eine Seite des Würfels war schwarz gestrichen und die andere weiß. Und schau an, die Seite, die schwarz gestrichen war hat mehr Wärme abgegeben wie die Weiße.

DAS VERSTEH ICH NICHT.

Mir ist zwar klar, dass es so sein muss, aber warum ist es so.
Wenn es nicht so wäre würde ja ein Körper der bestrahlt wird sich immer weiter aufwärmen. Das geht natürlich nicht.

Die Antwort von meinem Lehrer: DAS IST HALT SO

Oje ich habe diesen Satz schon so oft von den Lehrern gehört. Na ja. In meinem Abi hab ich dann die beste Mündliche Prüfung der letzten 12 Jahren hingelegt.

Ich nehme stark an, das mir das hier jemand erklären kann. Dürft ja echt nicht soo schwer sein.

Ulli

Hallo,

Mir ist klar, warum eine Fläche, die schwarz ist, wärmer wird
als z.B eine weiße Fläche, wenn sie mit Licht bestrahlt
werden.

gut.

Nun hatten wir einen Metallwürfel, in den wir warmes Wasser
gefüllt haben. Die eine Seite des Würfels war schwarz
gestrichen und die andere weiß. Und schau an, die Seite, die
schwarz gestrichen war hat mehr Wärme abgegeben wie die Weiße.

Also zuerst würde ich gerne erfahren, wie ihr das gemessen habt.
So ganz glaube ich das in diesem Fall nicht. Den Anteil an Energie, der dem Wasser wirklich durch IR-Strahlung verlorengeht, würde ich bei „warmen Wasser“ doch als eher gering einschätzen. Also sollte auch die Farbe, mit der bestrichen wurde, ziemlich gleichgültig sein.

=> Effekt beruht vielleicht auf Wärmeleitfähigkeit der Farbe.

=> Effekt beruht auf Bestrahlung „von aussen“.

DAS VERSTEH ICH NICHT.

ich auch nicht.

Mir ist zwar klar, dass es so sein muss, aber warum ist es so.
Wenn es nicht so wäre würde ja ein Körper der bestrahlt wird
sich immer weiter aufwärmen. Das geht natürlich nicht.

Ein Körper kann sich maximal bis zur Temperatur der Strahlungsquelle aufheizen. Dann gibt der Körper diesselbe Leistung durch Strahlung ab, die er aufnehmen kann => kein Perpetuum Mobile 2.Art.

ciao
ralf

Hallo ralf,

Mir ist klar, warum eine Fläche, die schwarz ist, wärmer wird
als z.B eine weiße Fläche, wenn sie mit Licht bestrahlt
werden.

gut.

Nun hatten wir einen Metallwürfel, in den wir warmes Wasser
gefüllt haben. Die eine Seite des Würfels war schwarz
gestrichen und die andere weiß. Und schau an, die Seite, die
schwarz gestrichen war hat mehr Wärme abgegeben wie die Weiße.

Also zuerst würde ich gerne erfahren, wie ihr das gemessen
habt.
So ganz glaube ich das in diesem Fall nicht. Den Anteil an
Energie, der dem Wasser wirklich durch IR-Strahlung
verlorengeht, würde ich bei „warmen Wasser“ doch als eher
gering einschätzen. Also sollte auch die Farbe, mit der
bestrichen wurde, ziemlich gleichgültig sein.

Die schwarze Seite wird natürlich etwas kälter sein als die Weisse.

Bei eloxierten Elektronik-ALU-Kühlkürpern (Blank/Schwarz) ist der Unterschied im Wärme-Wiederstand atwa 15-20%. Aus technischen Gründen bleibt man da weit unter dem Siedepunkt des Wassers.

=> Effekt beruht vielleicht auf Wärmeleitfähigkeit der
Farbe.

=> Effekt beruht auf Bestrahlung „von aussen“.

Dann müsste ja die schwarze Seite wärmer sein als die Weisse, was sicher nicht der Fall war.

DAS VERSTEH ICH NICHT.

ich auch nicht.

Mir ist zwar klar, dass es so sein muss, aber warum ist es so.
Wenn es nicht so wäre würde ja ein Körper der bestrahlt wird
sich immer weiter aufwärmen. Das geht natürlich nicht.

Ein Körper kann sich maximal bis zur Temperatur der
Strahlungsquelle aufheizen. Dann gibt der Körper diesselbe
Leistung durch Strahlung ab, die er aufnehmen kann => kein
Perpetuum Mobile 2.Art.

Hier zäummst du das Pferd von hinten auf!
Jeder Körper mit einer Temperatur über 0K strahlt Energie ab! Wenn er sich in einer Umgebung befindet welche wärmer ist, als er selbst, so giebt er weniger Energie ab als er aufnimmt und wird somit wärmer.
Auch wenn sich ein System im Gleichgewicht befindet findet innerhalb des System dauernd ein Energieaustausch statt, welchen man als Rauschen beobachten kann (Nennt sich in der Thermodynamik Braunsche-Bewegung).

