Was ist Wärmestrahlung?
Wärmestrahlung ist eine Art der Wärmeübertragung, die eine bestimmten Bereich im Strahlungsspektrum hat. Dieser Strahlungsbereich wird auch als Infrarotstrahlung bezeichnet. Die Intensität der Wärmestrahlung ist abhängig von der Temperatur des Körpers. Jedes Gas, Flüssigkeit oder Feststoff emittiert und absorbiert gleichzeitig Wärmestrahlung.
Je heißer der strahlende Körper, desto intensiver ist die Wärmestrahlung. Neben Konvektion und Wärmeleitung ist die Wärmestrahlung auch die Form der Wärmeübertragung, die jedoch im Vakuum der einzige Übertragungsweg ist. Die Wärmestrahlung ist auch der Grund, warum die Energie der Sonne auf der Erde ankommt und es Leben geben kann.
Was ist der Unterschied von Infrarotstrahlung und Wärmestrahlung?
Wärmestrahlung ist ein Überbegriff für Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) und beschreibt die Energieaufnahme und -abgabe in Form von elektromagnetischer Photonenstrahlung. Sie ist eine elektromagnetische Strahlung und Teil des Lichtspektrums.
Alle Formen von Strahlung führen zur Temperaturerhöhung und zählen damit zur Wärmestrahlung. Infrarotstrahlung jedoch, dringt tiefer in die Haut und erzeugt dort eine spürbare Wärme, weshalb Infrarotstrahlung oft mit Wärmestrahlung gleichgesetzt wird. Andere Begriffe für Wärmestrahlung sind auch thermische Strahlung oder Temperaturstrahlung und sie ist für das menschliche Auge nicht sichtbar.
Infrarotstrahlung im Lichtspektrum
Infrarotstrahlung ist Teil des Lichtspektrums und fängt ab einer Wellenlänge von 780 nm (Nanometern) an. Infrarotstrahlung wird anhand ihrer Wellenlänge in verschiedene Arten weiter unterteilt. Für Europa wird hierfür die DIN 5031 angewendet, nach der die IR-Strahlung in 3 Bereiche eingeteilt wird:
- IR-A-Strahlung: 780 bis 1.400 nm
- IR-B-Strahlung: 1.401 bis 3.000 nm
- IR-C-Strahlung: 3.001 nm bis 1 mm
In anderen Teilen der Welt, wird die Infrarotstrahlung anders unterteilt. Hier die Unterteilung der IR-Strahlung im angloamerikanischen Raum:
- Nahes Infrarot (IR-A-Strahlung): 780 bis 1.400 nm
- Kurzwelliges Infrarot (IR-B-Strahlung): 1.401 bis 3.000 nm
- Mittleres Infrarot: 3.001 bis 8.000 nm
- Langwelliges Infrarot: 001 bis 15.000 nm
- Fernes Infrarot: 15.001 nm bis 1 mm
Wie entsteht Wärmestrahlung / Infrarotstrahlung?
Wärmestrahlung entsteht durch die Anregung der Moleküle in einem Feststoff, Flüssigkeit oder Gas. Sichtbar wird das zum Beispiel beim Erhitzen von Metall. Ab einer gewissen Temperatur fängt das Metall an zu glühen und sendet verstärkt Infrarotstrahlung ab, aber auch andere Teile des Spektrums.
Wärmestrahlung, oder auch Infrarotstrahlung, besteht aus Photonen, die im Wellenlängenbereich von 0,8 – 100 μm. Wird ein Stoff Energie zugeführt, fangen die Moleküle an, Photonen auszusenden. Abhängig von der Temperatur des Objekts sendet der Stoff die Photonen in einem bestimmten Wellenlängenbereich ab. Je höher die Temperatur, desto mehr geht das Strahlungsspektrum in den kleineren Wellenlängenbereich.
Wärmestrahlung kann von Stoffen reflektiert, absorbiert oder emittiert werden. Ob ein Stoff Wärmestrahlung aussendet, hängt von der Strahlungsbilanz ab. Denn jeder Stoff nimmt gleichzeitig Wärmestrahlung auf und sendet sie aus. Bei positiver Strahlungsbilanz wird mehr Wärmestrahlung ausgesendet als aufgenommen.
Eigenschaften von Wärmestrahlung
Wärmestrahlung ist ein bemerkenswerter physikalischer Effekt. Darum haben wir hier einige spannende Fakten und Eigenschaften zur Wärme- und Infrarotstrahlung aufgelistet:
- Energieübertragung auch im Vakuum
- Intensität ist abhängig von der Temperatur
- Jeder Körper über dem absoluten Nullpunkt emittiert Wärmestrahlung
- Breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus
- Dunkle und raue Oberflächen nehmen Wärmestrahlung besser auf als helle und glatte Oberflächen
- Ermöglicht Nachtsichtgeräte
- Klimawandel beruht auf reflektierter Wärmestrahlung
- Der Mensch gibt ein Großteil seiner Energie als Wärmestrahlung ab
- Sonnenlicht besteht zu etwa 40% aus Wärmestrahlung
Wie wird Wärmestrahlung berechnet?
Die Berechnung der Wärmestrahlung erfolgt mit Hilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes. Die berechnete Strahlungsleistung ist abhängig vom Emissionsgrad des Körpers, der Temperatur und der Oberfläche.
Emissionsgrad:
Der Emissionsgrad ist das Verhältnis der tatsächlichen Strahlungsintensität zur Strahlungsintensität eines idealen Strahlers bei einer bestimmten Temperatur. Bei einem Emissionsgrad von 1 wird sämtliche Infrarotstrahlung reflektiert und wird idealer schwarzer Strahler genannt. Bei einem Emissionsgrad von 0 wird sämtliche Wärmestrahlung absorbiert und wird als perfekter Spiegel bezeichnet.
Berechnung der Wärmestrahlung:
Mit Hilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes kann die Wärmestrahlung eines Objekts berechnet werden. Dazu werden nur die 3 Variablen des Emissionsgrads, der Oberfläche A und der Temperatur des Körpers T benötigt sowie die Boltzmann-Konstante:
Die Berechnung der emittierten Strahlungsleistung erfolgt mit dieser Formel:
FAQ Wärme- und Infrarotstrahlung:
Ist Infrarotstrahlung sichtbar?
Nein, Infrarotstrahlung ist nicht sichtbar, da ihr Wellenlängenbereich außerhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Spektrums liegt. Sie kann aber an der Haut wahrgenommen werden, da sie einige Millimeter in die Haut eindringen kann.
Was ist der Unterschied zwischen Wärmestrahlung und Konvektion?
Bei Konvektion erfolgt der Wärmeübertrag durch Strömung, zum Beispiel durch das Aufsteigen von warmer Luft. Wärmestrahlung hingegen benötigt kein Wärmeträgermedium, sondern breitet sich überall in alle Richtungen aus.
Beispiele für Wärmestrahlung im Alltag
Wärmestrahlung begegnet und im Alltag überall. Jedes Objekt strahlt eine gewisse Menge an Wärmestrahlung ab. Bei manchen Objekten merken wir es direkt, wie zum Beispiel einer Infrarotheizung, bei anderen nicht. Wärmestrahlung wird aber in verschiedensten Bereichen in unserem Alltag gezielt eingesetzt, um bestimmte Nutzen zu erreichen.
Elektroheizung:
Jede Heizung hat einen gewissen Anteil an Wärmestrahlung, die sie abgibt. Doch bei herkömmlichen Heizkörpern und Elektroheizungen ist dieser Anteil sehr gering. Infrarotheizungen hingegen setzen primär auf Wärmestrahlung, um Räume zu beheizen. Ihre angenehme und spürbare Wärme macht Infrarotheizungen nicht ohne Grund mit zu den beliebtesten Elektroheizungen in Deutschland.
Hier eine Übersicht von Elektroheizungen mit Infrarotstrahlung:
- Infrarotheizung
- Infrarot Bildheizung
- Infrarot Spiegelheizung
- Infrarot Heizstrahler
- Dunkelheizstrahler
Gastronomie:
Wärmestrahlung wird in der Gastronomie in 2 Arten eingesetzt. Zum einen werden durch die Wärmestrahlung von Wärmelampen Speisen warmgehalten. Zum anderen werden Infrarot Heizstrahler im Außenbereich eingesetzt, um die Sitzplätze von Restaurants auch im Winter behaglich warmzuhalten, damit sie auch bei Kälte genutzt werden können.
Medizin:
In der Wärmebehandlung wird Wärmestrahlung gezielt eingesetzt, um beispielsweise Entzündungen zu behandeln. Hier kommt Nahes Infrarot zum Einsatz, dass in tiefere Gewebeschichten eindringen kann und dort zur Erwärmung führt. Als hoch konzentriertes Nahes Infrarot in Form von Lasern wird es aber auch in der Chirurgie zum Schneiden oder Veröden eingesetzt.
Fotografie:
Eine Wärmebildkamera findet nicht nur beim Aufspüren von Wärmeverlusten in Bauten Einsatz. Die Thermografie ist nur ein Teilbereich der Fotografie, die sich auf die Aufnahme von Wärmebildern fokussiert. Deshalb ist die Thermografie in vielen Bereich zu finden, wie zum Beispiel der Wärmedämmung, in der Industrie für die Instandhaltung oder im Militär für die Spionage.
Militär:
Im Militär oder bei der Polizei werden Wärmebildkameras eingesetzt, um Einsätze auch in der Nacht durchzuführen. Spezielle Nachtsichtbrillen machen das Infrarotlicht sichtbar, wodurch zum Beispiel Helikopterpiloten nachts besser sehen können.
Aber auch zielsuchende Raketen erkennen Wärmestrahlung und verfolgen diese. So werden zum Beispiel feindliche Kampfflugzeuge mit Raketen beschossen, die die vom Flugzeug ausgestoßene Wärme erkennen und verfolgen. Diese können sich dann mit Täuschkörpern wehren, sogenannten Flares, die die wärmesuchenden Raketen anziehen sollen.
Verwendung und Nutzen von Infrarotstrahlung
Auch wenn den meisten Leuten Wärmestrahlung aus dem Alltag bekannt ist, findet Infrarotstrahlung noch weitaus mehr Verwendung in anderen Bereichen. Besonders in der Wissenschaft spielt die Infrarotstrahlung eine große Rolle.
Astronomie:
Die Infrarotstrahlung spielt in der Astronomie eine sehr große Rolle. Nicht ohne Grund gibt es sogar einen eigenen Teilbereich, der sich Infrarotastronomie nennt und sich auf die Nutzung von Infrarotstrahlung zur Untersuchung des Universums und speziell zur Untersuchung von Exoplaneten spezialisiert.
Durch die Infrarotstrahlung können Objekte im Universum sichtbar gemacht werden, die mit normalen Teleskopen nicht erkennbar wären. So können nicht nur Planeten und Sonnen gefunden werden, sondern auch die Zusammensetzung der Objekte bestimmt werden.
Elektrotechnik:
Eine Anwendung von Infrarotstrahlung in der Elektrotechnik ist wohl jedem bekannt. So funktionieren viele Fernbedienungen mit Hilfe von Infrarotstrahlung. Doch die Anwendung von Infrarotstrahlung in der Elektro- und Computertechnik geht weit darüber hinaus. So finden sich Infrarotstrahlen zum Beispiel auch in Lichtschranken, Informationsübertragung mittels IR-Laser oder auch als Lichtwellenleiter, wie wir sie aus Glasfaserkabeln kennen.
Chemische Analyse:
Eine wichtige Anwendung von Infrarotstrahlung findet sich im chemischen Analyseverfahren der Infrarotspektroskopie. Bei der Infrarotspektroskopie werden Moleküle durch die Infrarotstrahlung zum Schwingen gebracht. Dadurch lassen sich bekannte Stoffe auf ihre Reinheit und Zusammensetzung analysieren, indem das reflektierte Spektrum mit Referenzspektren verschiedener Stoffe verglichen wird.
Industrie:
Auch in der Industrie wird Infrarotstrahlung verbreitet eingesetzt. Meist werden damit Produkte getrocknet, wie zum Beispiel in der Papierindustrie. Es gibt aber viele weitere Anwendungen wie zum Beispiel Infrarot Lacktrockner oder zur Mülltrennung von Plastik.
Ist Infrarotstrahlung gefährlich?
Ob Infrarotstrahlung gefährlich ist, hängt von der Art der Infrarotstrahlung ab. Je kürzer die Wellenlänge, desto tiefer kann die Strahlung in das Gewebe eindringen und dort gegebenenfalls Schaden anrichten. IR-B und IR-C-Strahlung gelten als ungefährlich, da sie nicht weiter als 1 mm ins Gewebe eindringen können.
Bei IR-A-Strahlung ist jedoch etwas mehr Vorsicht geboten. IR-A-Strahlung entsteht vor allem bei stark glühenden Objekten und dringt bis zu 4 mm ins Gewebe ein. Dort führt die Strahlung zu einer Erwärmung des Gewebes und eventuell zu Schäden, sollte sich die Stelle zu stark erwärmen. Jedoch dürfte aufgrund von Schmerzen ein bleibender Schaden sehr unwahrscheinlich sein, da Du Dich zuvor von der Strahlungsquelle entfernen dürftest.
Bei modernen Infrarot Heizstrahlern entsteht überwiegend IR-A-Strahlung, was sie auch so leistungsfähig macht. Dennoch geht keine große Gefahr von ihnen aus, sofern Du Dich nicht direkt davorsetzt und über längere Zeit in die heißen Glühdrähte blickst. Dann könnten auf Dauer Schäden an der Hornhaut und Linse des Auges entstehen.
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