Das Strahlungswärmeübertragung Es besteht aus dem Energiefluss durch elektromagnetische Wellen. Da sich diese Wellen mit Lichtgeschwindigkeit durch ein Vakuum bewegen können, können sie auch Wärme übertragen.
Elektromagnetische Wellen haben ein ganzes Kontinuum von Wellenlängen, genannt Spektrum und das geht von den längsten und am wenigsten energetischen Wellenlängen zu den kürzesten und am energiereichsten.
Unter ihnen befindet sich Infrarotstrahlung, ein Band nahe dem sichtbaren Wellenlängenband oder Licht, aber darunter. Auf diese Weise erreichen große Mengen an Sonnenwärme die Erde und überqueren Millionen von Kilometern.
Aber nicht nur Glühlampen wie die Sonne geben Wärme in Form von Strahlung ab, sondern jedes Objekt tut dies kontinuierlich, nur dass bei niedriger Temperatur die Wellenlänge groß ist und daher die Energie, die umgekehrt proportional dazu ist klein.
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Wenn Elektronen schwingen, senden sie elektromagnetische Wellen aus. Wenn die Wellen eine niedrige Frequenz haben, ist dies gleichbedeutend damit, dass ihre Wellenlänge lang und die Bewegung der Welle langsam ist, daher hat sie wenig Energie. Wenn die Frequenz jedoch zunimmt, bewegt sich die Welle schneller und hat mehr Energie.
Ein Objekt mit einer bestimmten Temperatur T. emittiert häufig Strahlung F., so dass T. Y. F. Sie sind proportional. Und da elektromagnetische Wellen kein materielles Medium zur Ausbreitung benötigen, können sich Infrarotphotonen, die für die Ausbreitung der Strahlung verantwortlich sind, problemlos im Vakuum bewegen..
Auf diese Weise erreicht die Sonnenstrahlung die Erde und die anderen Planeten. Mit zunehmender Entfernung schwächen sich die Wellen jedoch ab und die Wärmemenge nimmt ab.
Das stefans gesetz gibt an, dass die Strahlungsleistung P (bei allen Wellenlängen) proportional zu T ist4, nach dem Ausdruck:
P =ZUσeT.4
In Einheiten des internationalen Systems wird die Leistung in Watt (W) und die Temperatur in Kelvin (K) angegeben. In dieser Gleichung ist A die Oberfläche des Objekts, σ ist die Stefan-Boltzman-Konstante, die 5,66963 x 10 beträgt-8 W / mzwei K.4,
Schließlich ist e das Emissionsgrad oder Emission des Objekts ein numerischer Wert ohne Einheiten zwischen 0 und 1. Der Wert wird je nach Material angegeben, da sehr dunkle Körper ein hohes Emissionsvermögen haben, das Gegenteil eines Spiegels.
Strahlungsquellen wie das Glühbirnen einer Glühbirne oder der Sonne emittieren Strahlung in vielen Wellenlängen. Das der Sonne liegt fast vollständig im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
Zwischen der maximalen Wellenlänge λmax und die Temperatur T des Emitters gibt es eine Beziehung, die durch das Wiener Gesetz gegeben ist:
λmax ∙ T = 2,898. 10 −3 m⋅K
Die folgende Abbildung zeigt Energieemissionskurven als Funktion der Temperatur in Kelvin für ein ideales Objekt, das die gesamte auf ihn treffende Strahlung absorbiert und wiederum ein perfekter Emitter ist. Dieses Objekt wird aufgerufen schwarzer Körper.
Die Zwischenräume zwischen den Kohlen der Glut in einem Ofen verhalten sich wie ideale Strahlungsemitter vom Schwarzkörpertyp mit einer ziemlich engen Annäherung. Es wurden zahlreiche Experimente durchgeführt, um die verschiedenen Temperaturkurven und ihre jeweiligen Wellenlängenverteilungen zu bestimmen..
Wie zu sehen ist, ist die Frequenz umso höher und die Strahlung hat mehr Energie, je höher die Temperatur, desto kürzer die Wellenlänge..
Unter der Annahme, dass sich die Sonne wie ein schwarzer Körper verhält, beträgt unter den in der Abbildung gezeigten Kurven diejenige, die der Temperatur der Sonnenoberfläche am nächsten kommt, 5500 K. Ihr Peak liegt bei der Wellenlänge von 500 nm (Nanometer)..
Die Temperatur der Sonnenoberfläche beträgt ca. 5700 K. Nach dem Wiener Gesetz:
λmax = 2,898 × 10 −3 m⋅K / 5700 K = 508,4 nm
Dieses Ergebnis stimmt in etwa mit dem in der Grafik gezeigten überein. Diese Wellenlänge gehört zum sichtbaren Bereich des Spektrums, es muss jedoch betont werden, dass sie nur den Peak der Verteilung darstellt. In Wirklichkeit strahlt die Sonne den größten Teil ihrer Energie zwischen den Infrarotwellenlängen, dem sichtbaren Spektrum und dem Ultraviolett aus..
Alle Objekte geben ausnahmslos irgendeine Form von Strahlungswärme ab, einige sind jedoch viel bemerkenswertere Emitter:
Die Küche ist ein guter Ort, um die Mechanismen der Wärmeübertragung zu untersuchen. Beispielsweise wird Strahlung gesehen, indem man die Hand (vorsichtig) an den orange leuchtenden elektrischen Brenner heranführt. Oder auch zur Glut eines Grills zum Grillen.
Widerstandselemente in elektrischen Heizgeräten, Toastern und Öfen werden ebenfalls heiß und leuchten orange und übertragen auch Strahlungswärme..
Der Glühbirnenfaden erreicht hohe Temperaturen zwischen 1200 und 2500 ºC und emittiert Energie, die in Infrarotstrahlung (größtenteils) und sichtbarem Licht (orange oder gelb) verteilt ist..
Die Sonne überträgt Wärme durch Strahlung auf die Erde durch den Raum, der sie trennt. Tatsächlich ist Strahlung in fast allen Sternen der wichtigste Wärmeübertragungsmechanismus, obwohl auch andere, wie die Konvektion, eine wichtige Rolle spielen..
Die Energiequelle in der Sonne ist der Kernfusionsreaktor im Kern, der durch die Umwandlung von Wasserstoff in Helium große Energiemengen freisetzt. Ein Großteil dieser Energie liegt in Form von sichtbarem Licht vor, aber wie bereits erläutert, sind auch ultraviolette und infrarote Wellenlängen wichtig..
Der Planet Erde ist auch ein Strahlungsemitter, obwohl er keinen Reaktor im Zentrum hat, wie die Sonne..
Die Emissionen der Erde sind auf den radioaktiven Zerfall verschiedener Mineralien in ihrem Inneren zurückzuführen, wie Uran und Radium. Deshalb ist das Innere tiefer Minen immer heiß, obwohl diese Wärmeenergie eine geringere Frequenz hat als die von der Sonne emittierte.
Da die Erdatmosphäre mit unterschiedlichen Wellenlängen selektiv ist, gelangt die Sonnenwärme problemlos an die Oberfläche, da die Atmosphäre höhere Frequenzen durchlässt..
Die Atmosphäre ist jedoch undurchlässiger für Infrarotstrahlung mit niedrigerer Energie, wie sie auf der Erde durch natürliche Ursachen und durch menschliche Hände erzeugt wird. Mit anderen Worten, es lässt es nicht nach außen entweichen und trägt daher zur globalen Erwärmung des Planeten bei..
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