Wenn du das mit den 0K nicht glaubst, dann frage mal deine Kollegen von der Astrophysik wie die die Hintergrundstrahlung von ca 3K messen.

MfG Peter(TOO)

Hallo Ulli,

Mir ist klar, warum eine Fläche, die schwarz ist, wärmer wird
als z.B eine weiße Fläche, wenn sie mit Licht bestrahlt
werden.

Scheinbar doch nicht ganz.

Nun hatten wir einen Metallwürfel, in den wir warmes Wasser
gefüllt haben. Die eine Seite des Würfels war schwarz
gestrichen und die andere weiß. Und schau an, die Seite, die
schwarz gestrichen war hat mehr Wärme abgegeben wie die Weiße.

DAS VERSTEH ICH NICHT.

Zuerst müssen wir einmal die zwei verschiedenen „Arten“ von Wärme bzw. Temperatur, defininieren.

Einerseits gibt das da die „kinetische Form“, welche sich in Form von Bewegung zeigt (Braunsche Bewegung). Im gegensatz zum Menschen, zittert ein Atom umso mehr, je wärmer es hat. Eigentlich ist das was wir allgemein als Temperatur eines Körpers bezeichnen, ein Mass für das „Zittern“ der Atome. Somit ist diese Form von Temperatur immer an einen Körper, bzw. ein Atom gebunden.

Andererseits gibt es eine „Körperlose Form“ der Wärme welche als Wärmestrahlung bezeichnet wird und durch Photonen übertragen wird.

Wenn jetzt Photonen auf eine Fläche treffen werden sie teilweise absorbiert und in kinetische Energie umgewandelt. Eine schwarze Fläche begünstig diese Umwandlung.

Bis hierher war dir ja alles noch klar.

Eine Schwarze Fläche begünstigt aber auch den umgekehrten Prozess, also die Umwandlung von Kinetischer- in Strahlung-Energie.
Das ist das gabze Geheimnis !

Somit sollte jetzt alles klar und die Physik immer noch schön symetrisch sein.

MfG Peter(TOO)

Hallo Peter,

So ganz glaube ich das in diesem Fall nicht. Den Anteil an
Energie, der dem Wasser wirklich durch IR-Strahlung
verlorengeht, würde ich bei „warmen Wasser“ doch als eher
gering einschätzen. Also sollte auch die Farbe, mit der
bestrichen wurde, ziemlich gleichgültig sein.

Die schwarze Seite wird natürlich etwas kälter sein als die
Weisse.

Naja, nicht unbedingt. Im IR-Bereich koennten beide Seiten gleich stark strahlen. Was sie auch meistens tun. Wenn es dumm kommt, nimmst Du Flaechen, die bei Zimmertemperatur bzw. bei warmen Wasser genau dort im IR lieber abstrahlen aufgrund von entsprechenden Anregungsenergien, wo das Maximum der spektralen Intensitaetsverteilung der schwarzen Strahlung liegt. Auch wenn es dann natuerlich keine Schwarzkoerperstrahlung ist, so dass gar die weisse Seite im optischen Bereich schneller durch Strahlung auskuehlen koennte.

viele Gruesse, Peter

Hallo Peter,

dito

Naja, nicht unbedingt. Im IR-Bereich koennten beide Seiten
gleich stark strahlen. Was sie auch meistens tun. Wenn es dumm
kommt, nimmst Du Flaechen, die bei Zimmertemperatur bzw. bei
warmen Wasser genau dort im IR lieber abstrahlen aufgrund von
entsprechenden Anregungsenergien, wo das Maximum der
spektralen Intensitaetsverteilung der schwarzen Strahlung
liegt. Auch wenn es dann natuerlich keine
Schwarzkoerperstrahlung ist, so dass gar die weisse Seite im
optischen Bereich schneller durch Strahlung auskuehlen
koennte.

Was hat eine schwarze Fläche mit einem Schwarzkörper zu tun? Ich dachte immer, dieser Ausdruck wird nur in Zusammenhang mit irgendwelche „Gravitationsöfen“ (Sonne) benutzt?

fragt:
Frank

Hallo Ulli!

