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Was ist Wärmestrahlung? Michael Pohlig [email protected] Quelle: Herrmann, Was ist Wärmestrahlung?, PdN-PhiS. 5/54 Jg 2005 Zur Fragestellung Was ist Wärmestrahlung? Wie viel Wärme transportiert Wärmestrahlung? Mehr Licht im Physikunterricht 2015 Zur Fragestellung Literatur: Duden Paetec – Physik – Gymnasiale Oberstufe Mehr Licht im Physikunterricht 2015 S. 369 – Die Übersicht oben zeigt das Absorptionsvermögen der Erdatmosphäre für elektromagnetische Wellen, die „von außen“ auffallen. Zur Fragestellung Literatur: Bermann Schaefer Lehrbuch zur Experimentalphysik Band 1 Mechanik Relativität Wärme Elektromagnetische Strahlung ist ein Energieträger, der mit materiellen Objekten wechselwirken kann und einen Teil seiner Energie in Form von Wärme abgeben kann…. S.1268 Mehr Licht im Physikunterricht 2015 Band 3: Optik Die Absorption infraroten Lichtes führt fast ausschließlich zur Umwandlung der auffallenden elektromagnetischen Strahlungsenergie in Wärme. Deshalb werden die infraroten Strahlen auch Wärmestrahlen genannt. Dieser Ausdruck ist mit etwas Vorsicht gebrauchen, weil nicht nur die infraroten Strahlen eine Erwärmung bei Absorption verursachen. S. 221 Zur Fragestellung • Sonne ist thermischer Strahler, die meiste Energie wird aber im sichtbaren Bereich des Spektrums transportiert. • Die kosmische Hintergrundstrahlung ist thermisch, das Energiemaximum liegt bei einer Wellenlänge von 1mm im Mikrowellenbereich. • Das Plasma eines Fusionsreaktors strahlt im Röntgenbereich und ist ebenfalls thermisch. Mehr Licht im Physikunterricht 2015 BergmannSchaefer, Band 2 Elektromagnetismus S. 323 Zur Fragestellung Schwarzer Strahler Was ist Wärmestrahlung? - Licht in neuem Licht Mehr Licht im Physikunterricht 2015 New York Mai 2006 Zur Fragestellung Schwarzkörperstrahlung f e hf kT −1 j Energiestromdichte f die Frequenz h das Plancksche Konstante c die Lichtgeschwindigkeit k die Boltzmannkonstante T absolute Temperatur Mehr Licht im Physikunterricht 2015 djE 2π h = 2 ⋅ df c 3 Zur Fragestellung Das Spektrum eines nicht schwarzen thermischen Strahlers Mehr Licht im Physikunterricht 2015 Zur Fragestellung Im Prinzip.. • kann man jedes beliebige Spektrum mit einem thermischen Strahler erzeugen. ➢ Einem Spektrum sieht man nicht an, ob es von einem thermischen Strahler stammt oder nicht. Mehr Licht im Physikunterricht 2015 • kann man jedes beliebige Spektrum mit einem nicht thermischen Strahler erzeugen. Auch das Spektrum, das wie das Spektrum eines schwarzen Strahlers aussieht. Zur Fragestellung Woran erkennt man den Wärmetransport? Folgerung: ➢ An der Erwärmung eines Absorbers lässt sich nicht feststellen, ob die absorbierte Strahlung Wärme transportiert. ➢ Dies lässt sich erst entscheiden, wenn man weiß, ob der Strahler abkühlt oder nicht. Mehr Licht im Physikunterricht 2015 • Eine völlig „entropiefreie“ Strahlung, die von einem nicht thermischen Strahler stammt, führt zur gleichen Erwärmung, wie die Strahlung eines schwarzen, thermischen Strahlers, wenn beide gleichviel Energie transportieren und diese vollständig absorbiert werden. Die durch elektromagnetische Strahlung transportierte Wärme