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Wärmestrahlung interaktiv

Ein gemütlich-knisterndes Lagerfeuer verbreitet wohltuende Wärme. Doch wenn man sich dem Feuer zu sehr nähert, wird es schnell unangenehm heiß. Wärmestrahlung ist unsichtbar, aber man kann sie spüren und messen. Erforschen lässt sich dieses Phänomen in der Interaktivität zur Wärmestrahlung. Wählbar sind verschiedene Strahlungsquellen – wie beispielsweise Feuer, Infrarotlampe oder Eisenschmelze –, der Abstand und eine Hand oder ein Wärmemessgerät als Strahlungsempfänger.

Versuch zur Wärmestrahlung starten

Für den schwarzen Körper lassen sich Temperaturen von bis zu 2.000 °C einstellen. In diesem Beispiel hat man sich für 1.500 °C entschieden. Bei einer Entfernung von einem Meter werden 44,47 kW Wärmestrahlung abgegeben.

Funktionsweise des Experiments

Zunächst muss man sich für eine Strahlungsquelle entscheiden. Zur Auswahl stehen: Heizung, Infrarotlampe, kleines Feuer, großes Feuer, Eisenschmelze und schwarzer Körper. Als Strahlungsempfänger steht eine Hand oder ein Gerät zum Messen der Wärmestrahlung bereit. Nachdem man den Start-Knopf gedrückt hat, kann man den Abstand zur Strahlungsquelle über den Schieberegler justieren.

Detailansicht der Simulation: ein kleines Feuer

Bei einem Abstand von 25 cm wird ein kleines Feuer schon nach ca. 21 Sekunden als viel zu heiß empfunden.

Was unterscheidet Wärme und Temperatur?

Wärme ist in der Physik klar definiert, im Alltag wird das Wort "Wärme" aber meistens falsch benutzt. Denn Wärme ist kein Gegenstand, den man anfassen oder transportieren könnte, und sie ist auch kein Zustand eines Gegenstandes, etwa von Luft. Wenn Otto Normalverbraucher von der "Wärme der Luft" spricht, meint er eigentlich ihre Temperatur.

Die Wärme hingegen ist eine Energieform, die zwischen zwei Substanzen transportiert wird. Während die Temperatur den Zustand einer Substanz beschreibt, beschreibt die Wärme den Vorgang des Energietransports, einen Energieaustausch - etwa wenn die Energie vom Kochtopf auf das Nudelwasser oder von der Flamme auf die Umgebungsluft übertragen wird. Diese Energieübertragung läuft immer vom heißeren zum kälteren System, sodass sich Ersteres abkühlt und Letzteres erwärmt, bis beide dieselbe Temperatur haben.

Detailansicht der Simulation: Eisenschmelze

Die Wärmestrahlung der Eisenschmelze beträgt – gemessen mit einem Abstand von einem Meter – 43,8 Kilowatt.

Je heißer ein "System", desto bewegter ist es. Handelt es sich beispielsweise um einen Festkörper, etwa ein Stück Eisen, so vibrieren die Eisenatome in ihrem Gitter umso heftiger, je heißer das Stück ist. Ist das System eine Flüssigkeit wie Wasser, so zittern die Moleküle durcheinander, stoßen immer wieder aneinander und tauschen ihre Bewegungsenergie untereinander aus.

Drei Arten des Energieaustauschs

Der Energieaustausch namens "Wärme" läuft immer vom heißeren zum kühleren System und kann auf drei Arten erfolgen, oder als Mischform davon:

1. Wärmeleitung (unter Festkörpern und stehenden Flüssigkeiten): Beide Substanzen müssen in direktem Kontakt stehen, damit die heftig vibrierenden Atome oder Moleküle der heißeren Substanz an der Grenzfläche ihre Bewegungsenergie (kinetische Energie) an die Atome oder Moleküle der kühleren Substanz übertragen können, bis beide Substanzen dieselbe Temperatur angenommen haben.

Detailansicht der Simulation: Infrarotlampe

Schon nach ungefähr 20 Sekunden wird eine 13 cm entfernte Infrarotlampe als zu unangenehm heiß wahrgenommen.

2. Wärmekonvektion oder Wärmeströmung (bei bewegten Flüssigkeiten und Gasen): Hier schwingen die heißen Teilchen nicht um eine feste Position, sondern bewegen sich frei im Raum. Je heißer die Substanz, desto schneller fließen oder fliegen die Moleküle und stoßen in immer kürzeren Abständen mit anderen zusammen. Die Wärme "fließt" mit dem Gas- oder Flüssigkeitsstrom, etwa wenn heiße Luft nach oben steigt.

3. Wärmestrahlung oder thermische Strahlung (bei Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern): elektromagnetische Strahlung, die thermische Energie erzeugen oder übertragen kann, vor allem die Infrarotstrahlung. Sie ist als elektromagnetische Welle nicht an ein Trägermedium gebunden.

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