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Wärmestrahlung

Ein heißer Körper kann sichtbares Licht abstrahlen; er glüht. Außer dem sichtbaren Licht sendet er aber auch andere elektromagnetische Strahlung ab, die für das menschliche Auge unsichtbar ist. Solange die Temperatur eines Körpers nicht extrem hoch wird (weit über 10 000 °C), entfällt der größte Teil der abgestrahlten Leistung auf sogenanntes Infrarotlicht. Wenn Infrarotlicht durch Abstrahlung von warmen oder heißen Körpern erzeugt wird, spricht man auch von Wärmestrahlung. Im Prinzip trägt auch Strahlung mit längeren Wellenlängen – z. B. Mikrowellen – zum Energietransport bei, jedoch nur in geringem Maße; es genügt also, das Infrarotlicht zu beachten.

Auch wenn ein Körper nicht heiß genug ist, um sichtbar zu glühen, kann er bereits erhebliche Energiemengen in Form von Wärmestrahlung abgeben. Ebenso hängt die abgestrahlte Leistung von der Größe und Beschaffenheit der Oberfläche ab; die Abstrahlung ist umso stärker, je stärker das Material umgekehrt auch Infrarotstrahlung absorbieren kann. Deswegen würde z. B. ein Heizkörper mit einer blanken Metalloberfläche wesentlich weniger Wärmestrahlung abgeben als ein lackierter.

Mit Hilfe von Infrarot-Kameras lässt sich auch für das Auge nicht sichtbare Wärmestrahlung registrieren. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel. Mit Hilfe von "Falschfarben" wird im Bild die Intensität der Wärmestrahlung angezeigt, und diese wiederum erlaubt Rückschlüsse auf die Temperatur. Die Farbskala rechts ermöglicht es, die Temperaturen verschiedener Gegenstände näherungsweise zu ermitteln. Dies ist das Prinzip der Thermografie.

Einfachere Geräte dienen als Infrarotthermometer (siehe Abbildung 4 rechts): Sie ermitteln die Temperatur des Gegenstands, auf die sie gerichtet werden, indem sie die Stärke der empfangenen Wärmestrahlung messen.

Energietransport durch Wärmestrahlung

Die von einem warmen oder heißen Körper abgegebene Wärmestrahlung transportiert Energie. Diese fehlt dann dem abstrahlenden Körper in Form von Wärme, d. h. seine Temperatur wird sinken, wenn nicht Wärme nachgeliefert wird.

Im Vakuum (z. B. zwischen Sonne und Erde) kann sich Wärmestrahlung wie sichtbares Licht ungehindert geradlinig ausbreiten. An Hindernissen entsteht Schattenwurf. Wenn Körper für sichtbares Licht teilweise durchlässig sind (z. B. Wolken oder Stofflagen), ist die Durchlässigkeit für Wärmestrahlung häufig noch höher. In der Luft breitet sich Wärmestrahlung weitgehend ungehindert aus (wie sichtbares Licht), außer dass in gewissen Wellenlängenbereichen eine starke Absorption auftritt.

Wo Wärmestrahlung auf Gegenstände trifft, kann sie je nach Oberflächenbeschaffenheit mehr oder weniger absorbiert oder auch reflektiert oder gestreut werden. (Quantitativ kann dies durch den Emissionsgrad erfasst werden.) Die absorbierte Energie wird wieder zu Wärme. In diesem Sinne kann Wärme durch Wärmestrahlung (die selbst streng genommen keine Wärme ist) transportiert werden: Wärmeenergie wird in Wärmestrahlung umgewandelt, als solche transportiert, und wieder in Wärme zurückverwandelt. Etwas ungenau ist der Begriff Strahlungswärme, da es sich streng genommen nicht um Wärme handelt, sondern eine aus Wärme entstehende (und diese transportierende) Strahlung.

Einige Beispiele für Energietransport durch Wärmestrahlung:

• Der größte Teil der Energie, die von der Sonne zur Erde gelangt, wird in Form von Wärmestrahlung transportiert. Auch der sichtbare Anteil des Sonnenlichts trägt, wenn er auf Körper trifft und von diesen absorbiert wird, zur deren Erwärmung bei, jedoch dominiert der Effekt der Wärmestrahlung.
• Das Prinzip der Infrarotheizung ist es, dass ein heißer Gegenstand Wärmestrahlung abgibt, die dann Gegenstände und Personen trifft und somit direkt erwärmt. (Die Raumluft spielt für diesen Effekt keine Rolle, obwohl fast immer noch ein gewisser zusätzlicher Teil der Heizleistung durch die Umwälzung (Konvektion) warmer Luft transportiert wird.) Auch gewöhnliche Heizkörper geben Wärmestrahlung ab und werden deswegen manchmal auch als Radiatoren (Strahler) bezeichnet.

• Die wärmende Wirkung eines Lagerfeuers beruht fast nur auf Wärmestrahlung. Das Feuer erzeugt zwar auch heiße Luft, aber diese steigt weitgehend ungenutzt nach oben. Für ein offenes Kamin gilt ähnliches.
• Der Glühdraht einer Glühlampe oder Halogenlampe strahlt ca. 5 bis 10 % der eingesetzten elektrischen Energie als sichtbares Licht ab, den Großteil des Restes dagegen als Wärmestrahlung. Dies ist der Grund für die geringe Energieeffizienz von Glühlampen.
• Der menschliche Körper tauscht in erheblichem Maß Wärmestrahlung mit der Umgebung aus (siehe den nächsten Abschnitt).

Quantitativ wird die Abstrahlung durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben, welches für einen vollständig absorbierenden Körper gilt. Die gesamte abgestrahlte Leistung <$P$> ist danach

$$P = \sigma \, A \, T^4$$

Hier ist <$\sigma$> = 5,67 · 10⁻⁸ W / (m² K⁴) (Stefan-Boltzmann-Konstante), <$A$> die Fläche des abstrahlenden Körpers und <$T$> seine absolute Temperatur (in Kelvin). Wegen der vierten Potenz steigt die Abstrahlung bei steigender Temperatur sehr stark an:

Nicht berücksichtigt wird beim Stefan-Boltzmann-Gesetz der Umstand, dass jeder Wärmestrahlung abgebende Körper auch Wärmestrahlung absorbieren kann, wodurch die abgestrahlte Netto-Leistung entsprechend reduziert wird. Beispielsweise strahlen die Wände in einem Zimmer, in dem völlig ausgeglichene Temperaturen herrschen, netto gar keine Wärme ab, da sie genauso viel Wärmestrahlung absorbieren, wie sie aussenden. Entsprechende Überlegungen gelten auch für Heizkörper (siehe unten).

Reale Körper sind nicht völlig schwarze Körper; sie werden durch einen Emissionsgrad <$\epsilon$> zwischen 0 und 1 beschrieben, mit dem das obige Resultat multipliziert werden muss. (Falls <$\epsilon$> stark wellenlängenabhängig ist, muss eine deutlich kompliziertere Formel mit einem Integral verwendet werden.)

Beispiel: Abstrahlung eines Heizkörpers

Die von einem Heizkörper mit einer Oberflächentemperatur von z. B. 50 °C (= 323 K) pro Quadratmeter seiner Oberfläche abgestrahlte Leistung lässt sich mit obiger Formel zu 618 W berechnen (wenn man den Emissionsgrad als 1 annimmt). (Darin ist natürlich die Wärmeabgabe an die Luft nicht enthalten.) Andererseits sendet auch die gesamte Umgebung Wärmestrahlung aus, die vom Heizkörper absorbiert wird. Wenn die Umgebungstemperatur 20 °C ist, werden 419 W pro m² absorbiert, so dass sich die Netto-Leistungsabgabe auf 199 W reduziert. (Bei niedrigerem Emissionsgrad ist sowohl die abgestrahlte als auch die absorbierte Leistung entsprechend geringer.) Bei einer Temperatur von 60 °C (= 333 K) würden schon maximal 698 W abgestrahlt, also netto 279 W.

Wenn der Heizkörper nach innen gewölbte Teile hat, so dass die Strahlung teilweise wieder auf anderen Teilen des Heizkörpers absorbiert werden kann, zählt für die Netto-Abstrahlung nur die von außen sichtbare Fläche. Also erhöhen Rippenstrukturen die Netto-Abgabe von Wärmestrahlung nicht, sondern erhöhen lediglich die durch Konvektion an die Luft abgegebene Leistung. Wenn der Anteil der Strahlungswärme also möglichst hoch sein soll, verzichtet man auf Rippen und Röhren.

Wärmestrahlung und menschliches Wärmeempfinden

Wenn ein Mensch nackt in einem Raum steht, bei dem Luft, Boden, Decke und Wände eine Temperatur von 20 °C haben, so verliert sein Körper genauso wie ein Heizkörper Wärme nicht nur über die Luft, sondern auch durch die Abgabe von Wärmestrahlung. Andererseits strahlen auch die Wände, Böden, Decke und alle Gegenstände im Raum Wärmestrahlung ab, die zum Teil wieder den Körper trifft und darauf absorbiert wird. Auf diese Weise wird der Netto-Verlust an Wärme wesentlich geringer. Die abgestrahlte Wärme ist jedoch höher, da die Körperoberfläche wärmer ist als die Oberfläche der Wände.

Der Netto-Wärmeverlust des Körpers steigt jedoch an, wenn z. B. die Wände kühler sind – was im Winter dadurch sein kann, dass ungedämmte Wände Wärme nach außen ableiten. Umgekehrt empfängt der Körper zusätzliche Wärmestrahlung, wenn sich im Raum warme oder heiße Gegenstände befinden (etwa Öfen oder Heizstrahler) – selbst wenn die Lufttemperatur unverändert bleibt. Auf diese Weise kann man sich je nach der Stärke der Wärmestrahlung im Raum (auch Strahlungsklima genannt) wärmer oder kühler fühlen. Kleidung behindert den Austausch von Wärmestrahlung, aber trotzdem bleibt das Strahlungsklima deutlich spürbar.

Meist wird es im Winter als angenehm empfunden, wenn sich relativ viel Wärmestrahlung in einem Raum befindet. Hierzu tragen gut wärmegedämmte Außenwände bei, besonders jedoch bestimmte Heizsysteme wie heiße Öfen und Infrarotheizungen. Unter Umständen kann aber zu starke Infrarotstrahlung in der Nähe eines Ofens für die Augen unangenehm sein; es kann Augenbrennen auftreten.

Siehe auch: Wärme, Strahlung, Emissionsgrad, Thermografie, Infrarotheizung, Strahlungswirkungsgrad, Heizstrahler, Wärmewellenheizung, Glühlampe, Heizkörperexponent, Vakuumdämmplatte