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Hindernisse beim Welsbach-Patent

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Widerspruch zu Kirchhoffschem Strahlungsgesetz

Alle Körper geben Wärmestrahlung ab. Wenn ihre Umgebung die gleiche Temperatur hat wie sie selbst (bis zu der Entfernung, wo noch ein Austausch von Strahlung möglich ist), dann ist die Summe aus abgestrahlter, reflektierter und ggf. durchgelassener Wärmestrahlung nicht vom Stoff, sondern nur von der Temperatur abhängig. Die Temperatur bestimmt, welche Frequenzen mit welcher Intensität in der resultierenden Gesamtstrahlung vorkommen (Plancksches Strahlungsspektrum). Z. B. glüht jeder Körper in einem 500°C warmen Ofen rot. Es kann lediglich sein, dass der Körper zusätzlich noch weitere (nicht-thermische) Strahlung aussendet, z. B. weil die Hitze chemische Energie in ihm freisetzt oder weil er von einer starken UV-Lichtquelle beleuchtet wird und fluoresziert etc.

Körper, die die gleiche Temperatur wie ihre Umgebung besitzen und von ihrer Umgebung genauso viel Energie in Form von Wärmestrahlung erhalten wie sie selbst abstrahlen, sind im thermischen Gleichgewicht. Für einen Körper im thermischen Gleichgewicht ist es nicht möglich, von der Wärmestrahlung, die ihn umgibt, eine Wellenlänge netto zu absorbieren und stattdessen bei einer anderen Wellenlänge mehr Wärmestrahlung, als er von der Umgebung bekommt, auszustrahlen. Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz besagt, dass ein Körper, der Wärmestrahlung einer Wellenlänge gut absorbiert, Strahlung derselben Wellenlänge ebenso stark ausstrahlt und umgekehrt. Das eine ohne das andere geht nicht.

Streng genommen gilt das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz nur im thermischen Gleichgewicht. Partikel, die in der Erdatmosphäre schweben, haben eine andere Temperatur als die Erdoberfläche und stehen mit ihr daher nicht im thermischen (Strahlungs-)Gleichgewicht. Sie stehen aber lokal mit ihrer Umgebung im thermischen Gleichgewicht und müssen daher, wenn sie langwellige Strahlung absorbieren, diese – in einem Ausmaß entsprechend ihrer Temperatur – auch abgeben.^[1]

Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz ist eigentlich nur eine Folgerung des 2. Thermodynamischen Hauptsatzes: Wenn es möglich wäre, einzelne Frequenzen aus der umgebenden Wärmestrahlung zu verstärken (oder gar, welche zu bilden, die darin nicht bzw. mit vernachlässigbarer Intensität vorkommen, wie im Patenttext angenommen), dann würde sich ein Körper, der Strahlung dieser Frequenz absorbiert, aufheizen. Dadurch würde in einem Bereich mit ausgeglichener Temperatur ein Temperaturgefälle entstehen, was aber dem 2. Thermodynamischen Hauptsatz widerspräche.

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Quellen