Der Begriff Wärme ist zunächst „umgangssprachlich“ besetzt. In einer Wärmflasche steckt Wärme Der Holzofen strahlt Wärme ab. Thermodynamik Plancks und Maxwells Elektrodynamik Welche physikalische Größe deckt sich mit dem Begriff Wärme am besten? Mehr Licht im Physikunterricht 2015 Zwei Arten von Strahlung: Licht und Wärmestrahlung Holzofen: Wärmestrahlung Mond: nur Licht Sonne: Wärmestrahlung und Licht Die durch elektromagnetische Strahlung transportierte Wärme dE dS =T ⋅ dt dt zeitlich Änderung der Energie und der Entropie dE =P dt P =T ⋅ IS dS = I S + ΣS dt ? Wenn Änderung von Energie und Entropie nur durch Ströme Mehr Licht im Physikunterricht 2015 dE = TdS Energieänderung wird Wärme genannt Die durch elektromagnetische Strahlung transportierte Wärme dE dS =T ⋅ dt dt zeitlich Änderung der Energie und der Entropie dE =P dt dS = dt 3 P = T ⋅ IS 4 Wenn Wenn Änderung Änderung von von Energie nur unddurch Entropie I S + Σ S Energie Strom undStröme Entropie nur durch durch Strömen und Erzeugen Gesamtenergiestrom eines schwarzen Strahlers – Es bleibt die Frage: Wie viel Wärme transportiert die Strahlung? Mehr Licht im Physikunterricht 2015 dE = TdS Energieänderung wird Wärme genannt Versuch einer begrifflichen Festlegung T ⋅ IS (2) Wärmestromstärke = 3 ⋅ T ⋅I S 4 (3) Wärmestromstärke = P Welche physikalische Größe als Wärmemaß? Mehr Licht im Physikunterricht 2015 (1) Wärmestromstärke = Entropie als „Wärme“ Sonnenlicht Ist das die Wärme, die man spürt? Ct = 0,22 s Mehr Licht im Physikunterricht 2015 4 P 4 1000W IS = ⋅ = ⋅ 3 T 3 6000K Warum Strahlung wärmt Absorption von Strahlung Mehr Licht im Physikunterricht 2015 Warum Strahlung wärmt Wie viel Entropie wird erzeugt? Pein = Paus 3 TStrahlung ⋅ I S ,ein = TAbsorber ⋅ I S ,aus 4 I S ,erz I S ,ein =1− I S ,aus I S ,aus I S ,ein 4 TAbsorber =1− ⋅ 3 TStrahlung Mehr Licht im Physikunterricht 2015 I S ,erz = I S ,aus − I S ,ein TAbsorber = ⋅ I S ,aus 3 TStrahlung 4 Warum Strahlung wärmt I S ,erz 4 TErde =1− ⋅ I S ,aus 3 TSonne 4 300K =1− ⋅ 3 6000K = 0,93 = 93% 7% der absorbierten Entropie kommen von der Sonne 93% der absorbierten Entropie wurden bei der Absorption erzeugt Mehr Licht im Physikunterricht 2015 I S ,erz 4 TAbsorber =1− ⋅ I S ,aus 3 TStrahlung Warum Strahlung wärmt 3 P = TStrahlung ⋅ I S ,ein 4 → 3 ⎛1− k 4 ⎞ ⎟ ⋅ T2 I S P = ⎜⎜ 3⎟ 4 ⎝1− k ⎠ T1 und T1 < T2 T2 Mehr Licht im Physikunterricht 2015 k= Warum Strahlung wärmt P = 0,804 ⋅ T2 ⋅ I S 0,804 ⋅ T2 ⋅ I S ,ein = T1 ⋅ I S ,aus = 0,38 = 38% 38% der absorbierten Entropie wurden bei der Absorption erzeugt 62% der absorbierten Entropie kommen vom Ofen Mehr Licht im Physikunterricht 2015 I S ,erz 1 300K =1− ⋅ I S ,aus 0,804 600K Empfehlung Begriff Wärmestrahlung wenig eindeutig à Taugt nicht für ein Konzept, das sich wissenschaftlich nennen möchte. Aussagen stimmen mit denen entsprechenden überein, wenn man statt der physikalischen Größe Entropie das umgangssprachliche Wort Wärme benutzt. Mehr Licht im Physikunterricht 2015 Besser als die Energieform Wärme ist als Wärmemaß die Entropie geeignet. Man kann .. verschiedene Strahlungen, was den Entropietransport angeht vergleichen. .. klar sagen, bei welchem Prozess Entropie erzeugt wurde.
