Stefan-Boltzmann Rechner: P = εσAT⁴, Wien, Schwarzkörper
Berechne Strahlungsleistung P = ε·σ·A·T⁴, Schwarzkörperfluss, Nettoaustausch und Wiensches Gesetz λ_max = b/T. Vier Rechenmodi für die Strahlungsphysik.
Berechnungsfehler melden
Hilf uns zu verbessern. Beschreibe, was an der Berechnung nicht stimmt.
Ergebnis
| Voce | Valore |
|---|
Alle Details anzeigen
Ergebnis teilen
Haftungsausschluss: Diese Berechnung ist rein indikativ. Für wichtige Entscheidungen konsultieren Sie einen Fachmann.
Das Stefan-Boltzmann-Gesetz
Das Stefan-Boltzmann-Gesetz besagt, dass die pro Flächeneinheit von einem schwarzen Körper abgestrahlte Gesamtleistung proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur ist: j* = σ·T⁴, mit der Stefan-Boltzmann-Konstante σ = 5,6704·10⁻⁸ W/(m²·K⁴). Inklusive Fläche A und Emissivität ε: P = ε·σ·A·T⁴. Empirisch von Stefan (1879) gefunden und von Boltzmann (1884) hergeleitet; ergibt sich durch Integration der Planckschen Strahlungsformel über alle Wellenlängen.
Emissivität und Schwarzkörper
Die Emissivität ε ∈ [0, 1] misst, wie nah ein realer Körper dem idealen schwarzen Körper kommt. Typische Werte: poliertes Metall ≈ 0,05; menschliche Haut ≈ 0,98; Holz ≈ 0,9; Kohle ≈ 0,95; eloxiertes Aluminium ≈ 0,85. Nach dem Kirchhoffschen Gesetz gilt im thermischen Gleichgewicht ε = α (Absorptionsgrad) bei jeder Frequenz: gute Strahler sind gute Absorber.
Nettostrahlungsaustausch
Ein Körper bei Temperatur T in einer Umgebung bei T_env tauscht netto die Leistung P_net = ε·σ·A·(T⁴ − T_env⁴) aus. Beispiel: Mensch (ε ≈ 0,98, A ≈ 1,8 m², T_Haut ≈ 306 K) in 293-K-Raum verliert etwa 142 W durch Strahlung, etwa 80 % des Grundumsatzes.
Wiensches Verschiebungsgesetz
λ_max = b/T mit b = 2,898·10⁻³ m·K. Sonne (5772 K) → 502 nm (gelb-grün, maximale Empfindlichkeit des Auges); Erde (288 K) → 10 μm (Infrarot, wichtig für Treibhauseffekt); kosmischer Mikrowellenhintergrund (2,725 K) → 1,06 mm.
Strahlungsleistung der Sonne
Mit T = 5772 K, R = 6,96·10⁸ m: L_☉ = σ·4πR²·T⁴ ≈ 3,83·10²⁶ W. Am Erdort (1 AE) Fluss ≈ 1361 W/m² (Solarkonstante). Gleichgewichtstemperatur der Erde T_eq ≈ 255 K; reale 288 K dank Treibhauseffekt (33 K).
Anwendungen
Kontaktlose Pyrometrie (IR-Thermometer), Thermografie, Weltraumradiatoren, Industrieöfen, Astronomie, passive Nachthimmelkühlung im 8-13-μm-Fenster.
Bedienung
Modi: abgestrahlte Leistung, Nettoaustausch, Wiensches Gesetz, Temperatur aus Leistung. Temperatur in Kelvin (°C + 273,15).
Historische Notizen
Stefan 1879, Boltzmann 1884, Wien 1893, Planck 1900 (Quantisierung), Einstein 1905. Penzias und Wilson 1965: CMB fast perfekter schwarzer Körper bei 2,725 K, Nobelpreis 1978.
Geschichte des Gesetzes und die Stefan-Boltzmann-Konstante
Das Gesetz wurde 1879 empirisch von Josef Stefan entdeckt, der maß, wie die von einem heißen Körper abgestrahlte Leistung mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur wächst. Fünf Jahre später, 1884, gab sein Schüler Ludwig Boltzmann eine strenge theoretische Herleitung durch Verbindung von Thermodynamik und Elektromagnetismus, daher der gemeinsame Name. Die Konstante σ = 5,670374419×10⁻⁸ W/(m²·K⁴) ist nicht fundamental, sondern abgeleitet: σ = 2π⁵k⁴/(15h³c²), wobei k die Boltzmann-Konstante, h die Planck-Konstante und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Dieser Zusammenhang trat erst 1900 mit dem Planckschen Strahlungsgesetz hervor, das die "Ultraviolettkatastrophe" löste und die Quantenphysik eröffnete.
Von Sternen zum Klima: Anwendungen des T⁴-Gesetzes
Die Abhängigkeit von der vierten Potenz macht das Gesetz äußerst empfindlich: eine Verdopplung der absoluten Temperatur multipliziert die abgestrahlte Leistung mit 16. In der Astrophysik ist die Leuchtkraft eines Sterns L = 4πR²σT⁴: die Sonne, mit einer effektiven Temperatur von etwa 5778 K, strahlt 3,83×10²⁶ W ab. Aus Leuchtkraft und Temperatur ergibt sich der Sternradius. Auf der Erde bestimmt das Gesetz die klimatische Energiebilanz: der Planet absorbiert Sonnenstrahlung und emittiert im Infraroten gemäß σT⁴; der Treibhauseffekt verändert dieses Gleichgewicht, ein zentrales Thema von Klimamodellen. Praktische Anwendungen sind Infrarot-Thermografie, optische Pyrometer für Gießereien und der Entwurf von Lampen und Kühlkörpern.
Aktualisiert im Juli 2026
Kommentare (0)
Anmelden um zu kommentieren.
Noch keine Kommentare. Sei der Erste!