Temperaturstrahlung

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Enstehung der Temperaturstrahlung
Temperaturstrahlung
Erfahrung: die Körper, die höhere Temperatur haben als ihre Umgebung emittieren
Energie (Wärme):
Temperaturstrahlung hängt
sehr stark von der T des
Körpers ab.
Temperatur des Körpers hängt mit
den Bewegungen der Teilchen in
dem Körper zusammen.
z.B.
Gastheorie
1
Eigenschaften der Temperaturstrahlung
1 2 3
mv = kT
2
2
Die Temperaturstrahlung ensteht
auf Kosten der Bewegungsenergie
der Teilchen im Körper.
2
Grössen zur Beschreibung der Temperaturstrahlung:
Spezifische Ausstrahlung (M):
•Jeder Körper, dessen Temperatur über dem absoluten
Nullpunkt liegt, sendet Temperaturstrahlung aus
ΔP in 2π
Raumwinkel
• Temperaturstrahlung ist elektromagnetische Strahlung (infrarotes
Licht, sichtbares Licht, UV, Röntgen, ...)
M=
ΔP
,
ΔA
[M ] = W2
m
Spektrale spezifische Ausstrahlung (Mλ):
• Sie hängt von der T, Eigenschaften (Materie, Farbe, Oberfläche, ...)
des Körpers ab.
ΔA
Mλ =
ΔM
W
, [M λ ] = 2
m ⋅ nm
Δλ
Absorptionsgrad (α):
Strahlungsgleichgewicht: emittierte und absorbierte
Leistungen müssen im thermischen Gleichgewicht gleich sein.
α=
3
absorbier te Energie
einfallende Energie
Mλ und α hängen von λ, T, Farbe des Körpers, ... ab
4
Kirchhoffsches Strahlungsgesetz:
M λ ,1
α1
=
M λ ,2
α2
=
M λ ,3
α3
konstant für verschiedene Körper
bei gegebener T und λ
= ...
Absolut schwarzer Körper:
Ein hypothetischer idealisierter Körper, der jegliche auf ihn treffende
elektromagnetische Strahlung bei jeder Frequenz vollständig absorbiert.
Absolut schwarzer Körper als
Strahlungsreferenz: α = 1
Russ
Mλ
=
α
M λ ,a
1
= M λ ,a
Die dunkle Farben
absorbieren mehrere
Strahlungsenergie als
die helle (Kirchhoff!).
Die
Strahlenschädigung
nach der
Atombombenexplosion
ist grösser unter den
dunklen Teile des
Kimonos.
Hohlraumstrahlung
5
6
Absorptionsspektrum des Wassers im Bereich von 200 nm bis 0.1 mm
Spektrum des absolut schwarzen Körpers
2000 K
Mλ,a
1500 K
1000 K
750 K
1
0,4 0,8
2
3
4
5
λ (μm)
7
8
Stefan–Boltzmannsches Gesetz
Wiensches Verschiebungsgesetz
Mλ,a
Mλ,a
2000 K
2000 K
M
λmax ⋅T = const = 2880 μm ⋅ K
1500 K
1500 K
2
3
W
m2K4
750 K
750 K
λmax
σ = 5,7 ⋅ 10 −8
1000 K
1000 K
1
0,4 0,8
Ma = σ ⋅T 4
4
1
0,4 0,8
5
λ (μm)
2
3
4
5
λ (μm)
hohe spezifische Ausstrahlung bei hohen Temperaturen
Verschiebung des Maximums mit der Temperatur
9
z. B. Das Spektrum der Sonne:
10
Anwendungen 1:
IR Diagnostik (Telethermographie)
T = 5900 K (= 6000 K)
T ≈ 301 K
Mλ
λmax ≈ 10 μm
Ist der tierliche Körper absolut
schwarz?
IR-Strahlung
In diesem Bereich: Ja!
(s. Absorptionsspektrum des Wassers)
IR-Kamera
500 nm
1
2
λ (μm)
M
3
11
T
M ∝T
4
12
Gesichtshöhlenentzündung
13
Gelenkentzündung
Muskelzerrung
Chondrolyse und Thrombose
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IR-Thermographie
gesund
Messbereich: 8-10 μm
Prezision: 0.1 C
Auflösungsgrenze: 1 mm2
(Abstand: 40 cm)
Abtastungszeit: 4 s
Mikrowellenthermographie,
Mammathermographie
(Tumor-Diagnostik)
Vorteil: Körpergewebe ist
durchlässig für Mikrowellen.
Brustkrebs
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Nachteil: Intensität im
Mikrowellenbereich ist
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vielmal kleiner als im IR.
Anwendungen 3:
Wärmetherapie (IR-Lampen)
Anwendungen 2: Wärmehaushalt
Stoffwechselprozesse ⇒Wärme
konstante Körpertemperatur
Wärmeabgabe
Glühlampen
T = 2000-3000 K
Wärmestrahlung:
M = σ ⋅T 4
Resultierende Energieabgabe (ΔE):
(
)
4
ΔE = σ ⋅ T 4 − TUmgebung
⋅ A⋅t
4
M Umgebung = σ ⋅ TUmgebung
Hat ein Körper höhere Temperatur als seine
Umgebung, so strahlt er mehr als er aus der
Umgebung absorbiert.
+ Transpiration
(+ Wärmeleitung)
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höhere Temperaturen:
Tageslichtlampe
niedrigere Temperaturen:
IR-Lampen
18
Der
Saturnmond
Phoebe
Weitere
Anwendungen
Bestimmung von
Oberflächentemperaturen
Wolfram-Lampen
Sehen im ganz dunklen
19
20
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