Wärmeleitung Wärmetransport. Wärmekonvektion

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Waltraud Michel
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Wärmeleitung Wärmetransport Bei der Wärmeleitung wandert die Energie von einem Ort höherer

Die Weitergabe der Energie erfolgt durch ungeordnete Teilchenstöße, wobei die Teilchen im

Beim Energietransport in der Wärmelehre unterscheidet man drei wesentlich voneinander

Temperaturstrahlung. etalle sind gute, Flüssigkeiten und Gase schlechte Wärmeleiter.

Stoffe im Vergleich zu trockener Luft (relative Wärmeleitfähigkeit: 1).

Luft Styropor Wasser Glas Eisen Kupfer 1 1, 23 0 3 000 15 000 Wärmekonvektion Bei der

erwärmten aterie zu einem Ort niedrigerer Temperatur.

Die Bewegung der aterie kann von außen z.b.

1 Wärmeleitung Wärmetransport Bei der Wärmeleitung wandert die Energie von einem Ort höherer Temperatur durch makroskopisch in Ruhe befindliche aterie zu einem Ort niedrigerer Temperatur. Die Weitergabe der Energie erfolgt durch ungeordnete Teilchenstöße, wobei die Teilchen im Wesentlichen an ihren ursprünglichen Orten bleiben. Beim Energietransport in der Wärmelehre unterscheidet man drei wesentlich voneinander verschiedene Transportmechanismen: die Wärmeleitung, die Wärmeströmung(Konvektion) und die Temperaturstrahlung. etalle sind gute, Flüssigkeiten und Gase schlechte Wärmeleiter. Die folgende Tabelle macht eine Aussage über die relative Wärmeleitfähigkeit verschiedener Stoffe im Vergleich zu trockener Luft (relative Wärmeleitfähigkeit: 1). Diese drei echanismen treten oft gleichzeitig auf. Luft Styropor Wasser Glas Eisen Kupfer 1 1, Wärmekonvektion Bei der Wärmeströmung (Konvektion) wandert die Energie von einem Ort höherer Temperatur mit der erwärmten aterie zu einem Ort niedrigerer Temperatur. Der Energietransport ist - im Gegensatz zur Wärmeleitung mit einem aterietransport verbunden. Die Bewegung der aterie kann von außen z.b. durch einen Ventilator bei Gasen oder eine Pumpe bei Flüssigkeiten aufgezwungen sein (erzwungene Konvektion). Oft kommt die Bewegung aber auch durch die Dichteänderungen der erwärmten Körper zustande (Auftriebskraft). In diesem Fall spricht man von freier Konvektion. Konvektion tritt in der Regel nur bei Flüssigkeiten und Gasen auf.

Temperaturstrahlung Die Sonne schickt nicht nur sichtbares Licht auf die Erde, die Strahlung enthält u.a. auch einen für unser Auge nicht sichtbaren Anteil, der die Erde erwärmt (Infrarotstrahlung).

Welcher Griff wird beim Kochen schneller heiß?

bei der Wärmeleitung bzw. bei der Konvektion kennen gelernt, haben nicht in Frage.

der Lichtgeschwindigkeit von 300 000 km/s).

Beim Auftreffen von Wärmestrahlung auf einen Körper kann die Strahlung teilweise durchgelassen,

Wie die Versuche zur Temperaturstrahlung zeigen, strahlt von gleichtemperierten Körpern derjenige mit

Umgekehrt absorbiert ein schwarzer Körper die Temperaturstrahlung besser als einer mit glatter weißer

Eine durchsichtige Saftflasche und eine gleichartige mit Alufolie umwickelte Saftflasche werden in die

