Der Kreis schließt sich!

[fallili]

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Die Unterschiede zwischen Ihrem Hausexperiment und der Situation im Weltall ist neben dem fehlenden Vakuum auch der Umstand, dass die Abstrahlung der Aluplatte gegen die 20°C-Warme Zimmerwand in die Energiebilanz eingeht und im Weltall gegen die -273°C (~0K) Hintergrundtemperatur.
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Mike

@McDaniel
Die obige Aussage von Mikesch muss ich etwas präzessieren.
Wärmestrahlung ist Wärmestrahlung und es ist egal gegen welche "Hintergrundtemperatur" sie abgegeben wird.
Wendet man die Formel an sieht man dass 1 m2 bei 290 K bis zu ca. 550 W/m2 abstrahlt (Emissionsgrad 1).
Das Problem, dass Du hier auf der Erde hast ist aber, dass die ganze Umgebung ja auch schon die Temperatur von 290 K hat.
Was also dazu führt, das Deine Platte hier auf der Erde zwar 550 W/m2 abstrahlt aber auch konstant 550 W/m2 empfängt.

Du sagst zwar ständig, das Du das Problem hast, dass die Luft Deine Dose kühlt aber es ist genau umgekehrt: Du hast das Problem das die Luft (und die ganze Umgebung) Deine Dose wärmt!
Wenn es anders wäre müsste sich die Dose ja - ohne Einschalten Deiner Wärmequellen auch auf ca. 3K abkühlen. Solange dies auf der Erde nicht "simulierbar" ist, sind daher die ganzen Messungen Makulatur.

Ich versteh nicht warum Du das nicht einfach über die Formel berechnest - bzw. anscheinend den Rechnungen nicht glaubst.
Nimm einen ganz einfachen "Kugelsatelliten" mit 1 m Radius.
Die für den Empfang der Sonnenenergie wirksame Fläche ist 3,14 m2 - auf diese Fläche wirken 1,9 kW/m2.
Die für die Abstrahlung von Energie wirksame Fläche bleibt aber die gesamte Oberfläche - das sind 12,6 m2.

Ohne nun die Zahlen in einen Rechner einzutippen sehe ich schon, dass sich da ein Gleichgewicht bei etwa "Zimmertemperatur" einstellen würde, wenn man ein gleichmäßige Wärmeverteilung über die gesamte Oberfläche hinkriegen würde.

Diese real ungleichmäßige Temperaturverteilung macht natürlich auch Problem für eine wirklich realistische Berechnung. Aber wie schon bei der Mondoberfläche berechnet wurde, ist bei etwa 130 °C tatsächlich eine Gleichgewicht zwischen eingestrahlter Sonnenenergie und Abstrahlenergie vorhanden.
Also kann so eine Kugel selbst am heißesten Punkt nicht über diese Temperatur kommen, selbst wenn Sie schwarz beschichtet wäre.

[McDaniel-77]

Ich wusste, dass diese Kritikpunkte auftauchen fallili !

1. Die Glühbirne ist in direkter Nähe zu der Blechdose und hat etwa die gleiche Größe, daher kann man mit etwas räumlichen Denkvermögen die Größe der Blechdose sehr gut abschätzen. Ich würde sie auf 5-6 cm im Durchmesser und 6-7 cm in der Höhe abschätzen.

2. Größe der Blechdose:

- Durchmesser 6,3 cm
- Höhe 6,2 cm

> Oberfläche ca. 140 cm²

3. Strahlung im Weltraum in Erdnähe liegt bei 1.900 W/m². Damit die Blechdose ungefähr eine ähnliche Strahlungsleistung abbekommt, müsste sie mit etwa 13,3 W bestrahlt werden.
Der Heizstrahler stahlt von einer Fläche mit 20 cm x 28 cm = 560 cm² radial ab. Die Dose befindet sich etwa in 25 cm Entfernung. Dadurch entspricht die angestrahlte Fläche 70 cm x 78 cm = 5.460 cm².

5.460 cm² / Halbe Fläche der Blechdose 140/2 cm² = 78

Heizleistung auf Blechdose:

1.200 W / 78 = 15,3 W

Beitrag der Glühlampe:

12 cm Entfernung zur Blechdose, radiale Abstrahlung.

1.809 cm² Kugeloberfläche, 75 W, 70 cm² angestrahlte Fläche der Dose - 2,9 W.

