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Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Physik mal wieder: Wärmeabstrahlung



Alex74
10.07.2011, 13:18
Hallo allerseits,

in einer Diskussion über Zweitaktmotoren bin ich auf folgende Aussage gestoßen:

Da wurde bei einem Motortyp, der offenbar generell zum Überhitzen neigt, empfohlen diesen schwarz anzumalen.
Begründung: Schwarze Objekte strahlen mehr Wärme ab als andersfarbige.

Meine Meinung:
Kann es sein daß hier jemand "Schwarzkörperstrahlung" falsch verstanden hat?

Klar: ein (idealer) schwarzer Körper strahlt nur noch die Wärmeenergie ab.
Aber: imho tut dies auch ein Körper jeder anderen Farbe plus noch das Spektrum seiner Farbe, das er aus dem Licht reflektiert, durch welches er beschienen wird.

Daher sollte ein schwarzer Motor (minimal) weniger Wärmeenergie abstrahlen, da er sämtliche Energie des sichtbaren Lichts absorbiert, im Gegensatz z.B. zu einem metallfarbenen Motor.

Wie seht Ihr das?

Gruß Alex

CAP
10.07.2011, 14:05
Hi Alex,
das mit der schwarzen Farbe ist völlig richtig.Schwarze Farbe hat den höchsten Emissionsgrad.
Wenn du intern erzeugte Wärme über Strahlung abführen willst, ist Schwarz die beste Wahl.
Mit einem Emissionsgrad von 94% ist "Martin black paint N- 150-1" die effektivste, die im "Spacecraft Thermal Control Handbook Fundamental Technologies by David G. Gilmore"
zu finden ist.
Bei Raumschiffen ist es wieder anders. Da kommt es dann auf das richtige alpha/epsilon Verhältnis an.
Grüße
CAP

Alex74
10.07.2011, 15:00
Hm, wie ist die Erklärung dafür?
Bislang war ich der Ansicht, daß die Eigenschaft "Farbe" lediglich das Reflektionsverhalten eines Materials beschreibt.
Dieses hängt also mit der Eigenschaft zusammen, wieviel Wärmestrahlung bei einer gewissen Temperatur abgegeben wird?

Bernhard
10.07.2011, 15:34
Hm, wie ist die Erklärung dafür?
Stell mal einen schwarz lackierten Aluminiumblock neben einem unlackierten Block im Sommer für 10 Minuten in die Sonne und lang dann beide Blocks an. Der schwarz lackierte wird dabei deutlich wärmer. Weil dieser Vorgang reversibel ist, gilt dieses Gesetz dann auch für die Emission von Wärmestrahlung. In der Elektronik sind Kühlkörper deswegen zumeist ebenfalls schwarz.
Gruß

Alex74
10.07.2011, 16:19
Danach habe ich doch gefragt: wie ist die Erklärung dafür daß der Vorgang reversibel ist?

Wenn ein Material dazu neigt, die Energie eingefangener Photonen in Eigenbewegung seiner Atome umzusetzen (statt sie auf mittlerer Wellenlänge direkt wieder abzustrahlen) dann muß das nicht zwangsläufig etwas mit der Neigung zu tun haben, die Energie der Eigenbewegung der Atome als langwellige EM-Strahlung umzuwandeln.

Wenn doch: warum?

Übrigens sind die Kühlkörper an den Geräten die ich hier habe fast alle silber bzw. metallfarben.

Kibo
10.07.2011, 17:14
HI Alex,
Schau mal hier:
http://de.wikipedia.org/wiki/Wärmestrahlung
und hier
http://de.wikipedia.org/wiki/Emissionsgrad

Bernhard
10.07.2011, 17:18
Wenn doch: warum?
Hallo Alex,

wenn man einmal von ein paar Ausnahmen in der Elementarteilchenphysik absieht, ist die gesamte Quantenmechanik und Elektrodynamik zeit-reversibel. Damit ist die gesamte QED reversibel und die sollte eigentlich ausreichen, um diesen Vorgang zu beschreiben. Soweit die Theorie. Messungen zur Infrarot-Abstrahlung habe ich noch nicht gemacht. Ich weiß nur, dass es da auch einen tabellierten Koeffizienten zu verschiedenen Materialien gibt.


