Eigenschaften der Wärmestrahlung
Die Eigenschaften der Wärmestrahlung hängen von den folgenden Eigenschaften des emittierenden Objekts oder Körpers ab:
• Oberflächentemperatur
• Glätte oder Rauheit der Oberfläche
• Spektraler Absorptionsgrad
• Spektrale Emissionsleistung
Wie elektromagnetische Wellen besteht die Wärmestrahlung aus einer kontinuierlichen Dispersion von Photonen-Energien mit einem Spektrum von Frequenzen oder Wellenlängen. Bei einem emittierenden Körper variieren die Verteilung des Spektrums, der Spitzenwert der Wellenlänge und die Gesamtstrahlungsmenge aller Wellenlängen mit der Oberflächentemperatur des emittierenden Körpers. Im Gegenzug sind bei einer gegebenen Oberflächentemperatur der Absorptionsgrad, die Reflexion und der Emissionsgrad des emittierenden Körpers von der Wellenlänge der Strahlung abhängig.
Austausch von Strahlungsenergie
Alle Körper strahlen Energie in Form von Photonen ab, die sich in eine zufällige Richtung bewegen, mit zufälliger Phase und Frequenz. Wenn von der Oberfläche eines Körpers abgestrahlte Photonen die Oberfläche eines anderen Körpers erreichen, wie in Abbildung 2.35 dargestellt, können sie absorbiert, reflektiert und/oder transmittiert werden. Das Verhalten einer Oberfläche, auf die Strahlung auftrifft, kann durch die folgenden Größen beschrieben werden.
Referenzen: R. Siegel und J. R. Howell, "Thermal Radiation Heat Transfer", Hemisphere Publishing Corporation, Washington DC, 1992.
• Absorption α – Anteil der auftreffenden Strahlung, die bei einer gegebenen Wellenlänge absorbiert wird.
• Reflexion ρ – Anteil der auftreffenden Strahlung, die bei einer gegebenen Wellenlänge reflektiert wird.
• Transmission τ – Anteil der auftreffenden Strahlung, die bei einer gegebenen Wellenlänge transmittiert wird.
Die drei Koeffizienten sind Funktionen der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen in Strahlung λ. Aus Energiesicht müssen sie summiert 1 ergeben:
Gleichung 2.273
Gemäß dem Kirchhoffschen Wärmestrahlungsgesetz ist der Emissionsgrad eines emittierenden Körpers aufgrund der Reziprozität gleich dem spektralen Absorptionsgrad für eine bestimmte Wellenlänge:
Gleichung 2.274
Dabei ist ε der Emissionsgrad, das Verhältnis der abgestrahlten Energie von einem emittierenden Körper zu dem eines perfekten Emitters (schwarzer Körper) bei derselben Temperatur und Wellenlänge.
Abbildung 2.35
Die Gleichung 2.273 gibt an, dass das Reaktionsverhalten eines Körpers in Bezug auf die Wärmestrahlung durch die Absorption α, die Reflexion ρ und die Transmission τ charakterisiert wird. Je nach den Werten von α, ρ und τ sind die folgenden idealisierten Typen des emittierenden Körpers definiert:
Referenzen: R. Siegel und J. R. Howell, "Thermal Radiation Heat Transfer", Hemisphere Publishing Corporation, Washington DC, 1992.
• Undurchsichtiger Körper – Transmittiert keine Strahlung, die ihn erreicht, kann aber eine gewisse Strahlung reflektieren. τ = 0 und α + ρ = 1
• Transparenter Körper – Transmittiert die gesamte Strahlung, die ihn erreicht. τ = 1 und α = ρ = 0
• Schwarzer Körper – Von Planck vorgeschlagenes theoretisches Modell. Ein schwarzer Körper ist ein Objekt, das die auf ihn auftreffende elektromagnetische Strahlung jeglicher Wellenlänge vollständig absorbiert, unabhängig von Frequenz oder Winkel des Auftreffens. Wenn ein Strahlung emittierendes Objekt die physikalischen Eigenschaften eines schwarzen Körpers im thermodynamischen Gleichgewicht erfüllt, wird die Strahlung als Schwarzkörperstrahlung bezeichnet. Bei einem schwarzen Körper ist α = ε
und 
und • Weißer Körper – Von diesem wird angenommen, dass er alle auftreffenden Strahlen vollständig und gleichmäßig in alle Richtungen reflektiert. 
und 
und • Grauer Körper – Ein Körper, für den 
und 
unabhängig von Temperatur und Wellenlänge sind.
ist für alle Wellenlängen gleich. Die Strahlung eines grauen Körpers oder einer grauen Fläche wird als graue Strahlung bezeichnet. Im Gegensatz zu grauer Strahlung wird die Wärmestrahlung mit einem Spektrum von Wellenlängen als nicht-graue Strahlung bezeichnet.
und unabhängig von Temperatur und Wellenlänge sind. ist für alle Wellenlängen gleich. Die Strahlung eines grauen Körpers oder einer grauen Fläche wird als graue Strahlung bezeichnet. Im Gegensatz zu grauer Strahlung wird die Wärmestrahlung mit einem Spektrum von Wellenlängen als nicht-graue Strahlung bezeichnet.Strahlungsleistung
• Leistung
– Gesamt- oder Netto-Strahlungsenergie, die pro Zeiteinheit für eine gegebene Quelle emittiert, reflektiert, transmittiert oder empfangen wird.
– Gesamt- oder Netto-Strahlungsenergie, die pro Zeiteinheit für eine gegebene Quelle emittiert, reflektiert, transmittiert oder empfangen wird.• Bestrahlungsstärke (
) – Strahlungsleistung, die von einer Fläche 
pro Flächeneinheit empfangen wird. 
) – Strahlungsleistung, die von einer Fläche pro Flächeneinheit empfangen wird. • Emittanz (
) – Strahlungsleistung, die von einer Fläche 
pro Flächeneinheit emittiert wird. 
) – Strahlungsleistung, die von einer Fläche pro Flächeneinheit emittiert wird. • Intensität (
) – Leistung, die in einer gegebenen Richtung (Raumwinkel 
) für eine gegebene Quelle abgestrahlt wird. 
) – Leistung, die in einer gegebenen Richtung (Raumwinkel ) für eine gegebene Quelle abgestrahlt wird. • Strahldichte (
) – Strahlungsleistung, die von einer gegebenen Fläche emittiert, reflektiert oder transmittiert wird, pro Raumwinkel und pro projizierter Fläche. 
) – Strahlungsleistung, die von einer gegebenen Fläche emittiert, reflektiert oder transmittiert wird, pro Raumwinkel und pro projizierter Fläche. • Plancksches Gesetz
Die von einem Körper bei einer beliebigen Temperatur emittierte Wärmestrahlung umfasst einen breiten Frequenzbereich. Für einen schwarzen Körper beschreibt das Planksche Gesetz die Frequenzverteilung der Schwarzkörperstrahlung nur als Funktion der Objekttemperatur. Planck zeigte, dass für die spektrale Strahldichte eines schwarzen Körpers 
, definiert als die Leistung, die pro Flächeneinheit des Körpers, pro Raumwinkel, über den die Strahlung gemessen wird, und pro Frequenz, 
, folgende Formel bezogen auf die Körpertemperatur gilt:
, definiert als die Leistung, die pro Flächeneinheit des Körpers, pro Raumwinkel, über den die Strahlung gemessen wird, und pro Frequenz, , folgende Formel bezogen auf die Körpertemperatur gilt:
Gleichung 2.275
Dabei gilt:
 | Boltzmann-Konstante |
h | Planck-Konstante |
c | Lichtgeschwindigkeit im Vakuum oder materiellen Medium |
Die spektrale Strahldichte wird auch abhängig von der Wellenlänge λ dargestellt:
Gleichung 2.276
• Stefan-Boltzmann-Gesetz:
Durch die Integration des Planckschen Gesetzes über die Frequenz v ist die durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz gegebene Leistung die Leistung, die ein schwarzer Körper in Bezug auf seine Temperatur emittiert. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz ist auch als Schwarzkörperstrahlung bekannt. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz besagt, dass die Gesamtenergie, die pro Einheit des Flächeninhalts eines schwarzen Körpers über alle Wellenlängen pro Zeiteinheit ausgestrahlt wird, direkt proportional zur vierten Potenz der thermodynamischen Temperatur des schwarzen Körpers ist. 
:
:
2.277
Dabei gilt:
σ | Stefan-Boltzmann-Konstante |
M | Ausstrahlung |
Ein grauer Körper, der nicht die gesamte auftreffende Strahlung absorbiert, emittiert weniger Gesamtenergie als ein schwarzer Körper. Durch die Einführung des Emissionsgrads 
(Schwarzkörper: 
) wird die Gleichung 2.277 auf einen grauen Körper erweitert:
(Schwarzkörper: ) wird die Gleichung 2.277 auf einen grauen Körper erweitert:
2.278
Gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz werden die Strahldichte und die Leistung, die von einem Körper emittiert werden, wie folgt berechnet:
Gleichung 2.279
Gleichung 2.280
• Wiensches Verschiebungsgesetz
Das Wiensche Verschiebungsgesetz besagt, dass die Wellenlänge λ, bei der die spektrale Strahldichte eines Schwarzkörpers pro Wellenlänge ihren Spitzenwert erreicht, umgekehrt proportional zur Temperatur ist:
Gleichung 2.281
Dabei ist b die Wiensche Verschiebungskonstante.
Modellkonstanten
Die Modellkonstanten, die in den obigen theoretischen Modellen verwendet werden, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
h | Plancksche Konstante | 6,626 069 3(11) ×10-34J-s = 4,135 667 43(35) ×10-15eV-s |
b | Wiensche Verschiebungskonstante | 2,897 768 5(51) ×10-3m-K |
kB | Boltzmann-Konstante | 1,380 650 5(24) ×10-23J/K = 8,617 343 (15) ×10-5eV/K |
σ | Stefan-Boltzmann-Konstante | 5,670 373 (21) ×10-8 W/(m2-K4) |
c | Lichtgeschwindigkeit | 299 792 458 m/s |