1. Physikalische Grundlagen
Strahlungsgesetze (1/2)
Strahlungsgesetze sind wichtig, um zu verstehen, wie die Temperaturstrahlung, die von jedem Objekt ausgeht, von dessen Temperatur und Materialeigenschaften abhängt. Das Emission- und Absorptionsvermögen von Strahlung sind Materialeigenschaften, die hier beachten werden sollten. Ihre Abhängigkeit voneinander ist durch das Kirchhoffsche Gesetz gegeben.
Die Abhängigkeit der emittierten Strahlung von der Temperatur folgt dem Stefan-Boltzmannschen Gesetz. Die Strahlung wird in Form elektromagnetischer Wellen emittiert. Ihre Intensität ist eine Funktion der Wellenlänge. Das Emissionsmaximum der Temperaturstrahlung wird durch das Wiensche Verschiebungsgesetz erklärt, die Form des gesamten Spektrums durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben.
Das Kirchhoffsche Gesetz
Das Emissionsvermögen ε bezeichnet die Effizienz eines Objekts, Temperaturstrahlung auszusenden, ein Größe, die zwischen 0 (keine Emission) und 1 (höchstes Emissionsvermögen) variiert. Das Absorptionsvermögen α eines Objekts bezeichnet die Effizienz, einfallende Strahlung zu absorbieren. Es ist durch das Verhältnis
definiert und liegt zwischen 0 und 1, wobei 1 vollständige Absorption und 0 vollständige Reflektion oder Transmission bedeutet.
Das Kirchhoffsche Gesetz, 1859 formuliert, lautet:
Absorptions- und Emissionsvermögen eines Körpers haben gleiche Werte. Daher besitzen Körper, die alle einfallende Strahlung absorbieren (α=1), das höchste Emissionsvermögen (ε=1). Sie werden als Schwarze Strahler bezeichnet, wobei der Ausdruck schwarz bedeutet, dass sie keine Strahlung reflektieren oder transmittieren. Körper, die nur einen Teil der einfallenden Strahlung absorbieren (α<1), werden als Graue Strahler bezeichnet.
Absorptions- und Emissionsvermögen sind bei einem Selektiven Strahler wellenlängenabhängig. Ein hohes oder niedriges Absorptionsvermögen eines Körpers in einem bestimmten Wellenlängenbereich geht einher mit einem hohen oder niedrigen Emissionsvermögen im gleichen Bereich. Daher kann ein verallgemeinertes Kirchhoffsches Gesetz so geschrieben werden:
Quelle: Beckel 2007
Stefan-Boltzmannsches Gesetz
Diese Gesetz wurde von Josef Stefan 1879 theoretisch formuliert und von Ludwig Boltzmann 1884 experimentell bestätigt. Es erklärt die Abhängigkeit der Intensität der Temperaturstrahlung, die ein Objekt ausstrahlt, von der Temperatur. Diese nimmt stark mit der absoluten Temperatur T (angegeben in Kelvin (K)) zu. Die spezifische Ausstrahlung M der Oberfläche eines Objekts wird in W/(m2) angegeben und ist:
mit der Stefan-Boltzmann - Konstante σ=5.7·10-8 W/(m2K). Steigt die absolute Temperatur eines Körpers beispielsweise um den Faktor 2, erhöht sich seine spezifische Ausstrahlung um das 16-fache.
Eine Temperaturveränderung geht mit einem veränderten Emissionsspektrum einher, das mit dem Planckschen Strahlungsgesetz erklärt werden kann (siehe nächste Seite).
