Wärmestrahlung
Die Energie, die durch Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase infolge ihrer Temperatur abgestrahlt wird. Eine solche Strahlungsenergie liegt in Form elektromagnetischer Wellen vor und deckt das gesamte elektromagnetische Spektrum ab, das sich vom Radiowellenabschnitt des Spektrums durch die Infrarot -, sichtbaren, ultravioletten, Röntgen-und Gammastrahlenanteile erstreckt. Von den meisten heißen Körpern auf der Erde liegt diese Strahlungsenergie weitgehend im Infrarotbereich., Siehe Elektromagnetische Strahlung, Infrarotstrahlung
Strahlung ist eine der drei grundlegenden Methoden der Wärmeübertragung, die anderen beiden Methoden sind Leitung und Konvektion. Siehe Leitung (Wärme), Konvektion (Wärme), Wärmeübertragung
Eine Heizplatte bei 260°F (400 K) kann kein sichtbares Leuchten zeigen; aber eine Hand, die darüber gehalten wird, spürt die wärmenden Strahlen, die von der Platte emittiert werden. Eine Temperatur von mehr als 1300°F (1000 K) ist erforderlich, um eine wahrnehmbare Menge an sichtbarem Licht zu erzeugen., Bei dieser Temperatur leuchtet eine Heizplatte rot und das Wärmegefühl nimmt beträchtlich zu, was zeigt, dass je höher die Temperatur der Heizplatte ist, desto größer ist die Menge der abgestrahlten Energie. Ein Teil dieser Energie ist sichtbare Strahlung, und die Menge dieser sichtbaren Strahlung nimmt mit zunehmender Temperatur zu. Ein Stahlofen bei 2800°F (1800 K) zeigt ein starkes Gelbglühen. Wenn ein Wolframdraht (der als Glühfaden in Glühlampen verwendet wird) durch Widerstandserwärmung auf eine Temperatur von 4600°F (2800 K) angehoben wird, strahlt er ein helles weißes Licht aus., Wenn die Temperatur einer Substanz zunimmt, erscheinen zusätzliche Farben des sichtbaren Teils des Spektrums, wobei die Sequenz zuerst rot, dann gelb, grün, blau und schließlich violett ist. Die violette Strahlung ist von kürzerer Wellenlänge als die rote Strahlung, und es ist auch von höherer Quantenenergie. Um eine starke violette Strahlung zu erzeugen, ist eine Temperatur von fast 5000°F (3000 K) erforderlich. Ultraviolette Strahlung erfordert noch höhere Temperaturen. Die Sonne emittiert beträchtliche ultraviolette Strahlung; Ihre Temperatur beträgt etwa 10.000°F (6000 K)., Solche Temperaturen wurden auf der Erde in Gasen erzeugt, die durch elektrische Entladungen ionisiert wurden. Die Quecksilberdampflampe und die Leuchtstofflampe emittieren große Mengen ultravioletter Strahlung. Temperaturen bis zu 20.000 K sind jedoch immer noch viel zu niedrig, um Röntgen-oder Gammastrahlung zu erzeugen. Ein Gas, das bei Temperaturen über 1 × 106°F (1 × 106 K) gehalten wird und in Kernfusionsexperimenten auftritt, emittiert Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Siehe Kernfusion, ultraviolette Strahlung
Ein schwarzer Körper ist definiert als ein Körper, der die maximale Menge an Wärmestrahlung abgibt., Obwohl es in der Natur keinen perfekten Schwarzkörperstrahler gibt, ist es möglich, einen nach dem Prinzip der Hohlraumstrahlung zu konstruieren. Siehe Blackbody
Ein Hohlraumstrahler wird normalerweise als beheiztes Gehäuse mit einer kleinen Öffnung verstanden, die das Entweichen oder Eindringen von Strahlung ermöglicht. Die aus einem solchen Hohlraum austretende Strahlung hat die gleichen Eigenschaften wie Schwarzkörperstrahlung.,
Kirchhoffs Gesetz korreliert mathematisch die Wärmestrahlungseigenschaften von Materialien im thermischen Gleichgewicht. Es wird oft der zweite Hauptsatz der Thermodynamik für Strahlungssysteme genannt. Kirchhoffs Gesetz kann wie folgt ausgedrückt werden: Das Verhältnis des Emissionsgrads eines Wärmestrahlers zur Absorptionswirkung desselben Heizkörpers ist allein eine Funktion von Frequenz und Temperatur. Diese Funktion ist für alle Körper gleich und entspricht dem Emissionsgrad eines Schwarzkörpers. Eine Folge von Kirchhoffs Gesetz ist das Postulat, dass ein schwarzer Körper einen Emissionsgrad hat, der größer ist als der eines anderen Körpers., Siehe Kirchhoffs Gesetze der elektrischen Schaltungen
Plancks Strahlungsgesetz repräsentiert mathematisch die Energieverteilung der Wärmestrahlung von 1 cm2 Oberfläche eines schwarzen Körpers bei jeder Temperatur. Jahrhunderts formuliert, legte es den Grundstein für den Fortschritt der modernen Physik und das Aufkommen der Quantentheorie.,
Gleichung (1) ist der mathematische Ausdruck des planckschen Strahlungsgesetzes, wobei Rλ die vom Körper abgestrahlte Gesamtenergie ist, gemessen in Watt pro Quadratzentimeter pro Wellenlängeneinheit bei der Wellenlänge λ. Die Wellenlänge in dieser Formel wird in Mikrometern gemessen. Die Menge T ist die Temperatur in Kelvin und e ist die Basis der natürlichen Logarithmen. Die Abbildung zeigt Graphen des Planckschen Gesetzes für verschiedene Temperaturen und zeigt Substanzen, die diese Temperaturen erreichen., Es sollte beachtet werden, dass diese Substanzen nicht wie vom Planckschen Gesetz vorhergesagt ausstrahlen, da sie selbst keine schwarzen Körper sind.
Das Stefan-Boltzmann-Gesetz besagt, dass die von einem heißen Körper abgestrahlte Gesamtenergie mit der vierten Kraft der Körpertemperatur zunimmt. Dieses Gesetz kann durch den Integrationsprozess aus dem Planckschen Gesetz abgeleitet werden und wird mathematisch als Eq ausgedrückt. (2), wobei RT die Gesamtmenge der Strahlungsenergie ist
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