Physik mal wieder: Wärmeabstrahlung

Alex74

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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

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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

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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

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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
 
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Alex74

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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.
 

Bernhard

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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
 
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CAP

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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.
 
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CAP

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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

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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

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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

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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

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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 steht.
 

blacky

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Ich hab mal in der Schule schon vor fast 50 Jahren gelernt:

Im Haus eines Physikers sind alle Heizkörper schwarz.
 

CAP

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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

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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.
 
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CAP

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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.
 
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