Big Bang HTL 3, Schulbuch

Energieübertragung durch EM-Wellen 9 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 85 Es gibt zahlreiche Anwendungen, bei denen IR durch Laser oder Laserdioden erzeugt wird, etwa bei Fernbedienungen, Lichtschranken, Rauchmeldern und Schnittstellen von Laptops oder Handys, aber auch bei der Datenübertragung durch Glasfaserkabel und beim medizinischen Laser. In all diesen Fällen liegt der Ursprung des Infrarots nicht in der Wärmestrahlung eines Objekts. Auf der anderen Seite strah- len Körper mit einigen hundert Kelvin, also so gut wie alle Gegenstände in deiner Umgebung, infrarot (Abb. 9.14), und daher kommt auch die saloppe Gleichsetzung von IR und Wärmestrahlung ( F12 ). Bleiben wir bei der Wärmestrahlung. Sie ist neben Wärmeleitung und Konvektion der dritte Mechanismus der Wärmeübertragung (Kap. 15, NAWI 1), der aber im Gegen- satz zu den beiden anderen nicht an Materie gebunden ist. Wärmestrahlung gibt es auch im Vakuum. Wenn Gegenstände große Flächen haben und ihre Tempera- turen weit über der der Umgebung liegen, dann kann der Wärmeverlust durch Strahlung beträchtlich sein. Mit spezi- ellen Kameras kann man Wärmebilder erstellen und so z. B. die Isolation von Häusern überprüfen (Abb. 9.15). Metalle re- flektieren EM-Wellen, also auch Wärmestrahlung. Das nutzt man z. B. bei innen verspiegelten Thermosgefäßen aus und bei Alufolien, in die man Speisen und Menschen einpackt. Info: Pizza und Marathonläufer Abb. 9.14: Schwarzkörperstrahlung bei einigen 1000K (a) und bei Zimmertemperatur (b): Bei b ist die Kurve um den Faktor 1 Million überhöht, um sie darstellen zu können. Abb. 9.15: Die Fassade rechts ist isoliert und strahlt daher weniger Wärme ab. Ultraviolett schließt an den sichtbaren violetten Bereich des Lichts an (Abb. 7.3, S. 67), und man unterteilt es in UV-A bis UV-C (Tab. 9.1). Ein nicht unwesentlicher Teil des Sonnen- lichts liegt im UV-Bereich (Abb. 9.5, S. 81). Ein gewisses Maß an Sonne ist gesund, weil es das Wohlbefinden steigert und die Bildung von Vitamin D anregt. relative Photonenenergie Wellenlänge in 10 –7 m Frequenz 10 14 Hz rot 1–1,2 6,5–7,5 4,0–4,6 blau 1,5–1,8 4,2–4,9 6,1–7,1 UV-A 1,9–2,3 3,2–4,0 7,5–9,38 UV-B 2,3–2,7 2,8–3,2 9,38–10,7 UV-C 2,7–3,8 2,0–2,8 10,7–15 Tab. 9.1: Die absolute Photonenenergie lässt sich mit E = h · f berechnen ( h = 6,62 · 10 –34 Js). Zuviel ist aber wegen des UV-Anteils schädlich für die Haut und kann letztlich zu Hautkrebs führen. Durch das Abneh- men der Ozonschicht hat sich die „Aggressivität“ des Son- nenlichts in den letzten Jahrzehnten drastisch erhöht. Wich- tig: Es gibt keine bräunende Strahlung, die nicht auch hautschädigend ist, auch nicht im Solarium! Info: Ozonloch -> S. 86 Zusammenfassung UV und IR schließen direkt an den sichtbaren violetten bzw. roten Teil des Lichts an. Für IR gibt es eine breite Palette von Anwendungen, bei UV steht auf Grund seiner hohen Energie vor allem der hautschädigende Charakter im Vordergrund. Pizza und Marathonläufer Schätzen wir die wärmedämmende Wirkung von Alufolien ab. Nimm an, eine große Pizza kommt mit 80 °C (353K) aus dem Holzofen und hat einen Durchmesser von 37cm. Das macht, beide Seiten gerechnet, eine Fläche von 0,22m 2 . Nehmen wir vereinfacht an, die Pizza ist ein schwarzer Strahler. Dann kann man die abgestrahlte Wärme mit dem Gesetz von J OSEPH S TEFAN und L UDWIG B OLTZMANN berechnen: I = σ · A · T 4 . σ (Sigma) ist die Stefan-Boltzmann- Konstante mit dem Wert 5,7· 10 –8 W/m 2 K 4 . Die Pizza strahlt 190 W ab, bekommt aber vom Zimmer (293K) nur rund 90 W zurück. Bleibt netto eine Wärmestrah- lung von 100 W über. Solange die Pizza ihre Temperatur be- hält, wirkt die Alufolie so, als würdest du die Pizza in die Mikrowelle legen und auf 100 W aufdrehen ( F13 )! Das ist schon was! Wenn ein Marathonläufer (Hautfläche 1,5m 2 ) eine Hauttem- peratur von 32 °C hat und draußen hat es 15 °C, dann ergibt das netto eine Wärmestrahlung von 152 W. Auch in diesem Fall ist die Wirkung einer Aludecke nicht zu unterschätzen. i Z Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv