Wie stehen die Stefan‐Boltzmann‐Konstante und das Planck‘sche Spektrum zueinander in Beziehung.
Das Planksche Strahlungsspektrum beschreibt die Wellenlängenverteilung der Strahlung eines schwarzen Körpers
Die Stefan-Boltzmann-Konstante ergibt sich aus der Integration des Planck‘schen Spektrums über alle Wellenlängen
Wie stehen Frequenz und Wellenlänge des Lichts im Zusammenhang
Frequenz und Wellenlänge des Lichts sind umgekehrt proportional zueinander
—> Höhere Frequenz bedeutet niedrigere Wellenlänge und umgekehrt
Erklären Sie das Wien'sche Verschiebungsgesetz mittels einer Skizze
Das Wiensche Verschiebungsgesetzt beschreibt die Verschiebung der Wellenlänge, bei der die maximale Intensität der Strahlung eines Schwarzkörpers auftritt, in Abhängigkeit von der Temperatur des Körpers
—> Bei steigender Temperatur des Schwarzkörpers, verschiebt sich das Spektrum hin zu kürzeren Wellenlängen
Erklären Sie die allgemein die Begriffe Absorption, Transmission und Reflexion. Durch welche
Formelzeichen lassen Sie sich darstellen? Wie stehen sie zueinander in Beziehung (Gleichung)?
Absorption:
—> Energiestrom, der durch Strahlung transportiert wird, wird im Körper in thermische Energie umgewandelt
Reflexion:
—> Lichtstrahlen werden wieder zurückgeworfen
—> Es gibt abbildende Reflexion (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) und gestreute Reflexion (diffuse Strahlung in alle Richtungen)
Transmission:
—> Strahlung durchdringt das Material
Zusammenhang:
Ist die Strahlungs‐Absorption (Transmission, Reflexion) einer Oberfläche abhängig von der Frequenz der Strahlung? Beschreiben Sie ausführlich.
Ja das Strahlungsverhalten von Materialien unterscheidet sich erheblich zwischen den Wellenlängen.
Die Frequenzabhängigkeit der Absorption, Reflexion und Transmission eines Materials beruht auf den spezifischen Wechselwirkungen der Strahlung mit den Elektronen und Molekülen des Materials. Diese Wechselwirkungen sind unterschiedlich, je nachdem, ob die Strahlung hochfrequent (UV, sichtbares Licht) oder niedrigfrequent (IR, Radiowellen) ist.
Was ist thermische Strahlungsemission – mit welchem Gesetz lässt sich die Strahlungsleistung eines idealen Strahlers berechnen?
Thermische Strahlungsemission beschreibt die elektromagnetische Strahlung, die von einem heißen Körper aufgrund seiner Temperatur abgegeben wird. Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt emittiert Strahlung in Form von elektromagnetischen Wellen, wobei die Art und Intensität der Strahlung von der Temperatur des Körpers abhängt. Diese Strahlung wird oft als Wärmestrahlung bezeichnet und ist eine der wichtigsten Mechanismen für den Wärmeübergang zwischen Körpern.
Berechnung mittels Stefan-Boltzmann-Gesetz:
Was ist unter einem spektralen und was unter einem integralen Emissionsverhältnis zu verstehen?
Spektrale Emissionsverhältnis:
—> Gibt das Emissionsverhältnis eines Körpers zu einer gewissen Wellenlänge an
—> Das bedeutet, wie viel strahlt dieser Körper bei einer gewissen Wellenlänge aus im Vergleich zu einem schwarzen Körper
Integrale Emissionsverhältnis:
—> Es wird das Integral des Strahlungsflusses über allen Wellenlängen gebildet
—> Es wird ins Verhältnis zum Integral des idealen Körpers gestellt
Warum ist es richtig, von einem Strahlungsaustausch, jedoch falsch, von einem Wärmeaustausch zu sprechen?
Wärme ist das Integral von einem Wärmestrom. Und der Wärmestrom ist ein Energiestrom über eine Systemgrenze aufgrund einer Temperaturdifferenz.
Da Strahlung nicht aufgrund einer Temperaturdifferenz stattfindet, und für Strahlung nicht mal ein Medium benöitgt wird, kann man nicht von Wärme sprechen.