Gesamtstrahlung auf Blechdose:

Wärmestrahler + Glühlampe = 15,3 W + 2,9 W = 18,2 W

Dann kann man sich als nächstes Gedanken darüber machen wie man die fürs Weltall passende Wärmeabstrahlung auf den nicht bestrahlten Seiten der Dose "simulieren" kann.
Hier auf der Erde haben wir 20 °C Umgebungstemperatur - und natürlich ist daher die Wärmeabstrahlung im All eben ganz was anderes.

Die Wärmeabstrahlung hat nichts mit der Umgebungstemperatur zu tun, Vakuum hat keine Temperatur nur Materie kann warm oder kalt sein, kann Wärme abstrahlen. Wie hoch die Wärmestrahlung ist, hängt von der Temperatur des Wärmstrahlers ab.

Ich könnte mir vorstellen, das man die vom Strahler abgewandte Seite der Dose mindestens mit Eiswasser kühlen müsste, um hier überhaupt in die passende Richtung zu kommen - das ist aber nur mal eine ganz schnelle Spekulation - da muss man sich wesentlich ernsthafter mit dem Problem der Simulation der Abstrahlung beschäftigen.

Im Vakuum findet keine Kühlung statt, da es keine Materie gibt welche die Temperatur abführen kann. Vakuum ist der beste Wärmeisolator den es gibt, da die Wärme nur durch Wärmestrahlung abgegeben werden kann. Es bildet sich ein thermisches Gleichgewicht aus der Einstrahlung und Abstrahlung. Deshalb erreicht die Temperatur im Weltall auch Sauna-Temperaturen von um die 100 °C. Bei uns auf der Erde wird ein Vakuum-Kollektor bis über 300 °C heiß, obwohl nur 1.350 W/m² an Sonnenstrahlung ankommen. Im Weltall in Erdnähe liefert die Sonne aber 1.900 W/m² an Strahlungsleistung, das sind fast 50% mehr!

Grüße

McDaniel-77

P.S.: Mikesch kapiert es auch noch irgendwann.
P.S.S.: Zweites Experiment mit der Dose läuft, diesmal die Abstände der Wärmestrahler verbessert damit die 13,3 W genauer erreicht werden, außerdem habe ich die Blechdose komplett mit Alufolie eingewickelt. Aluminiumfolie isoliert doch so wunderbar .

[Mikesch]

Die Unterschiede zwischen Ihrem Hausexperiment und der Situation im Weltall ist neben dem fehlenden Vakuum auch der Umstand, dass die Abstrahlung der Aluplatte gegen die 20°C-Warme Zimmerwand in die Energiebilanz eingeht und im Weltall gegen die -273°C (~0K) Hintergrundtemperatur.

@McDaniel
Die obige Aussage von Mikesch muss ich etwas präzessieren.
Wärmestrahlung ist Wärmestrahlung und es ist egal gegen welche "Hintergrundtemperatur" sie abgegeben wird.

Ja, danke für den Hinweis. War ich etwas zu verkürzend.
Es geht natürlich um die Bilanzsumme der Wärmeübertragung. Dazu ist unter der Anwendung der Kirchhofschen Gesetze eine Knotenbetrachtung zielführend.
Dann ergibt sich die Nettoleistung aus der Differenz der Temperaturen der Eigen- und Umgebungstemperaturen. Genauer: die 4.te Potenz.
Ist die Nettoleistung 0W stellt sich der stabile Zustand ein. Beteiligt sind dann Wärmestrahler, Probeblech und Hintergrundtemperatur (im Zimmer ~20C und im Weltall ~0K).
Mike

[McDaniel-77]

Chief,

richtig erkannt. Mikesch denkt wahrscheinlich, dass man "kühlen" kann. Das ist so ähnlich wie Saugen, man denkt man saugt z.B. mit dem Staubsauger, aber man saugt nicht, man bläst. Temperatur ist etwas absolutes, es gibt keine negativen Temperaturen, dasselbe gilt für den Druck! Unterdruck sagen wir zwar, aber es ist kein Unterdruck vorhanden, es gibt nur Druck, Druck ist immer positiv.

Im Vakuum hat keinen Druck und keine Temperatur Mikesch.

McDaniel-77

P.S.: Mikesch oder fallili,

ich habe das bereits vorgerechnet:

Metall ist ein sehr guter Wärmeleiter, diese Blechbüchsen für den Weltraum sind meist aus Aluminium gebaut. So verteilt sich die Wärme sehr gut.

Wenn man jetzt großzügig rechnet und annimmt, dass die Hälfte der Fläche von der Sonne bestrahlt wird und die andere Hälfte im Schatten liegt. Sagen wir der Einfachheit halber 10 m² werden von der Sonne angestrahlt und 20 m² können die Wärme wieder abgeben, durch perfekte Wärmeleitung auch zur Schattenseite des Command Modules.

Eingestrahlte Wärmemenge:

1,9 kW/m² * 10 m² = 19 kW

Abgestrahlte Wärmemenge:

19.000 W = Emissionsgrad * Stefan-Boltzmann-Konstante * 20 m² * T^4
...
T = 359 K für Emissionsgrad 1 (idealer Schwarzer Körper).

Das sind Saunatemperaturen - runde 90 °C für die komplette Außenhülle unter optimalen Bedingungen. Läuft es schlechter, also ohne perfekte Abstrahlung (kein idealer Schwarzer Körper) und ohne perfekte Wärmeleitung, dann steigt die Temperatur an.

Wie würdest du die Temperatur z.B. deiner Raumkapsel auf angenehme 20 °C kühlen, wenn das gesamte Blechkleid, die Außenhülle, eine Temperatur von 90 °C aufweist? Kleiner Tipp: Eine Klimaanlage funktioniert im Weltraum nicht, da es keine Konvektion gibt.

McDaniel-77

[Jondalar]

Chief,

richtig erkannt.

Nein, das ist eben nicht richtig. Spätestens wenn die Umgebungstemperatur über derer des Materials liegt, wird gar nichts mehr abgestrahlt. Denkt halt einmal nen Schritt weiter.

[Ernst]

.

Spätestens wenn die Umgebungstemperatur über derer des Materials liegt, wird gar nichts mehr abgestrahlt.

Das ist nicht richtig. Die Wärmestrahlung ist unabhängig von der Umgebungstemperatur.
.
.

[McDaniel-77]

Stimmt auch nicht Jondalar,

Spätestens wenn die Umgebungstemperatur über derer des Materials liegt, wird gar nichts mehr abgestrahlt. Denkt halt einmal nen Schritt weiter.

Wenn die Umgebung mehr Strahlung abgibt, als der Körper, dann erwärmt sich der Körper bis zum dynamischen Gleichgewicht, welche Abstrahlung und Einstrahlung bildet.

In einem Backofen der mit 250 °C vorgeheizt ist, kannst Du ein Backblech das 20 °C hat rein schieben. Wenn du das Blech vorher mit einem IR-Thermometer gemessen hast, wurden die 20 °C angezeigt. Das Blech strahlt auch im Backofen mit 20 °C, es wird nur erwärmt, weil die Umgebung eben mit 250 °C strahlt.

McDaniel-77

[fallili]

Hab ich doch klar ausgeführt.
Hier auf der Erde strahlt ein Blech (oder sonstiges) das 20 °C die Energie ab die diesen 20 °C entspricht. Und die Wärmestrahlung ist, wie Ernst sagt, natürlich unabhängig von der Umgebungstemperatur.
Gleichzeitig strahlt aber alles in der Umgebung ebenfalls dieser Temperatur entsprechend, was zu einem Nullsummenspiel führt.
Es wird vom Blech (oder sonstigen) gleich viel Energie abgestrahlt wie aus der Umgebung aufgenommen wird - Temperatur bleibt also bei 20 °.

[fallili]

@McDaniel
Ich bin mit Deinen Berechnungen nicht einverstanden.
Du schreibst, das die Blechdose etwa 6,6 mal 6,2 cm hat.
Das bedeutet aber das sie gegenüber einem Strahler eine wirksame Fläche von 39 cm2 aufweist. Man muss das ja als Rechteck betrachten. Und schon da ist die Vernachlässigung dabei, dass die Mitte der Dose etwas näher ist als die Ränder ( das ist aber bei der Grobheit dieses Experimentes nicht schlimm).

Nur für die Abstrahlleistung ist dann natürlich die gesamte Zylinderoberfläche wirksam.

Daher find ich, dass Deine Wärmestrahlung von 18,2 W die auf diese 39 cm2 wirkt, folglich einer Wärmeleistung von 4,6 kW / m2 entspricht.
Was natürlich sehr viel mehr ist als die 1,9 kW/m2 der Sonne im Weltall.

Du schreibst zwar drunter, das Du versuchst die 13,3 W (wo kommt der Wert her?) genauer zu erreichen - ich bin aber der Meinung, dass Du für die Fläche eben nur auf ca. 7 W kommen solltest.

[fallili]

Also das da irgendeine Umgebung "kälter" sein muss halt ich für ein Gerücht.
Man muss sich ja nur die Berechnung anschauen.
Bei Strahlung geht nur die Eigentemperatur in die Formel ein, bei Konvektion und Wärmeleitung ist die Temperaturdifferenz entscheidend.

Was, bitte, ist da also unklar?