Beiträge von D i e t e r im Thema „Spiegelauskühlung in Abhängigkeit der Dicke“

D i e t e r · 20. Januar 2003

Hallo Stathis,

<blockquote id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Original erstellt von: Stathis Kafalis
 <blockquote id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Original erstellt von: D i e t e r
 
Ein potentiell typisches KnoffHoff-Experiment:

Man nehme eine Styroporschale und gebe etwas Wasser hinein. In einer klaren Nacht kann selbst bei Plusgraden das Wasser gefrieren. Decke ich die Styroporschale mit einem Styropordeckel ab, so gefriert Nichts - die vom Wasser abgestrahlte Wärmestrahlung wird reflektiert bzw. erwärmt die eingeschlossene Luft.
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Hallo Dieter,
nur mal nebenbei, das Beispiel hinkt glaube ich etwas, da bei Wasser die Auskühlung durch Verdunstung eine wesentliche Rolle spielt.....
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Ja, ja die alten Griechen - ich hab die Geschichte mit Wein in Erinnerung (war mir irgendwie sympathischer) [:)]

Hatten einfach keine Lust den Wein gekocht zu trinken - und haben mir nichts, dir nichts die Verdunstungswärme/-kälte erfunden [:o)]

Aber die Verdunstungswärme ist nicht die Hauptursache für das potentielle KnoffHoff-Experiment.

Wiederhole das Experiment unter gleichen Bedingungen; gleiche Lufttemperatur, gleiche Luftfeuchtigkeit, gleiche Wassertemperatur, gleiche Styroporschale - doch diesmal bei bedecktem Nachthimmel - hier gefriert nichts mehr. Die Verdunstung sollte gleich geblieben sein, und sie ist es auch - verschoben hat sich die Bilanz der Wärmestrahlung - strahlte das Wasser bei klarem Himmel noch mehr Wärme ab, als es über Wärmestrahlung empfangen hat, so hält sich bei bedecktem Himmel die gesendete und die empfangene Wärmestrahlung in
etwa die Waage.

Ein weiteres Beispiel - weniger deutlich ausgeprägt, aber häufiger zu beobachten:

Eine Lufttemperatur knapp über dem Nullpunkt, ein klarer Himmel und ein schon länger parkendes Auto. Das Dach, die Motorhaube und die Windschutzscheibe beginnen Raureif anzusetzen - die seitlichen Fenster und Blechteile bleiben (erst mal) verschont. In diesem Experiment spielt keine Verdunstungswärme mit - trotzdem sinkt die Temperatur des Blechdachs unter die Lufttemperatur.

Die dem klaren Himmel zugewandten Teile strahlen mehr Wärmestrahlung ab, als sie empfangen. Die seitlichen Teile bekommen die Wärmestrahlung der Erde, benachbarter Gebäude usw. ab - die gesendete und die empfangene Wärmestrahlung hält sich hier in etwa die Waage.

Hochachtung vor den alten Griechen - sie wussten zwar nicht über die Hintergründe - aber sie wussten die Beobachtung nutzbringend umzusetzen.

Hochachtung vor dem südtiroler Bauern, der in den klaren Nachthimmel blickt und in seinem Bart murmelt "däsch würd kold heit Nacht - desch duad koa guad ned" - ein qualmendes Feuer entfacht und in dieser bedeutenden Frühjahrsnacht seine empfindlichen Kirschblüten vor dem Erfrieren bewahrt.

Und das alles ohne physikalische Abhandlungen [:o)]

D i e t e r · 19. Januar 2003

Hallo Kurt,

<blockquote id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Original erstellt von: Kurt
 
1.Im dunklen liegt das Strahlungsmaximum 273K = 0°C irgendwo zwischen 10 - 20 mikrometer. Der Wärmeaustausch über
über das sichtbare Licht ist dann verschwindend gering, eben weil dunkel.
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Wo hast du nur die Werte her [:)]

Quantitativ gesehen ist die Wärmeabstrahlung natürlich komplexer, denn wir haben es mit einem ganzen Strahlungsspektrum zu tun. Ist ein Körper sehr sehr stark erhitzt, so gibt er Strahlungsenergie vom sichtbaren Licht bis tief in den Infrarotbereich ab (z.B. ein aus der Schmelze kommender Spiegel). Wie das Spektrum verteilt ist und welche Energiemenge in welchem Wellenbereich abgestrahlt wird, hängt von der Körpertemperatur und vom Material ab.

Die Größe der Wärmeabstrahlung lässt sich während eine Beobachtungsnacht nicht steuern - der Spiegel strahlt und strahlt und strahlt. Steuern lässt sich hingegen die Konvektion und damit ist die genaue quantitative Kenntnis des Strahlungsspektrum weniger ausschlaggebend.