2 Temperaturstrahlung Die Sonne schickt nicht nur sichtbares Licht auf die Erde, die Strahlung enthält u.a. auch einen für unser Auge nicht sichtbaren Anteil, der die Erde erwärmt (Infrarotstrahlung). Bei Kochtöpfen und Pfannen sind manchmal etallgriffe und manchmal Griffe aus Kunststoff. Welcher Griff wird beim Kochen schneller heiß? Da der Raum zwischen Sonne und Erde weitgehend materiefrei ist, kommt ein Transportmechanismus wie wir ihn bei der Wärmeleitung bzw. bei der Konvektion kennen gelernt, haben nicht in Frage. Die Temperaturstrahlung braucht keinen materiellen Träger, sie breitet sich auch im Vakuum aus (dort mit der Lichtgeschwindigkeit von km/s). Je heißer ein Körper ist, desto intensiver ist die von ihm ausgehende Temperaturstrahlung. Beim Auftreffen von Wärmestrahlung auf einen Körper kann die Strahlung teilweise durchgelassen, reflektiert oder auch absorbiert werden. Wie die Versuche zur Temperaturstrahlung zeigen, strahlt von gleichtemperierten Körpern derjenige mit schwarzer Oberfläche intensiver als der mit weißer glatter Oberfläche ab. Umgekehrt absorbiert ein schwarzer Körper die Temperaturstrahlung besser als einer mit glatter weißer Oberfläche. Eine durchsichtige Saftflasche und eine gleichartige mit Alufolie umwickelte Saftflasche werden in die Sonne gestellt. Welche erwärmt sich schneller? Zwei Saftflaschen werden mit weißem und schwarzen Papier umwickelt und in die Sonne gestellt. Welche erwärmt sich schneller? Warum ist eine Thermoskanne doppelwandig? Warum ist das innere Gefäß einer Thermoskanne innen versilbert? Welcher physikalische Grund steht dafür, dass Heizkörper oft direkt unter Fenstern angebracht werden? Warum brennt eine Kerze nach oben?

Temperaturstrahlung Enstehung der Temperaturstrahlung

Umgebung emittieren Energie (Wärme): Temperaturstrahlung hängt

Temperatur des Körpers hängt mit den Bewegungen der Teilchen in

Gastheorie 1 mv 2 3 kt 2 = 2 9 Die Temperaturstrahlung ensteht

10 Eigenschaften der Temperaturstrahlung Emission Jeder Körper,

Temperaturstrahlung aus Temperaturstrahlung ist

3 Temperaturstrahlung Enstehung der Temperaturstrahlung Erfahrung: die Körper, die höhere Temperatur haben als ihre Umgebung emittieren Energie (Wärme): Temperaturstrahlung hängt sehr stark von der T des Körpers ab. Temperatur des Körpers hängt mit den Bewegungen der Teilchen in dem Körper zusammen. z.b. Gastheorie 1 mv 2 3 kt 2 = 2 9 Die Temperaturstrahlung ensteht auf Kosten der Bewegungsenergie der Teilchen im Körper. 10 Eigenschaften der Temperaturstrahlung Emission Jeder Körper, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, sendet Temperaturstrahlung aus Temperaturstrahlung ist elektromagnetische Strahlung (infrarotes Licht, sichtbares Licht, UV, Röntgen,...) Sie hängt von der T, Eigenschaften (aterie, Farbe, Oberfläche,...) des Körpers ab. Absorption Strahlungsgleichgewicht: emittierte und absorbierte Leistungen müssen im thermischen Gleichgewicht gleich sein

Grössen zur Beschreibung der Temperaturstrahlung: P in 2π Raumwinkel A Spezifische Ausstrahlung (): P W =, [ ] = 2 A m

einfallende Energie λ und α hängen von λ, T, Farbe des Körpers,.

.. Absolut schwarzer Körper: 3 Ein hypothetischer idealisierter Körper, der jegliche auf ihn treffende elektromagnetische

Russ Hohlraumstrahlung Absolut schwarzer Körper als Strahlungsreferenz: α = 1 λ α konstant für verschiedene Körper bei

4 Grössen zur Beschreibung der Temperaturstrahlung: P in 2π Raumwinkel A Spezifische Ausstrahlung (): P W =, [ ] = 2 A m Spektrale spezifische Ausstrahlung ( λ ): Absorptionsgrad (α): λ = W, [ λ ] = λ m 2 nm absorbier te Energie α = einfallende Energie λ und α hängen von λ, T, Farbe des Körpers,... ab 13 Kirchhoffsches Strahlungsgesetz: α λ,1 1 = α λ,2 2 = α λ,3 =... Absolut schwarzer Körper: 3 Ein hypothetischer idealisierter Körper, der jegliche auf ihn treffende elektromagnetische Strahlung bei jeder Frequenz vollständig absorbiert. Russ Hohlraumstrahlung Absolut schwarzer Körper als Strahlungsreferenz: α = 1 λ α konstant für verschiedene Körper bei gegebener T und λ = 1 λ, a = λ, a 1 Spektrum des absolut schwarzen Körpers Die dunkle Farben absorbieren mehrere Strahlungsenergie als die helle (Kirchhoff!). Die Strahlenschädigung nach der Atombombenexplosion ist grösser unter den dunklen Teile des Kimonos. λ,a 2000 K 1500 K 1000 K 750 K , 0,8 λ (µm) 15 16

5 Wiensches Verschiebungsgesetz Stefan Boltzmannsches Gesetz 2000 K λ,a 1500 K 1000 K 750 K , 0,8 λ max λ max λ (µm) T = konst = 2880 µm K 2000 K λ,a 1500 K 1000 K 750 K , 0,8 λ (µm) a = σ T σ = 5, m W 2 K Verschiebung des aximums mit der Temperatur 17 hohe spezifische Ausstrahlung bei hohen Temperaturen 18 z. B. Das Spektrum der Sonne: T = 5900 K (= 6000 K) Anwendungen 1: IR Diagnostik (Telethermographie) λ T 301 K λ max 10 µm Ist der tierliche Körper absolut schwarz? IR-Strahlung In diesem Bereich: Ja! (s. Absorptionsspektrum des Wassers) IR-Kamera 500 nm λ (µm) 19 T T 20

6 Absorptionsspektrum des Wassers im Bereich von 200 nm bis 0.1 mm IR Diagnostik (Telethermographie) Anwendungsgebiete: Detektion von IR-Strahlung mit aussagendem Effekt Beispiele: Fiebermessung Pulsoxymetrie Wärmebildkamera Gesichtshöhlenentzündung uskelzerrung Gelenkentzündung Chondrolyse und Thrombose 23 2

IR-Kamera essung der Intensität der IR-Strahlung Rückschluss auf die spezifische Ausstrahlung des Körpers

(vereinfacht): IR-durchlässige Optik Halbleiterdetektor als Strahlungsdetektor (meistens) Kühlung für den

ammathermographie (Tumor-Diagnostik) IR-Thermographie essbereich: 8-10 µm Prezision: 0.

Wärmehaushalt Wärmehaushalt des menschlichen Körpers Stoffwechselprozesse Wärme konstante

beihohen Temperaturen kaum (keine) Bedeutung!

7 IR-Kamera essung der Intensität der IR-Strahlung Rückschluss auf die spezifische Ausstrahlung des Körpers und auf die Temperatur (Stefan-Boltzmann-Gesetz) Anfertigung einer Temperaturkarte in Falschfarben Aufbau (vereinfacht): IR-durchlässige Optik Halbleiterdetektor als Strahlungsdetektor (meistens) Kühlung für den Detektor (bei gekühlten Kamerasystemen) Sehr gute zeitliche und räumliche Auflösung gesund ammathermographie (Tumor-Diagnostik) IR-Thermographie essbereich: 8-10 µm Prezision: 0.1 C Auflösungsgrenze: 1 mm 2 (Abstand: 0 cm) Abtastungszeit: s 25 Brustkrebs 26 Anwendungen 2: Wärmehaushalt Wärmehaushalt des menschlichen Körpers Stoffwechselprozesse Wärme konstante Körpertemperatur Wärmestrahlung: = σ T Wärmeabgabe Resultierende Energieabgabe ( E): E = σ ( T T ) A t Umgebung Im Grundstoffwechsel ca. 2 Körpermasse/Tag 3 echanismen der Wärmeabgabe: Temperaturstrahlung (rund 70% der Wärmeabgabe bei 20 C, beihohen Temperaturen kaum (keine) Bedeutung!!) Wärmeleitung (keine große Rolle, da Luft/Kleidung guter Wärmeisolator ist) Umgebung = σ T Umgebung Verdunstung von Wasser (große Bedeutung ab 35 C) Hat ein Körper höhere Temperatur als seine Umgebung, so strahlt er mehr als er aus der Umgebung absorbiert. + Transpiration (+ Wärmeleitung) 27 28

8 Anwendungen 3: Wärmetherapie (IR-Lampen) höhere Temperaturen: Tageslichtlampe niedrigere Temperaturen: IR-Lampen Glühlampen T = K Wolfram-Lampen IR-Therapie Anwendungsgebiete: Therapie, bei der Wärmebehandlung indiziert ist (Durchblutung wird durch Wärme gefördert) Beispiele: Weitere Anwendungen Bestimmung von Oberflächentemperaturen Der Saturnmond Phoebe uskelverspannungen Nasennebenhöhlenprozesse Rheuma ittelohrentzündungen Abzessreifung Schutz vor Unterkühlung bei Frühgeborenen 31 Sehen im ganz dunklen 32

9 Nachtsichtgeräte Lenkflugkörper Chemische Analytik Lichtschranken Bewegungsmelder IR-Fernbedienungen 33

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Temperaturstrahlung. Enstehung der Temperaturstrahlung. Eigenschaften der Temperaturstrahlung Teperaturstrahlung Enstehung der Teperaturstrahlung Erfahrung: die Körper, die höhere Teperatur haben als ihre Ugebung eittieren Energie (äre): Teperaturstrahlung hängt sehr stark von der T des Körpers