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Warmeubertragung


Wärmeübertragung


  • Direkt  (Mischen zweier Medien)
  • Indirekt                                (Heizkörper, Kühler) getrennt durch Wand

  • Stationär                              (Temperatur = const.)
  • Instationär                           (Temperatur const.)




  • Wärmeleitung                     (in fest, flüssigen oder gasförmigen Medien)
  • Wärmeströmung                (Konvektion)
  • Wärmestrahlung                 (besitzt keinen "Leiter")


Wärmestrahlung


Hier erfolgt der Wärmeaustausch zwischen den Körpern kein materieller Träger vorhanden ist also auch durch das Vakuum.

Die Wärmestrahlung ist auch vorhanden, wenn zwischen den Körpern keine Temperaturdifferenz besteht.

Man spricht auch von Wärmestrahlung bei einem Körper dessen Temperatur niedriger ist als seine Umgebungstemperatur, man spricht aber dann nicht von Kältestrahlung(gibt's nicht)


Versuch 1:

Dies zeigt einen einfachen Versuch. Zwei Parabolspiegel stehen sich gegenüber. Im Brennpunkt des einen befindet sich ein Stück Eis, im Brennpunkt des anderen die Quecksilberkugel eines Thermometers. Die Temperatur des Thermometers beginnt sofort zu sinken, nachdem beide Parabolspiegel gegeneinander gestellt sind. Hieraus könnte leicht- fertig und fälschlicherweise der Schluss gezogen werden, dass es eine Kältestrahlung gäbe. In Wirklichkeit aber strahlt die Quecksilberkugel stärker als das Eisstück, wodurch sich das Thermometer abkühlt und das Eis an der Oberfläche etwas schmilzt.


Versuch 2:

Für die Demonstration der Wärmeübertragung durch Strahlung eignet sich auch gut die folgende Abänderung des Versuchs: Im Brennpunkt des einen Parabolspiegels befindet sich eine Autolampe, im Brennpunkt der anderen ein Streichholz. Bei guter Justierung gelingt es leicht, das Streichholz in einer Entfernung von 20 m durch Einschalten der Autolampe zu entzünden. Die Entzündung erfolgt allerdings erst nach einiger Zeit, wenn die erforderliche Temperatur erreicht ist. (Für den Ver- such sind Autoscheinwerfer ausreichend.)



Die Wärmestrahlung ist wie das Licht eine elektromagnetische Strahlung. Die Wellenlänge der Wärmestrahlung ist etwas größer als die des sichtbaren Lichtes und beträgt etwa 0,8 - 100 mm. Wird in einem Spektralapparat weißes Licht, z. B. Sonnenlicht, in sein Spektrum zerlegt, so treten die nicht sichtbaren Wärmestrahlen immer auf der langwelligen Seite des Spektrums, also im Anschluss an das rote Licht, auf. Dieser Bereich des Spektrums heißt deshalb auch Infrarot oder Ultrarot.

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass nicht nur die Infrarotstrahlung, sondern auch das sichtbare und ultraviolette Licht wie überhaupt jede Art von Strahlungsenergie eine Erwärmung des Körpers hervorruft, der von der Strahlung getroffen wird und der die Strahlung absorbiert.


(Man bezeichnet die Strahlung, die ein Körper aufgrund seiner Temperatur emittiert, als Temperaturstrahlung. Jeder Körper emittiert bei jeder Temperatur über 0 Kelvin Strahlung)


Die dabei abgestrahlte Energie wächst mit der vierten Potenz der Temperatur an. Die von einer Fläche A mit der Temperatur T abgestrahlte Wärmeenergie pro Zeiteinheit ist durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz gegeben


Q = A * s e * T4



mit der Stefan-Boltzmann Konstante s (auch Strahlungskonstante des schwarzen Körpers genannt)


s = 5,67*10-8 W/m²*K4



Der Emissionsgrad e < 1 ist eine dimensionslose Größe, die stark vom Material und von der Oberflächenbeschaffenheit des strahlenden Körpers sowie von seiner Temperatur abhängt. Sehr heiße Körper leuchten auch im sichtbaren Wellenlängenbereich (Anwendung: Glühlampen). Die Strahlungsleistung der Sonne mit der Oberflächentemperatur von ca. 6000 K beträgt durchschnittlich 3,86*1026 K.



Kerze (1400°c)

  • Wärmestrahlung 99%
  • Licht 1%

Glühbirne (2500°c)

  • Wärmestrahlung 95%
  • Licht 5%


Sonnenlicht (Entfernung 1,45*108km)

  • Ultraviolettstrahlung (nicht sichtbar) 7%
  • Licht (sichtbar) 47%
  • Wärmestrahlung Infrarotlicht (nicht sichtbar) 46%



Die Strahlungsdichte des Sonnenlichtes, das auf die Erde auftrifft, ist durch die Solarkonstante So standardisiert:

So = 1,369*10^3 W/m²

Wärmeübertragung




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Wärmeleitung

Wärmeströmung    (Konvektion)

Wärmestrahlung












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