In den von uns betrachteten Zeiträumen (nachts) gibt unser Spiegelkörper über das Spektrum der Wärmestrahlung einfach mehr Energie ab, als er durch Wärmestrahlung aufnimmt. Unser Spiegel kann aber in den Genuss kommen, durch Reflexion mittelbar bzw. unmittelbar seine eigene abgestrahlte Wärmeenergie zurück zu bekommen.

Ein potentiell typisches KnoffHoff-Experiment:

Man nehme eine Styroporschale und gebe etwas Wasser hinein. In einer klaren Nacht kann selbst bei Plusgraden das Wasser gefrieren. Decke ich die Styroporschale mit einem Styropordeckel ab, so gefriert Nichts - die vom Wasser abgestrahlte Wärmestrahlung wird reflektiert bzw. erwärmt die eingeschlossene Luft.

Damit ist in dieser Phase ein abgekühlter Spiegel in einer offenen Bauweise im Nachteil gegenüber einem Spiegel in einem geschlossenen oder teilweise geschlossenen System.
<blockquote id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">
5. Was heißt „stark erwärmt“? Bleiben wir bei unserer Praxis. Da kann meinetwegen ein Spiegel bei Aufstellung in eiskalter Luft 20°C haben. Die eiskalte Luft sei –5°C und die Umgebung sei bereits auf –10°C abgekühlt. Ob der Spiegel jetzt mehr über Konvektion oder über Strahlung abkühlt, hängt ganz von den Einbaubedingungen ab.
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Die Inhalte decken sich - werden aber von einer anderen Seite beschrieben ...

Muss ein Spiegel abgekühlt werden, weil seine Temperatur viel höher als die ihn umgebende Luft ist, so gibt dieser Spiegel viel mehr Wärmeenergie per Konvektion ab, als per Wärmestrahlung. Kühlt der Spiegel weiter ab, so kann die Luft weniger Wärmeenergie abnehmen als zuvor und der Wärmeaustausch per Konvektion nimmt ab - die Abkühlung verlangsamt sich (bei gleicher Temperatur tauscht sich per Konvektion Nichts mehr) - der prozentuale Einfluss der Wärmestrahlung nimmt in dieser Phase zu.

Wer nun darauf spekuliert, dass sich sein stark aufgeheizter Spiegel sowohl über Konvektion (ohne Zwangsbelüftung) und einem gerüttelten Maß an Wärmestrahlung abkühlt, wäre besser beraten, die Wärmeabstrahlung zu begrenzen und lieber heftig zu lüften.
<blockquote id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">
Wenn Du die Spiegeloberflächen auf mehrere °C oberhalb Lufttemperatur halten willst, bringst Du zwangsläufig wärmere Luft in den Strahlengang. Die optische Qualität des Systems kannst Du dann vergessen.
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote">
Kommt ganz darauf an wie viele "mehrere" °C!

In deiner zitierten Beobachtungsnacht, lag die Temperatur des Spiegels "erfolgreich" 1°C über der Lufttemperatur. Mit einer Schlierenluftabsaugung lässt sich auch bei höheren Temperaturdifferenzen ein sehr gutes Tubusseeing erzielen.

Die Frage ist, wie groß muss und wie groß darf die Temperaturdifferenz sein.

Wie groß muss die Temperaturdifferenz sein, um eine Betauen sicher zu verhindern - und wie groß darf die Temperaturdifferenz sein, damit sich das Tubusseeing nicht merklich verschlechtert.

Mit Sicherheit lohnt es sich hier etwas großzügiger zu verfahren - dem Nutzen einer ca. 5%-tigen Seeingverbesserung stehen ein Ende der Beobachtungsnacht gegenüber (Betauung des Spiegels).

Zur Festlegung einer oberen Toleranzgrenze der Temperaturdifferenz kannst du sehrwahrscheinlich mit deinen Messreihen und den damit verbundenen Erfahrungen beitragen. Zur Festlegung der Betauungsgrenze müssen wir alle noch etwas tiefer einsteigen. Hier muss zu einer qualitativen Bewertung noch eine quantitative hinzukommen.

