Wärmestrahlung ist eine Form thermischer Energie, die in der Physik und Materialwissenschaft von grundlegender Bedeutung ist. In unserem täglichen Leben bleibt es oft unbemerkt, aber 49 % der Energie, die uns von der Sonne erreicht, geschieht in Form von Wärmestrahlung.
Diese Art von Energie ist dafür verantwortlich, unseren Planeten warm zu halten, unsere Lebensmittel zu kochen und viele der Technologien anzutreiben, die wir täglich nutzen.
In diesem Artikel erklären wir, was Wärmestrahlung ist, wie sie funktioniert, welche Anwendungen sie hat und welche Bedeutung sie in der modernen Welt hat.
Was ist Wärmestrahlung?
Unter Wärmestrahlung, auch Wärmestrahlung oder Infrarotstrahlung genannt, versteht man den Vorgang, bei dem ein Objekt aufgrund seiner Temperatur Energie in Form elektromagnetischer Wellen abgibt.
Im Gegensatz zur Wärmeleitung und Wärmekonvektion ist für die Ausbreitung der Wärmestrahlung kein materielles Medium erforderlich. Mit anderen Worten: Wärmestrahlung kann sich durch das Vakuum des Weltraums ausbreiten.
Alle Gegenstände geben Wärmestrahlung ab
Um dieses Phänomen zu verstehen, muss man sich unbedingt vor Augen halten, dass alle Objekte immer dann Wärmestrahlung aussenden, wenn ihre Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, also der tiefstmöglichen Temperatur (-273,15 Grad Celsius oder 0 Kelvin).
Das elektromagnetische Spektrum
Das elektromagnetische Spektrum umfasst alle Formen elektromagnetischer Strahlung, von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen. Wärmestrahlung liegt im Infrarotbereich des Spektrums, der zwischen Mikrowellen und sichtbarem Licht liegt.
Obwohl wir Wärmestrahlung nicht direkt sehen können, können wir sie erkennen und für viele Anwendungen nutzen.
Stefan-Boltzmann-Gesetz: Zusammenhang zwischen Temperatur und Strahlung
Wärmestrahlung ist das Ergebnis der Bewegung von Partikeln innerhalb eines Objekts aufgrund seiner Temperatur. Je heißer ein Objekt ist, desto mehr kinetische Energie haben seine Teilchen und desto mehr Wärmestrahlung sendet es aus.
Das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Objekts und der pro Flächeneinheit abgestrahlten Gesamtenergiemenge. Dieses Gesetz legt fest, dass die abgestrahlte Energie pro Flächeneinheit gemäß der folgenden Gleichung direkt proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur des Objekts ist:
E=σ⋅T 4
Wo:
-
E ist die abgestrahlte Energie pro Flächeneinheit (in Watt pro Quadratmeter, W/m²).
-
σ ist die Stefan-Boltzmann-Konstante (5,67×10−8 W/(m²·K⁴)).
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T ist die absolute Temperatur des Objekts in Kelvin (K).
Diese Gleichung zeigt, dass bei höheren Temperaturen die Menge der abgestrahlten Energie deutlich größer ist.
Beispiele für Wärmestrahlung
Wärmestrahlung hat ein breites Anwendungsspektrum im Alltag sowie in wissenschaftlichen und technischen Bereichen.
Einige Beispiele seiner bemerkenswertesten Anwendungen sind:
Heizen und Kochen
Wärmestrahlung ist in Geräten wie Öfen und Mikrowellen unerlässlich, wo sie zum Erhitzen von Lebensmitteln verwendet wird. Die Heizelemente geben Infrarotstrahlung ab, die Gegenstände und Lebensmittel direkt erhitzt und so den Garvorgang beschleunigt.
Solarenergie
Die Wärmestrahlung der Sonne ist die Hauptenergiequelle unseres Planeten. Solarthermische Paneele nutzen diese Strahlung, um Wasser zu erhitzen und Strom zu erzeugen, insbesondere in großen solarthermischen Kraftwerken.
Wärmebildkameras
Wärmebildkameras nutzen Infrarotstrahlung, um Temperaturunterschiede in Objekten und lebenden Organismen zu erkennen.
Diese Kameras finden Anwendung in Bereichen wie Suche und Rettung, Sicherheit und Medizin.
Klimaanlage und Kühlung
HLK- und Kühlsysteme nutzen Wärmestrahlung in Kombination mit anderen Prozessen, um die Temperatur in Gebäuden, Fahrzeugen und elektronischen Geräten zu steuern.
Weltraumwissenschaft
Bei der Erforschung des Weltraums ist Wärmestrahlung ein großes Problem. Materialien für die Luft- und Raumfahrt sind so konzipiert, dass sie den extremen Bedingungen im Weltraum standhalten, einschließlich intensiver Sonneneinstrahlung und der kontrollierten Freisetzung von Wärme, die von Geräten erzeugt wird.
Geothermische Energie
Geothermie nutzt die innere Wärme der Erde, um Strom zu erzeugen und für Wärme zu sorgen. In geothermisch aktiven Regionen wie Island ist diese Energieform besonders wertvoll.
Wärmestrahlung in einem Kernkraftwerk
Ein Kernkraftwerk emittiert Wärmestrahlung, wenn im Reaktorkern eine Kernspaltung stattfindet. Dabei spalten sich Uran-Atomkerne in kleinere chemische Elemente auf und setzen dabei eine immense Energiemenge in Form von Wärme frei.
Durch diese entstehende Wärmeenergie steigt die Temperatur des Reaktorkerns deutlich an. Mit steigender Kerntemperatur wird Wärmestrahlung in Form von Infrarotstrahlung emittiert, die für das menschliche Auge unsichtbar ist, aber ein direkter Ausdruck der hohen Temperatur im Reaktorinneren ist.
Diese Wärmestrahlung ist ein wesentlicher Bestandteil des Betriebs eines Kernkraftwerks und wird als Wärmequelle zur Erwärmung von Wasser und zur Erzeugung des Dampfes genutzt, der die Turbinen zur Stromerzeugung antreibt.
Wärmestrahlung ist eine Zwischenstufe bei der Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie und ihre genaue Kontrolle ist für den sicheren und effizienten Betrieb des Kernkraftwerks von entscheidender Bedeutung.
