Wärmestrahlung

Die Wärmestrahlung ist eine Art der Wärmeübertragung, bei der Wärme durch elektromagnetische Wellen übertragen wird. Im Unterschied zu Wärmeleitung und Wärmeströmung kann sich Wärmestrahlung auch im Vakuum ausbreiten.
Als Wärmestrahlung bezeichnet man die elektromagnetischen Wellen in einem Wellenlängenbereich von

Das entspricht Frequenzen von

Da sich diese Strahlung im Spektrum elektromagnetischer Wellen
an das rote Ende des sichtbaren Lichtes anschließt, bezeichnet man Wärmestrahlung auch als Infrarotstrahlung oder als infrarotes Licht.

Entdeckung der Wärmestrahlung
Die Wärmestrahlung der Sonne wurde 1800 durch den Astronomen FRIEDRICH WILHELM HERSCHEL (1738-1822) entdeckt. HERSCHEL führte dazu den in Bild 2 dargestellten Versuch mit Thermometern durch. Dabei untersuchte er das Spektrum des sichtbaren Sonnenlichtes und die benachbarten Bereiche und stellte fest: Das Thermometer außerhalb des sichtbaren roten Bereiches zeigte eine deutlich höhere Temperatur an als die Thermometer innerhalb des sichtbaren Spektrums. Es musste also auch außerhalb des sichtbaren Spektrums noch Strahlung vorhanden sein, die er infrarotes Licht nannte und die von ihren Wirkungen her Wärmestrahlung ist.

Quellen der Wärmestrahlung
Die für uns wichtigste Quelle der Wärmestrahlung ist die Sonne. Der Anteil der Wärmestrahlung an der gesamten von der Sonne abgegebenen Strahlung beträgt ca. 38 %. Etwa 48 % der Sonnenstrahlung entfallen auf das sichtbare Licht, 7 % auf ultraviolette Strahlung und ebenfalls 7 % auf andere Strahlungsarten.
Wärmestrahlung kann man mithilfe von Infrarotlampen oder Infrarotstrahlern erzeugen.
Wärmestrahlung wird auch von Heizkörpern, Öfen, Glühlampen oder Kühlern von Pkw abgegeben, also von allen Körpern mit einer hinreichend hohen Temperatur. Selbst der Mensch gibt Energie in Form von Wärmestrahlung an die Umgebung ab.

Eigenschaften von Wärmestrahlung
Die Eigenschaften von Wärmestrahlung sind für ihre Nutzung von Bedeutung. Trifft Wärmestrahlung auf einen Körper, so wird sie teilweise reflektiert, teilweise vom Körper aufgenommen (absorbiert) und geht teilweise durch den Körper hindurch (Bild 3).
Wie viel Wärmestrahlung reflektiert, absorbiert oder hindurchgelassen wird, ist abhängig

• vom Stoff, aus dem der Körper besteht,
• von der Schichtdicke des Körpers und
• von der Oberflächenbeschaffenheit des Körpers.

Körper mit dunkler und rauer Oberfläche absorbieren viel und reflektieren wenig Wärmestrahlung. Deshalb wählt man z. B. als Oberflächen für Sonnenkollektoren raue, schwarze Flächen. Auch dunkle Kleidung absorbiert mehr Wärmestrahlung als helle Kleidung.
Körper mit heller und glatter Oberfläche absorbieren wenig und reflektieren viel Wärmestrahlung. Deshalb wählt man für Tankwagen und Kühlwagen helle und glatte Oberflächen. Bei intensiver Sonneneinstrahlung im Sommer ist es zweckmäßig, helle Kleidung zu tragen, weil sie einen erheblichen Teil der Wärmestrahlung reflektiert.

Bedeutung der Wärmestrahlung
Die Wärmestrahlung wird teilweise genutzt, teilweise ist sie auch unerwünscht und muss möglichst vermieden werden.
Die Nutzung der Wärmestrahlung, vor allem die der Sonne, erfolgt im technischen Bereich bei Sonnenkollektoren und Solarzellen. Genauere Informationen dazu sind unter den betreffenden Stichwörtern zu finden.

Infrarotlampen (Bild 4), die vorrangig Wärmestrahlung abgeben, werden vor allem im medizinischen Bereich angewendet. Bei Entzündungen oder bei Muskelschmerzen führt die Wärmestrahlung zu einer Linderung bzw. beschleunigt die Heilung.

Infrarotstrahler werden genutzt, um kleine Bereiche mit ausreichend Wärme zu versorgen. Das betrifft z. B. die Heizung von Räumen, aber auch die Aufzucht von Tieren, die für ein optimales Wachstum bestimmte Temperaturen benötigen (Küken, Ferkel).

Unerwünscht ist z. B. die Wärmestrahlung, die vom Heizwasser in Rohrleitungen der Fernwärmeversorgung oder von heißen Getränken in Thermoskannen ausgeht. Um dort Wärmestrahlung zu verringern, werden die Rohre bzw. die Gefäße mit Schichten versehen, die die Wärmestrahlung nach innen reflektieren.
Unerwünscht ist auch eine intensive Wärmestrahlung der Sonne bei Tanks für Benzin oder Kühlwagen. Damit nur ein möglichst geringer Teil der Wärmestrahlung absorbiert wird, wählt man für solche Tanks oder Kühlwagen helle und glatte Oberflächen. Dadurch wird vermieden, dass sie sich in kurzer Zeit stärker erwärmen.

Temperaturstrahlung
Die oben beschriebene Wärmestrahlung umfasst nur einen relativ kleinen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Man könnte sie auch als Wärmestrahlung in engerem Sinne (infrarote Strahlung) bezeichnen. Häufig wird der Begriff auch weiter gefasst und ebenfalls mit dem Terminus Wärmestrahlung oder mit dem Begriff Temperaturstrahlung charakterisiert.

Unter Temperatur- oder Wärmestrahlung versteht man die elektromagnetische Strahlung, die ein Körper aufgrund seiner Temperatur an die Umgebung abgibt.

Diese Temperaturstrahlung beschränkt sich nicht auf einen kleinen Wellenlängenbereich, sondern umfasst einen erheblichen Teil des elektromagnetischen Spektrums. Als Beispiel sei die Temperaturstrahlung betrachtet, die die Erde von der Sonne empfängt und die die Erde ihrerseits an den umgebenden Weltraum abgibt (Bild 5). Die Hauptbereiche der Temperaturstrahlung, die wir von der Sonne empfangen, liegen im sichtbaren (48 %), infraroten (38 %) und ultravioletten (6,8 %) Bereich. Diese Zusammensetzung hängt mit der hohen Temperatur der Sonne von ca. 6.000 K Oberflächentemperatur zusammen. Die Erde gibt die gleiche Menge Wärme, die sie von der Sonne erhält, an den umgebenden Weltraum ab. Ihre durchschnittliche Oberflächentemperatur beträgt aber nur 15 °C = 260 K. Die von der Erde abgegebene Temperaturstrahlung ist erheblich langwelliger.

Die Gesetze, die für Temperaturstrahlung gelten, sind die sogenannten Strahlungsgesetze. Genauere Information dazu sind unter diesem Stichwort sowie unter den Stichwörtern Strahlungsgesetz von KIRCHHOFF, Strahlungsgesetz von STEFAN und BOLTZMANN, Strahlungsgesetz von PLANCK und Strahlungsgesetz von WIEN zu finden.