Weiße Flächen sind deswegen weiß, weil sie so ziemlich das gesamte eingestrahlte Licht einfach wieder reflektieren. Sie sind heller als schwarze Flächen.
Schwarze Flächen sind dunkler. Sie reflektieren das Licht im Idealfall gar nicht. Wo ist es also hingekommen? Die Energie wird absorbiert. Sie wird verwendet, um Elektronen im schwarzen Gegenstand von einem niedrigeren in ein höheres Niveau zu heben. Dabei hopsen die Elektronen nicht nur genau eine Linie hinauf, sondern gleich mehrere auf einmal - Das Licht hat genug Energie dafür. Zurück gehen sie aber auf Umwegen, machen kleinere Sprünge.
Diese kleineren Niveaudifferenzen bedeuten niedrigere abgestrahlte Energie und Wärmestrahlung - Infrarot - sind eben Wellen von niedrigerer Energie als sichtbares Licht.

LiGrü
Igel

Link…
http://www.quantenwelt.de/quantenmechanik/historisch…

Hoffe zur Aufklärung beizutragen

Gruß
Mike

1 Like

Hallo,

Ein Körper kann sich maximal bis zur Temperatur der
Strahlungsquelle aufheizen. Dann gibt der Körper diesselbe
Leistung durch Strahlung ab, die er aufnehmen kann => kein
Perpetuum Mobile 2.Art.

Hier zäummst du das Pferd von hinten auf!

nein es ist nur eine andere Betrachtungsweise dessen, was Du unten ausführst. Man kann auf der Erde einen Körper rein durch Sonnenlicht nicht auf eine Temperatur bringen, die über der Temperatur der Sonne liegt (nachzulesen etwa im Thermodynamik Fließbach). Und daran ist der 2.HS der Thermodynamik schuld.
Es ist nicht möglich mit einer Maschine (die nach einem Zyklus im selben Zustand ist wie zuvor) beliebig Wärmeenergie von einem Reservoir ins andere zu pumpen. Sprich eine beliebig hohe Temperatur in einem Reservoir zu erzeugen.
Und dabei ist es eben nicht von Belang wie der Kontakt zwischen den beiden Systemen aussieht. Ob in Form von Strahlung, Übertrag kin. Energie oder was auch sonst…

ciao
ralf

Hallo Frank,

Was hat eine schwarze Fläche mit einem Schwarzkörper zu tun?
Ich dachte immer, dieser Ausdruck wird nur in Zusammenhang mit
irgendwelche „Gravitationsöfen“ (Sonne) benutzt?

p.s.s. a propopos gravitationsofen, weil mir dies zum zweiten mal auffaellt bei dir. die gravitation haelt zwar die sonne zusammen wider den enormen strahlungsdruck, sie erzeugt ihre energie aber durch fusion. nur zu ihrem anfang und ihrem ende hin fuer viele hundertausend respektive fuer wenige minuten bedient sie sich der gravitation um thermische und bewegungsenergie zu gewinnen, den rest der jahrmilliarden ist es aber die fusion. fusionsreaktoren auf der erde bedienen sich ja auch nicht der gravitation, arbeiten aber nach dem gleichen prinzip wie die sonne, auch wenn es im innern von fusionsreaktoren viel viel heisser ist als im innnern der sonne. *zwinker* wirklich heiss :smile:

Hallo Frank,

naja, also da waere der schwarze Koerper zunaechst einmal als solcher selbst.
Dieser hat die Eigenschaft seiner Temperatur entsprechend zu strahlen wie das
Plancksche Strahlungsgesetz besagt:

Rho(Ny,T)*dNy=8*Pi*h*Ny3c-3/[exp(h*Ny/k/T)-1]dNy

Ny Frequenz
T Temperatur
Rho Energiedichte
h h-planck
c c-licht
k Boltzmannkonstante
Pi 3.1415927blabla*g*
exp andere schreibweise wie „e hoch blabla“

das Maximum der abgestrahlten Energie pro Frequenz liegt bei:
Ny-max=2.82k/h*T=5.88*1010T
Wiensches Verschiebungsgesetz
der mensch hat so was wie 300 kelvin, die sonnenoberflaeche wie 6000 kelvin,
kann man prima rechnen, wo, in welchem frequenzbereich die meiste
energie abgestrahlt wird.
das ist alles waermestrahlung und nicht irgendwelche spez. absorptionslinien
respektive spez. emissionslinien.

die gesamte abgestrahlte energie pro zeit oder leistung eines schwarzen koerpers steigt uebrigens mit der vierten potenz der temperatur. ein 630 grad celsius heisses stueck eisen strahlt also 24=16 mal so viel energie ab, wie ein 30 grad celsius warmes stueck metall (nullpunkt bei -273.15 grad celsius = 0K wie gehabt), weil grad doppelt so warm. bei 1230 grad celsius zu 30 grad celsius ist der faktor halt 54=625 und man bekommt warme backen im meterabstand.

