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Wärmestrahlung

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Wärme- und Stoffübertragung

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Zusammenfassung

Wärmestrahlung unterscheidet sich von der Wärmeleitung und vom konvektiven Wärmeübergang durch andere Grundgesetze. So ist Wärmeübertragung durch Strahlung nicht an Materie gebunden; elektromagnetische Wellen übertragen Energie auch durch den leeren Raum. Nicht Temperaturgradienten oder Temperaturdifferenzen sind maßgebend für den übergehenden Wärmestrom, sondern Unterschiede der vierten Potenzen der thermodynamischen (absoluten) Temperaturen der Körper, zwischen denen Wärme durch Strahlung übertragen wird. Die von einem Körper ausgestrahlte Energie ist außerdem unterschiedlich auf die einzelnen Bereiche des Spektrums der elektromagnetischen Wellen verteilt. Diese Wellenlängenabhängigkeit der Strahlung muss ebenso berücksichtigt werden wie ihre Verteilung auf die verschiedenen Richtungen des Raumes.

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Notes

  1. 1.

    Johann Heinrich Lambert (1728–1777), Mathematiker, Physiker und Philosoph, war von 1748–1759 Hauslehrer beim Grafen P. v. Salis in Chur, wo er sein berühmtes Werk über Photometrie [2] verfasste. 1759 wurde er Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und 1765 auf Vorschlag von L. Euler auch Mitglied der Berliner Akademie. Lambert verfasste mehrere philosophische Werke und behandelte in zahlreichen Veröffentlichungen Themen aus allen Gebieten der Physik und der Astronomie. Er gab als Grenze für die Ausdehnung von Gasen den absoluten Nullpunkt an und konstruierte mehrere Luftthermometer. 1761 bewies er, dass \(\pi \) und e keine rationalen Zahlen sind. Seine Arbeiten zur Trigonometrie waren bedeutsam für die Theorie der Landkartenkonstruktion.

  2. 2.

    Den Beweis für die Konstanz der spektralen Strahldichte beim Weg durch ein die Strahlung nicht beeinflussendes Medium findet man z. B. bei Siegel und Howell [37], S.  518–520.

  3. 3.

    Gustav Robert Kirchhoff (1824–1887) formulierte und veröffentlichte schon während seiner Studienzeit in Königsberg die nach ihm benannten Gesetze der Stromverzweigung. Er wurde 1850 Professor in Breslau und 1854 Professor in Heidelberg, wo er zehn Jahre mit R. Bunsen zusammenarbeitete und seine Untersuchungen über die Emission und Absorption von Strahlung ausführte. Ihre Ergebnisse wurden als Kirchhoffsche Strahlungsgesetze und als Bunsen-Kirchhoffsche Spektralanalyse bekannt. 1875 folgte Kirchhoff einem Ruf an die Universität Berlin als Professor für theoretische Physik. Kirchhoff ist neben seinem Lehrer F. Neumann Begründer der mathematischen (theoretischen) Physik in Deutschland.

  4. 4.

    Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858–1947) wurde 1885 Professor für theoretische Physik in Kiel; von 1888–1920 lehrte er als Nachfolger von G. R. Kirchhoff an der Universität Berlin. Seit 1894 war er Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften. Planck behandelte seit seiner Promotion (1879) Probleme der Thermodynamik, insbesondere den zweiten Hauptsatz und den Entropiebegriff. Auch sein berühmtes Strahlungsgesetz fand er 1900 durch die Verknüpfung thermodynamischer Ansätze für Energie und Entropie der Hohlraumstrahlung mit der elektromagnetischen Strahlungstheorie, statistischen Methoden und der Annahme, dass sich die Energie aus einer großen Zahl diskreter, kleiner Energieelemente (Quanten) zusammensetzt. Planck befasste sich außerdem mit der Relativitätstheorie und mit den philosophischen Grundlagen der Naturwissenschaften. 1918 erhielt er den Nobel-Preis für Physik.

  5. 5.

    Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien (1864–1928) wurde 1890 Assistent von Hermann v. Helmholtz an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin. Dort entdeckte er 1893 das Verschiebungsgesetz und veröffentlichte 1896 eine Gleichung für \(M_\mathrm{\lambda s}\), die sich nur wenig vom Planckschen Gesetz unterscheidet. Wien wurde 1896 Professor für Physik an der TH Aachen, 1899 Professor in Würzburg und wechselte 1920 an die Universität München. 1911 erhielt er den Nobel-Preis für Physik als Würdigung seiner Arbeiten über Wärmestrahlung.

  6. 6.

    Dies gilt jedoch mit der Einschränkung, dass nicht die gerichtet-gerichteten Reflexionsgrade erfasst werden, welche die Richtungsverteilung der reflektierten Strahlung beschreiben; vgl. hierzu die Bemerkungen in 5.1.5 sowie [4], S. 71 ff.

  7. 7.

    Der genaue Wert ist \(1 \mathrm{AE}=149\mathord ,597\,870\cdot 10^6\,\mathrm{km}\). Wegen der strengen Definition der AE vgl. man z. B. [32].

  8. 8.

    Diese Gleichung ergibt die mittlere örtliche Sonnenzeit . Um die wahre (vom Datum abhängige) örtliche Sonnenzeit zu erhalten, ist noch eine kleine Korrektur, die sogenannte Zeitgleichung, anzubringen. Diese Korrektur beträgt nur wenige Minuten.

  9. 9.

    Pierre Bouguer (1698–1758) erhielt mit 15 Jahren die Professur seines verstorbenen Vaters, eines Professors für Gewässerkunde. 1735 wurde Bouguer Mitglied der Pariser Académie Royale des Sciences. Er verfasste mehrere Bücher über Schiffbau und Navigation. Im 1729 veröffentlichten ,,Essai d’optique sur la gradation de la lumière“ entwickelte er erstmals Verfahren zur Photometrie und stellte das nach ihm benannte Gesetz auf, wonach sich in einem homogenen Medium die Stärke eines Lichtstrahls nach einem Exponentialgesetz mit dem durchlaufenen Weg vermindert.

  10. 10.

    August Beer (1825–1863) wurde 1855 Professor für Physik in Bonn. In seiner ,,Einleitung in die höhere Optik“ (1854) stellte er die bis dahin bekannte Theorie des Lichts zusammenfassend dar.

  11. 11.

    John William Strutt, Third Baron of Rayleigh (1842–1919) war Privatgelehrter, der sich auf seinem Familiensitz Terling Place in Essex, England, ein physikalisches Laboratorium eingerichtet hatte. In 430 wissenschaftlichen Veröffentlichungen behandelte er Probleme aus allen Gebieten der klassischen Physik, insbesondere der Akustik, wo er ein berühmtes Werk, ,,The Theory of Sound“ (1877/1878), verfasste. Zusammen mit W. Ramsay entdeckte er das Element Argon (1892–1895), wofür er den Nobel-Preis für Physik des Jahres 1904 erhielt. Der Chemiker W. Ramsay erhielt im gleichen Jahr den Nobel-Preis für Chemie.

  12. 12.

    Die Gleichung für \(\tau _{\mathrm{O}_3}\) wurde gegenüber [42] ohne Einbuße an Genauigkeit vereinfacht.

  13. 13.

    Bei hohen Genauigkeitsansprüchen wird man sogar davon absehen, eine Fläche mit kontinuierlich veränderlicher Temperatur in eine endliche Zahl von Zonen zu teilen. Die korrekte Erfassung nicht-isothermer Flächen führt dann jedoch zu mathematisch aufwändigen Beziehungen (Integralgleichungen), worauf wir nicht eingehen; es sei auf [45], S. 107–132 verwiesen.

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  1. Bochum, Deutschland

    Hans Dieter Baehr

  2. Inst.Techn.Thermodyn. Therm. Verfahrenstechnik, Universität Stuttgart, Stuttgart, Deutschland

    Karl Stephan

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Baehr, H.D., Stephan, K. (2016). Wärmestrahlung. In: Wärme- und Stoffübertragung. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-49677-0_5

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