Zur Betauung werfe ich einiges (qualitatives) in den Raum:
<ul>
<li>Ein Körper kann betauen, wenn seine Temperatur <= der ihn umgebende Lufttemperatur ist (nur wg. der Vollständigkeit noch einmal wiederholt)</li>
<li>Die Betauung ist bei hoher Luftfeuchtigkeit höher, als bei niedriger</li>
<li>Luft ist weder von der Temperatur, noch von der Luftfeuchtigkeit homogen. Für die Betauung ausschlaggebend ist das wärmste und das "feuchteste" LuftWärmeFeuchtigkeits-Nest, das mit der Spiegeloberfläche in Berührung kommt. In der Praxis muss man deshalb gewisse Reserven einbauen.</li>
<li>Einer Betauung kann eine gleichzeitige Verdunstung entgegenstehen (z. B. bei einer aktiven Konvektion/Belüftung)</li>
<li>Der gerade beschriebene Effekt könnte zur Folge haben, dass ein Körper eine niedrigere Temperatur hat, als die umgebende Luft - und trotzdem noch nicht "betaut"</li>
<li>Eine "verhinderte" Betauung entzieht dem Spiegel durch Verdunstungskälte (eigentlich besser Verdunstungswärme) zusätzlich Wärme und kühlt ihn weiter ab. Inwieweit dies vernachlässigbar ist, hängt sicherlich von der verdunsteten Masse = Höhe der Luftfeuchtigkeit ab.</li>
</ul>

Kommt noch was dazu? Wenn Nein, dann sollten wir wieder beginnen zu vereinfachen [:o)]
<blockquote id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">PS:. Hol bitte Deinen befreundeten Physik-Studenten heran, vielleicht kann er uns was praxisgerechtes zum Nachbauen vorrechnen.<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote">
Mhm - nachdem ich ihn erst mit etwas Mühe vom KnoffHoff-Experiment überzeugen konnte - mhm .....

Aber wir haben ein Sternwartenmitglied, dass aktiv in der ESO am VLT mitkonstruiert - dort sollte ein solches Wissen eigentlich vorhanden sein - wobei ich zweifle, ob die sich auf dem Paranal vorstellen können, wie wassergeschwängert die Luft am BTM sein kann ....[:o)] - werde ihn jedenfalls mal kontaktieren.

D i e t e r · 18. Januar 2003

Hallo *.*,
bei dem Thema muss ich doch auch etwas mitmischen ....[:D]

Aber wie Kurt sagt, "das Thema ist komplex" - ich füge hinzu, aber nicht chaotisch ....

Zuerst - entweder neu, oder als Wiederholung/Zusammenfassung, zwei Postulate .....
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Thema: Wärmestrahlung (IR/Emission)

Die Größe der Wärmestrahlung ist von der Größe der Oberfläche abhängig
Die Größe der Wärmestrahlung ist von der Oberflächentemperatur des Körpers abhängig
Die Größe der Wärmestrahlung ist NICHT von der Lufttemperatur abhängig
Die Größe der Wärmestrahlung ist von der Oberflächenbeschaffenheit abhängig (schwarz hohe Abstrahlung; weiß geringe Abstrahlung - matt und spiegelnd gehen ein, jedoch nicht so stark wie die Oberflächenfarbe)
Ist ein Körper stark erwärmt, so gibt er über Konvektion deutlich mehr Wärme ab, als über Wärmestrahlung (Aussage eines befreundeten Physikers und eines Physikstudenten)
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Thema: Betauung - Raureifbildung ....

Ein Körper betaut nur dann, wenn seine Temperatur <= der ihm umgebenden Lufttemperatur ist.
Der Raureifbildung geht eine kurzeitige Betauung voran - deshalb gleiche Bedingung, wie oben.
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Schlussfolgerungen für einen Spiegel:

Ein Körper/Spiegel strahlt Wärmestrahlung ab, und strahlt und strahlt und strahlt ....... und das ist schlecht. Denn, wird ihm weniger Wärme zugeführt, als er abstrahlt, so kühlt er immer weiter ab und erreicht irgend wann eine Temperatur, die gleich, bzw. unter der Lufttemperatur ist (siehe Betauung).

Dies muss verhindert werden!!!

Mögliche Maßnahmen:

Nachdem die Wärmestrahlung bei der gewollten Abkühlung nur einen kleinen Anteil einnimmt, sollte diese möglichst klein gehalten werden und die Differenz mit heftigerer Konvektion ausgeglichen werden. Eine geringere Wärmestrahlung erreicht man mit einer Rundumverspiegelung des Spiegel (oder einer gleichwertigen Beschichtung).

Einbau einer geregelten Lüftung, welche die Spiegeloberflächentemperatur immer 2 - 3°C über der umgebenden Lufttemperatur hält (gleiche Temperatur ist zu kritisch und damit zu gefährlich). Dies bedeutet eine Regelung von Turbolüfter; über sanfte Luftschlierenabsaugung, bis zur beheizten Lüftung (ich sehe schon - mit einem Lüfter kommt man da nicht aus).