Nun kommen wir zur Sache selbst:
Ein Ding, dass in einem Bereich eines elekromagnetischen Bandes als „schwarz“
erscheint, sprich angeleuchtet wird mit beispielsweise Licht im optischen
Bereich und dieses nicht oder nicht sonderlich reflektiert, ist normalerweise auch in diesem Frequenzband ein mehr oder weniger guter schwarzer Strahler. Normalerweise!!! Metalle zum Beispiel reflektieren EM-Wellen im optischen Bereich deshalb so gut, weil sie aufgrund der hohen Anzahl freier Ladungstraeger eine entsprechend hohe Plasmafrequenz aufweisen, grad halt so, dass Licht im optischen Bereich schlicht nicht eindringen kann, auch nicht unbedingt (nicht zwingend) von Atomen oder Ionen im Metall absorbiert wird, sondern vom Metallplasma zurueckgeworfen wird. (Ok, dieser Einschub in die Plasmaphysik und Plasmafrequenzen geht fuer die Frage viel zu weit). Da ist also die Ausnahme, ein Metall muss keine AbsorbtionsEmissionslinien haben in einem EM-Band, kann viel reflektieren und doch ein guter schwarzer Strahler in diesem Band sein.

in kuerze noch einmal:
was dem planckschen strahlungsgesetz in einem EM-Band folgt, dort also keine wesentlichen spez. emissionslinien hat bei irgendwelcher temperatur, ist dort auch ein guter schwarzer strahler, strahlt dort in guter naeherung auch wie ein schwarzer koerper rein thermisch, ist dort, bis auf zahlreiche spezielle ausnahmen, dort auch schwarz im sinne dessen, dass er dort kein Licht reflektiert und alles auch vice versa alles aufgerollt.

eine schwarze flaeche und eine weisse flaeche bei zimmertemperatur fuer unser bescheidenes auge respektive strahlen ihr maximum im IR aus und nicht im optisch sichtbaren bereich. im IR-Bereich koennten aber beide gleich gut strahlen oder gar die weisse flaeche besser strahlen, so dass eine weisse flaeche sogar schneller kuehlen koennte. anders in der sonne, da liegt das maximum der energieeinstrahlung pro frequenz im gruenen bzw. im optischen. schwarz ist hier aber schwarz (mal die farbe und mal die optisch-physikalische eigenschaft schwarz), daher wird sich schwarz schneller und waermer aufwaermen. das war der strittige punkt, den ich bei peter goetz ausmachte.

nun bin ich nicht unbedingt ein physiker in der optik und schon gar keiner in der didaktik. gebe keine gewaehr auf vollstaendigkeit, verstaendniss und schusselfehler *zwinker*

ansonsten siehe den link von mike, vielen dank mike, dort ist bereits vieles gesagt.

ach ja, p.s.
schwarze koerper und der begriff sind oft erwuenscht in der physik, man verwendet den begriff nicht nur auf wirklich heisse und grosse dinge wie die sonne beispielsweise.

viele gruesse, peter

Hallo Peter,

Mike hatte es schon beantwortet - hab sxchwarzer Körper mit schwarzem Strahler verwuchselt. Macht nix.

nun bin ich nicht unbedingt ein physiker in der optik und
schon gar keiner in der didaktik. gebe keine gewaehr auf
vollstaendigkeit, verstaendniss und schusselfehler *zwinker*

Und genau da liegt das Problem für das Verständnis dessen, was ich rüberbringen will. Schau mal ins Nawibrett, auf diese Weise läßzt sich nämlich die Welt auch noch darstellen. Und das ohne Verletzung von Erhaltungssätzen.Deshalb „Gravitationsofen“, weil füt Gravitation verantwortlich.

Aber jetzt bitte nicht nerven damit, ich versuchs mal vernünftoig darzustellen, darfst dann gerne deine Erfahrungen einbringen.

Gruß
Frank

Hallo,

Nun hatten wir einen Metallwürfel, in den wir warmes Wasser
gefüllt haben. Die eine Seite des Würfels war schwarz
gestrichen und die andere weiß. Und schau an, die Seite, die
schwarz gestrichen war hat mehr Wärme abgegeben wie die Weiße.

DAS VERSTEH ICH NICHT.

Da gibts nicht viel zu verstehen, alles Zufall. Dass die Fläche schwarz ist, heißt doch nur, dass sie im OPTISCHEN (!) Bereich mehr Strahlung emittiert und absobiert. Da das warme Wasser aber im Infrarotbereich abstrahlt, hat das überhaupt keine Konsequenz. Bei eurem Körper hat eurer Lehrer Glück gehabt, dass der Körper im IR-Bereich offensichtlich auch mehr Wärme abstrahlt. Das ist zwar oft so, muss aber nicht sein, es gibt bestimmt auch Körper, die zwar optisch schwarz sind, aber im IR-Bereich schlechter abstrahlen als ein optisch weißer.

Gruß
Oliver