Übrigens sind die Kühlkörper an den Geräten die ich hier habe fast alle silber bzw. metallfarben.
Mir sind vorhin auch etliche CPU-Kühkörper in ansprechend modischen Farben eingefallen. MMn spielt da der modische Eindruck auch eine gewisse Rolle.
Gruß

CAP
10.07.2011, 18:31
Stell mal einen schwarz lackierten Aluminiumblock neben einem unlackierten Block im Sommer für 10 Minuten in die Sonne und lang dann beide Blocks an. Der schwarz lackierte wird dabei deutlich wärmer.
Gruß
Das stimmt leider nur zum Teil.
Poliertes Aluminium z.B. hat einen alpha/epsilon quotienten von ca.3 wogegen Schwarz um die 1 herum schwirrt. Der polierte Alublock braucht zwar viel länger um auf seine Gleichgewichtstemperatur zu kommen, da er nur einen Absorptionsgrad von ca.0,15 hat im Vergleich zu Schwarz mit ca.0,9 aber er wird auf jeden Fall wärmer, da er nur einen Emissionsgrad von ca 0,05 besitzt und schwarz zwischen 0,8 und 0,94.
Hängt natürlich auch von der Größe des Blocks ab, wann die Gleichgewichtstemperaturen erreicht sind.

Bernhard
10.07.2011, 19:55
Das stimmt leider nur zum Teil.
Hi CAP,

meinst Du mit alpha die Temperaturleitfähigkeit a oder den Wärmeübergangskoeffizienten alpha?
Gruß

CAP
10.07.2011, 23:12
Hi Bernhard,
ich rede vom Absorptionsgrad "alpha" und dem Emissionsgrad "Epsilon".
Es geht ja auch um Strahlung und nicht um Konduktion oder Konvektion.
Die schwarze Lackschicht sollte was diese beiden Punkte angeht keinen Unterschied zum polierten Aluminiumblock machen, wenn die Schicht nicht gerade 10cm dick ist ;)
Gruß
Cap

Alex74
10.07.2011, 23:25
Im WP-Artikel "Wärmestrahlung" ist das soweit gut erklärt und dann als ich meinte es verstanden zu haben wird es wieder eingeschränkt mit:

Die Farbe solcher Schichten gilt nur für den relativ schmalen Bereich des sichtbaren Lichtes und ist für die Wärmestrahlung ohne Bedeutung.
Äh. Aha. Wenige Zeilen obendran wird noch erklärt daß schwarze Farbe die Emission erhöht und auf einmal ist die Farbe doch ohne größere Bedeutung?

Die Erklärung mit der Reversibilität von Quanteneffekten finde ich gut. Wenn mir jemand noch den Gegensatz von oben auflösen kann bin ich zufrieden ;)

Bernhard
11.07.2011, 00:06
Wenn mir jemand noch den Gegensatz von oben auflösen kann bin ich zufrieden ;)
Damit ist offensichtlich nur gemeint, dass man von der optischen Farbe (grün, rot usw.) nicht einfach auf den Emissions-, bzw. Absorptionskoeffizienten im Infrarot schließen darf, womit dann (vermutlich) auch die unterschiedlichen Farben der CPU-Kühlkörper erklärt sind.

Bernhard
11.07.2011, 00:37
Hi Alex,

ganz interessant ist vielleicht auch noch das hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenkollektor#Beschichtungen ;) .

CAP
11.07.2011, 08:01
Hi CAP,

meinst Du mit alpha die Temperaturleitfähigkeit a oder den Wärmeübergangskoeffizienten alpha?
Gruß
Wieso hattest du doch gleich gefragt?

Bernhard
11.07.2011, 08:59
Wieso hattest du doch gleich gefragt?
Hallo Cap,

mir war in der Tat nicht klar, was du mit alpha gemeint hast. Insofern galt die Nachfrage hauptsächlich der Vermeidung von Mißverständnissen.

Zusätzlich ist das Thema Reversibilität, alpha, epsilon noch nicht komplett umrissen. Inwieweit alpha gleich epsilon sein muss (aufgrund der Reversibilität) ist mir noch nicht zu 100% klar. Insbesondere im optischen Wellenlängenspektrum scheint es da noch weitere wichtige Effekte zu geben. Erste Anlaufstelle, wie so oft, Wikipedia.
Gruß

Ich
11.07.2011, 11:09
Wir haben Absorption = Emission bei jeder Wellenlänge.
Gewichtet mit dem Spektrum einfallenden Lichts ergibt sich alpha, gewichtet mit dem theoretischen Schwarzkörperspektrum des Körpers bei gegebener Temperatur ergibt sich epsilon. Die zwei sind wegen der unterschiedlichen Gewichtungsfunktionen eigentlich nie gleich.
Interessant: Metalle sehen für fernes Infrarot wohl alle aus wie Spiegel, zumindest wenn sie nicht zu grobe Oberfläche haben. Für Mikrowellen geht ja schon ein Lochblech als Spiegel durch, die nötige Oberflächenfeinheit richtet sich nach der Wellenlänge. Daher kommt das niedrige alpha, das CAP angesprochen hat. Bei Nichtleitern scheint es wohl genügend Molekülbanden oder so Zeug zu geben, an die man Energie abgeben kann, so dass sie alle im fernen IR als Schwarz durchgehen.
So reime ich mir zumindest zusammen, was da (http://www.imn.htwk-leipzig.de/~ebersb/bauphysik/lehrblatt/lehrblatt2.pdf)steht.

blacky
12.07.2011, 09:54
Ich hab mal in der Schule schon vor fast 50 Jahren gelernt:

Im Haus eines Physikers sind alle Heizkörper schwarz.

CAP
12.07.2011, 10:56
Eigentlich musste das Thema Heizkörper auch noch kommen ;)
Zum Thema Heizkörper und PC/Elektronikkühler.
Bei diesen Objekten geht der Großteil der Wärme über Konvektion an die Luft über.
Die effektive Strahlungsfläche ist relativ klein, deshalb bringt eine schwarze Farbe auch nicht viel.
Aus dem Stefan Boltzmann Gesetz geht die Temperatur mit der 4. Potenz hervor, d.h. dass die Farbe erst etwas bringt, wenn die Temperaturen höher werden.
Bei einem Motor könnte die Farbe also schon mehr bringen, als bei einem PC Kühler bzw einer Heizung.

Ich
12.07.2011, 10:57
Willkommen im Forum,

wie gesagt ist im relevanten Wellenlängenbereich - wenn wir da sehen könnten - jeder Lack schwarz bzw. bei Zimmertemperatur leicht glühend. Der Physiker kauft sich also auch den weißen Heizkörperlack und streicht alle 30 Jahre neu, wenn er beige geworden ist.

@CAP
Ich hab's selber nicht gerechnet, aber Wärmestrahlung soll mehr als die Hälfte ausmachen. Vielleicht nicht mehr bei den neueren Modellen, wenn der Heizkörper keine 50 °C mehr hat. Hinter den Heizkörpern bei mir daheim klebt auch Reflektorfolie an der Wand.

CAP
12.07.2011, 15:11
Ich denke eher, dass bei den neueren Modellen die Strahlung einen größeren Anteil hat, als bei älteren.
Die Neueren sind ja eher flach und haben keine Zwischenräume mehr.
Dadurch ist die Oberfläche insgesamt geschrumpft. Da die Flächen dieser Zwischenräume nicht als effektive Strahlungsflächen gelten, diese Flächen nun aber wegfallen, ist der Anteil an effektiver Strahlungsfläche größer.
Jedoch verhindert eine Spiegelfolie an der Wand nur, dass die Wärmestrahlung in die Wand geht. Damit wird die Rückseite der Heizung aber nicht zur effektiven Fläche, die gibt es nur auf der Raumseite.

Bernhard
13.07.2011, 07:58
Hinter den Heizkörpern bei mir daheim klebt auch Reflektorfolie an der Wand.
Heutzutage gibt es für den Bereich Heiztechnik den Berufszweig des Energieberaters. Solarthermie kann z.B. so gut eingesetzt werden, dass man im Sommer praktisch keinen Verbrauch mehr von Erdgas, bzw. Erdöl hat.
Gruß

CAP
13.07.2011, 10:24
Ja, sogar im Winter bringt es noch etwas!

Bernhard
13.07.2011, 15:52
Ja, sogar im Winter bringt es noch etwas!
Na da hat doch sicher "jemand" praktische Erfahrungen mit sowas :) .
Finde ich sehr lobenswert....

CAP
14.07.2011, 00:00
ja, tatsächlich, aber bisher nur Marke Eigenbau im WG Garten :D
Das mit dem Eigenheim dauert noch ein wenig, aber da kommt mit Sicherheit eine Solarthermieanlage aufs Dach :)

CAP
14.07.2011, 15:06
Ich hätte da eine Frage, die eigentlich ganz gut in diesen Thread passt.
Thema Solarzellen:
Angenommen die Oberfläche =1m^2 einer Solarzelle hat einen Absorptionsgrad von 90%.
Und die Zellen haben einen Wirkungsgrad von 30%.
Einstrahlung:1370W/m^2
Wenn ich eine Thermalsimulation machen möchte, muss ich dann 1370*0,9(Absorptionsgrad)*0,7(Gedanke) für die Bestrahlungstärke nehmen? Oder nur 1370*0,9 ?
30% der einfallenden Strahlung werden ja in elektrische Energie überführt, dürften also nicht mehr in der Thermalsimulation auftauchen, wenn ich nicht gerade den Akku oder Verbraucher mit simulieren möchte, oder?

Ich
14.07.2011, 17:02
30% der einfallenden Strahlung werden ja in elektrische Energie überführt, dürften also nicht mehr in der Thermalsimulation auftauchen, wenn ich nicht gerade den Akku oder Verbraucher mit simulieren möchte, oder?
Ja, aber die 30% (18 % sind's bestenfalls in echt) gelten für die ankommende Strahlung, also im Prinzip 1370*(0,9-0,3).

CAP
14.07.2011, 18:39
ok verstehe, aber
Wirkungsgrad (http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle#Wirkungsgrad)
Die Dreischichtsolarzellen sind natürlich unrealistisch für den Privatgebrauch, aber sind in der Raumfahrt Pflicht, wenn an Gewicht gespart werden muss.

Ich
14.07.2011, 19:52
Ach so, du bist im Weltraum. Hab mich schon über die 1370 W/m² gewundert.

Bernhard
13.02.2012, 08:10
Hallo zusammen,

mittlerweile habe ich endlich kapiert, dass man bei Themen wie diesem sowohl die Wärmeabstrahlung, als auch den Wärmeübergang durch Konvektion betrachten muss. Der Wärmeübergang durch Konvektion ist dabei stark davon abhängig, ob der Motor von der umgebenden Luft umströmt wird oder nicht :o .

Die Wärmeabstrahlung ist zusätzlich stark von der Oberflächenbeschaffenheit des Körpers abhängig, weswegen Heiz-, Kühlkörper und auch Motoren (z.B. große Schiffsmotoren) scheinbar ganz gerne lackiert werden: http://de.wikipedia.org/wiki/Emissionsgrad#Tabellen. Man beachte dabei z.B. die Werte für poliertes, bzw. oxidiertes Eisen.
MfG