Daher ist Strahlungsaustausch zwar korrekt, Wärmeaustausch allerdings nicht.
Was besagt das Kirchhoff'sche Strahlungsgesetz?
Das Kirchhoff’sche Strahlungsgesetz besagt, dass für eine Wellenlänge das Emissionsverhältnis gleich dem Absorptionskoeffizienten ist.
Das bedeutet, wenn es sich um einen Schwarzkörper handelt, der vollständig die Strahlung absorbiert, hat dieser gleichzeitig das maximale Emissionsverhältnis. Das macht auch Sinn, da der Schwarzkörper eben auch das planksche Strahlungsspektrum emittiert.
Handelt es sich um einen Spiegel, mit 100 % Reflexion, dann gibt es keine Absorption und somit wäre auf die Emission gleich null.
Wie ist ein idealer (schwarzer) Strahler zu charakterisieren? Wie kann eine kleine Fläche mit den
Eigenschaften eines idealen Strahlers erzeugt werden?
Ein idealer (schwarzer) Strahler ist ein theoretisches Konzept, das als Modell für ein Material dient, das alle elektromagnetischen Wellen, die auf es treffen, perfekt absorbiert und auch mit maximaler Effizienz emittiert. Ein solcher Körper wird als schwarzer Körper bezeichnet.
—> absorbiert alle Strahlungen über alle Wellenlängen vollständig
—> emittiert das planksche Strahlungsspektrum (also Strahlung mit maximaler Intensität in Abhängigkeit der Temperatur)
Mittels Hohlraumstrahlung lässt sich ein idealer Strahler erzeugen. Das Material innerhalb des Hohlraums strahlt mit einem gewissen Emissionsfaktor. Angenommen mit 70 %. Diese 70 % treffen auf die gegenüberliegende Seite, werden zum Teil reflektiert und diese Seite strahlt ebenfalls mit 70 %. Somit steigt die gesamte Strahlungsleistung bis nahezu 100 % an.
Die Strahlung, die als den Hohlraumkörper verlässt, entspricht somit der vom plankschen Strahlungsspektrum
Nach dem Kirchhoff'sche Strahlungsgesetz sind Absorptionskoeffizient und Emissionsverhältnis gleich, warum gibt es dann Tabellen, in denen für Materialien αsol von εtherm abweicht?
Was ist eine selektive Absorberbeschichtung? Erklären Sie ausführlich
Eine selektive Absorberbeschichtung ist eine spezielle Beschichtung, die dazu dient, Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich effizient zu absorbieren, während sie Strahlung außerhalb dieses Bereichs weitgehend reflektiert oder durchlässt.
—> Hohe Absorption von kurzwelliger Strahlung
—> Hohe Reflexion von langwelliger IR-Strahlung
Beschreiben Sie, worauf es bei einer selektiven Strahlungsverhalten beim Absorber und beim
Abdeckungsglas ankommt.
Das Abdeckungsglas sollte möglichst durchlässig für kurzwelliges und sichtbares Licht sein, da dies der größte Anteil des solaren Spektrums ist und dieser somit die meiste Energie enthält. Es soll jedoch möglichst reflektierend für das Nutzspektrum (Infrarot-Strahlung) sein, da diese somit zum Absorber zurückreflektiert werden kann.
Der Absorber soll bestenfalls das solare Spektrum maximal absorbieren und das Nutzspektrum ebenfalls reflektieren, sodass die Strahlung vom Wasser bzw. vom Medium im Absorber nicht durch den Absorber transmittiert.
Für das Klima der Erde spielt das optische Verhalten von Wolken eine große Rolle. Erklären Sie an einer Wolke den Unterschied zwischen Emission und Reflexion.
Die Reflexion von Solarstrahlung an Wolken, würde bedeuten, dass dies einen kühlenden Effekt auf das Klima haben. Weniger Solarstrahlung gelingt bis auf den Boden.
Jedoch können die Wolken auch Strahlung absorbieren. Zum einen die Solarstrahlung und zum anderen auch die Wärmestrahlung der Erde. Durch vermehrte Wolken, wird somit dann auch vermehrt Wärmestrahlung auf die Erde zurückgeworfen, wodurch die Wärmestrahlung der Erde nicht in das Weltall strahlen kann.
Zuletzt geändertvor 2 Monaten
