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OldBo
05.01.2019
Bei der Wärmestrahlung (thermische Strahlung) wird Energie inform von elektromagnetischen Wellen von einem Körper abhängig von seiner Temperatur ausgesendet (emittiert). Diese sind nicht sichtbar, aber in Form von Wärme wahrnehmbar. Da das Emissionsmaximum bei der Raumtemperatur bis zu Temperaturen von 3000 Kelvin im infraroten Bereich liegt, wird Wärmestrahlung fälschlicherweise oft mit Infrarotstrahlung gleichgesetzt.
Solarkollektoren
 Solarkollektoren
Quelle: Viessmann Werke GmbH & Co. KG
Strahlungsheizungen
 Strahlungsheizungen
Quelle: Bosy
Infrarot Kurzwellenheizstrahler
 Infrarot Kurzwellenheizstrahler
Quelle: AEG Haustechnik
Einsätze für einen offenen Kamin
 Einsätze für einen offenen Kamin
Quelle: Bosy
Rotglühende Kochstellen eines Ceran-Kochfeldes
 Rotglühende Kochstellen eines Ceran-Kochfeldes
Quelle: Bosy

Bei der Wärmestrahlung (thermische Strahlung) wird Energie inform von elektromagnetischen Wellen von einem Körper abhängig von seiner Temperatur ausgesendet (emittiert). Diese sind nicht sichtbar, aber in Form von Wärme wahrnehmbar. Da das Emissionsmaximum bei der Raumtemperatur bis zu Temperaturen von 3000 Kelvin im infraroten Bereich liegt, wird Wärmestrahlung fälschlicherweise oft mit Infrarotstrahlung gleichgesetzt. Mit der zunehmenden Körpertemperatur steigt auch die Intensität seiner Wärmeabstrahlung (Stefan-Boltzmann-Gesetz) und das Emissionsmaximum verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen (Wiensches Verschiebungsgesetz). Eine wichtige Eigenschaft der Wärmestrahlung ist im Gegensatz zu der Wärmeleitung und Konvektion, dass sie kein Medium braucht, um sich auszubreiten. Sie kann sich also auch im Vakuum verteilen.

Die ausgesendete Wärmestrahlung wird, wenn sie auf andere Körper trift, teilweise reflektiert, teilweise absorbiert (vom Körper aufgenommen und in Wärme umgewandelt) und teilweise durchgelassen (transmittiert). Wieviel Energie abgewiesen, absorbiert oder transmittiert wird, ist von dem Material abhängig, auf das sie trifft.

Die wichtigsten Faktoren sind

  • der Stoff, aus dem der Körper besteht
  • die Beschaffenheit der Oberfläche
  • die Dicke des Körpers

So wird z. B. die Wärmestrahlung von rauen, dunklen Flächen stark absorbiert und sehr schwach reflektiert, glatte und weiße Flächen reflektieren und nehmen wenig Wärme auf (aber nicht jede weiße Oberfläche reflektiert den größten der Infrarotstrahlung). Auch die Dicke des Körpers bzw. des Stoffes beeinflusst die Aufnahme der Wärme. Je höher die Absorption, desto größer die Emission der Wärme. So nimmt z. B. Schnee viel Infrarotstrahlung von der Sonne auf und gibt sie nachts im gleichen Maße ab. Auch der Winkel, in dem die Quelle zu dem Körper steht, auf den die Infrarotstrahlung trifft, ist für die Wirkung der Wärmestrahlung ausschlaggebend. Beträgt der Winkel, in dem die Strahlung auf ein Objekt trifft 90°, wird dabei mehr Wärme übertragen als bei der Einstrahlung in einem flacheren Winkel.

Blanke Metalloberflächen verringern die Wärmeabstrahlung (z. B. Metallschichten an Rettungsdecken, Isoliertaschen und in Thermoskannen). Die Wärmeabstrahlung eines metallischen Körpers kann erhöht werden, indem man ihn mit einer dunklen, matten Beschichtung versieht (z. B. Lackierung von Heizkörpern, Eloxierung von Aluminiumkühlkörpern, Emailllierung von Öfen und Ofenrohren). Die Farbe solcher Schichten ist für die Wärmestrahlung ohne Bedeutung.

Die Wärmestrahlung wird besonders bei der Nutzung der Sonnenenergie durch Sonnenkollektoren und Solarzellen genutzt. Deswegen sind die Flächen in der Regel schwarz, damit sie die Energie besonders gut absorbieren können.

Auch die Heizflächen (Heizkörper, Strahlungsheizung [Fußboden- Wand- und Deckenheizungen, Thermische Bauteilaktivierung]) in den Räumen nutzen die Wärmestrahlung, um die Temperatur in Räumen und an den Einrichtungsgegenständen zu erhöhen.

Radiatoren geben einen großen Teil der Wärme durch Wärmestrahlung ab. Der Strahlungsanteil nimmt ab, je größer die Bautiefe ist. Daher sollten diese Heizkörper möglichst "flächig" ausgelegt werden. Denn je größer die sichtbare Fläche ist, desto größer ist auch die effektive Wärmeabgabe durch Wärmestrahlung.
Wenn die Radiatoren in Niedertemperatur-Systemen eingesetzt werden, dann müssen sie entsprechend groß ausgelegt werden. Wenn der Heizkörper nach innen gewölbte Teile hat und die Strahlung dadurch 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 (Plattenheizkörper).

IR-Strahler werden gerne als Bad-Zusatzheizung eingebaut, da sie sofort nach dem Einschalten sonnenähnliche Wärme abgeben und den Menschen direkt erwärmen. Auch beim Lüften entsteht kein wesentlicher Wärmeverlust, da die Luft nicht primär erwärmt wird.

Die glühenden Heizwendel eines Ceran-Kochfeldes geben die Wärme größtenteils in Form von Wärmestrahlung durch die transparente Keramik nach oben ab. Nur ein sehr kleiner Teil der Energie wird zu sichtbarem Licht und ein kleiner Teil der Energie wird durch Wärmeleitung transportiert.

Die wärmende Wirkung eines Lagerfeuers bzw. Feuer in einem offenen Kamin beruht fast nur auf Wärmestrahlung. Die zusätzlich erzeugte heiße Luft steigt weitgehend ungenutzt nach oben bzw. in den Schornstein. Bei einem Kaminofen wird der Strahlungsanteil geringer und der Konvektionsanteil erhöht sich.

Auch der menschliche Körper gibt Wärmestrahlung in einem Raum ab, da die Körperoberfläche wärmer ist als die Oberfläche des Fußbodens, der Wände und der Decke. Besonders im Winter wird es als angenehm empfunden, wenn sich relativ viel Wärmestrahlung in einem Raum befindet. Hierzu tragen gut wärmegedämmte Außenwände bei. Bestimmte Heizsysteme (z. B. Strahlungsheizungen) führen zu einem Wohlbefinden, auch wenn die Raumlufttemperatur unverändert bleibt, weil der Körper zusätzliche Wärmestrahlung empfängt bzw. weniger abgibt.

Die Wärmestrahlung kann aber auch zu Problemen führen, wenn die Wärme nicht entweichen kann. So spielt sie z. B. bei der globalen Erderwärmung eine Rolle. Treibhausgase in der Atmosphäre hindern die von der Erde reflektierte Sonnenwärmestrahlung daran, die Lufthülle der Erde zu durchdringen. Die Wärme kann dadurch nicht ins All entweichen, die Atmosphäre heizt sich auf.

Messung

Mit einer Wärmebildkamera (IR-Kamera) lässt sich auch für das Auge nicht sichtbare Wärmestrahlung registrieren (Thermografie). Es wird z. B. thermische Energie an Objekten (Flächenheizung, Gebäude) gemessen und bildlich dargestelt. Diese thermische oder infrarote Energie wird durch Lichtwellen übertragen. Dieses elektromagnetische Spektrums nimmt man als Wärme wahr.

Mit einem Infrarot-Thermometer (Strahlungsthermometer, Pyrometer) kann berührungslos eine Oberflächentemperatur gemessen werden. Es erfasst mit einem Sensor emittierende, reflektierte und durchgelassene Wärmestrahlung einer Fläche und wandelt diese Information in einen Temperaturwert um. Dabei muss der Emissionsfaktor des Materials bekannt sein und eingestellt werden.

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