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Warum speichert Schwarz Wärme?

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Frank
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Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von Frank » 17. Apr 2018, 06:42

Vorallem die Erklärung warum Wüstenbewohner lieber schwarz, als weiss tragen, machen den Artikel interessant.


https://www.spektrum.de/frage/warum-spe ... me/1549065
Mit freundlichen Grüßen

Frank

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seeker
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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von seeker » 17. Apr 2018, 10:44

Interessanter Artikel.

Allgemein (jenseits von Lüftungseffekten) kann man folgendes sagen, wenn man es möglichst kühl haben möchte:

Wenn du in der Sonne sitzt ist helle Kleidung besser/kühler, wenn du im Schatten sitzt ist dunkle Kleidung besser.

Das hat folgenden Grund:
Dunkle Kleidung absorbiert Licht zwar viel besser und heizt sich daher in der Sonne stärker auf, aber sie gibt Strahlung auch besser ab und kühlt sich daher auch (im Schatten) wieder schneller ab.
Hintergrund: Der beste Strahler ist ein schwarzer Strahler, eine schwarze Oberfläche. Eine weiße Oberfläche reflektiert nicht nur Stahlung, die von außen kommt, sondern auch diejenige, die von innen (aus dem Material unter der Oberfläche) kommt. In dem Moment, wo die (Strahlungs-)Temperatur unter der Oberfläche höher ist als über der Oberfläche, gibt es unterm Strich einen Isolationseffekt durch eine weiße Oberfläche: die Wärmestrahlung von innen kann nicht so gut raus (wird nach innen zurück-reflektiert) wie bei einer schwarzen Oberfläche. Aus demselben Grund kann man mit Alufolie isolieren, funktionieren auch diese dünnen Alu-Rettungsdecken, obwohl Aluminium an sich ein hervorragender Wärmeleiter ist.
Grüße
seeker


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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von tomS » 17. Apr 2018, 11:29

Ich gebe zu bedenken, dass die Wärmeübertragung durch Strahlung klein ist im Vergleich zur Wärmeübertragung durch Gasaustausch, Konvektion u.ä.
Gruß
Tom

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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von seeker » 17. Apr 2018, 11:42

Bei den Temperaturen über die wir hier sprechen ist das richtig, dennoch ist der Strahlungseffekt spürbar groß und nicht zu vernachlässigen, selbst Eisbären nutzen Strahlungseffekte zur zusätzlichen Isolation (hohle, transparente Haare, schwarze Haut). Außerdem ist die Strahlungstemperatur und Strahlungsleistung der Sonne nicht ohne.
Und Alufolie isoliert auch bei 300 Kelvin besser als Polyethylenfolie.
Grüße
seeker


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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von Wotan » 17. Apr 2018, 12:57

Hallo,
massiver Einsatz von Wasser hilft auch bei der Kühlung, da ist die Farbe der Kleidung egal.

Bild Bild

So wird das gerade zum Songkran-Fest, am Ing River bei Temperaturen knapp unter 40 Grad, praktiziert. :wink:
Dateianhänge
Songkran-1.jpg
Songkran-1.jpg (29.08 KiB) 669 mal betrachtet
Grüße Wotan

deltaxp
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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von deltaxp » 17. Apr 2018, 14:12

da, wie Tom sagte, der Wärmeaustausch durch Konvektion effektiver läuft als durch Strahlung hat der vorzug der schwarzen farbe wohl eher einen anderen grund. ich meine die scheichs auf der arabischen Halbinsel bevorzugen weiss.

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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von tomS » 17. Apr 2018, 15:41

So sehe ich das auch.

Die schwarze Farbe wirkt sich bei lockerer Kleidung eben nicht sonderlich störend aus; das ist jedoch noch kein Grund, Schwarz zu bevorzugen.
Gruß
Tom

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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von Wotan » 17. Apr 2018, 15:43

deltaxp hat geschrieben:
17. Apr 2018, 14:12
... der Wärmeaustausch durch Konvektion effektiver läuft als durch Strahlung...
Hallo,
das kann man nicht so pauschal sagen.

Meistens kühlen wir mit erzwungener Konvektion, Luftkühlung oder Wasserkühlung.

Das gilt hauptsächlich für die Erde im Vakuum ist ein Wärmetransport durch Konvektion nicht möglich.

Beispiel, Satelliten können ihre überflüssige Energie nur abstrahlen.
Grüße Wotan

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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von seeker » 17. Apr 2018, 16:17

Analysieren wir es noch etwas durch:

Der menschliche Köper erzeugt über den Stoffwechsel ständig Abwärme, bei perfekter Isolierung würden wir sehr schnell auf über 42° C Körpertemperatur überhitzen und sterben.
Bei Lufttemperaturen von 37° C und mehr findet eine Kühlung direkt über Konvektion nicht statt!
Der wesentliche Kühlmechanismus geschieht über Verdunstungskälte (schwitzen). Wie viel Verdunstunkskälte erzeugt wird hängt von folgenden Faktoren ab:

1) Hautoberfläche und Benetzung derselben mit Wasser (Schweiß)
2) Luftfeuchtigkeit direkt über der Hautoberfläche
3) Temperatur -> Dampfdruck des Wassers
4) Gasaustausch von angefeuchteter Luft direkt über der Hautoberfläche mit trockenerer Luft der Umgebung

Es folgt daraus, dass Kühlung durch Schwitzen (und in geringerem Umfang durch atmen) nur dann funktioniert, wenn die Umgebungsluft nicht zu feucht ist. Es gibt tatsächlich 'Todeszonen' auf der Erde mit hohen Temperaturen und 100% Luftfeuchtigkeit, wo Kühlung über Schwitzen nicht funktioniert und wo man daher nach einiger Zeit (Stunden) praktisch unvermeidlich überhitzt (man kann sich das wie in der Sauna vorstellen).
Deshalb ist auch 4) nötig: Wenn die Luft direkt über der Hautoberfläche 100% Luftfeuchtigkeit erreicht, kann kein weiteres Verdunsten von der Haut mehr stattfinden (genauer: es stellt sich ein Gleichgewicht zischen Verdunstung und Kondensation ein), womit dann auch der Kühlungseffekt zum Erliegen kommt.
Die Abfuhr der angefeuchteten Luft geschieht über Konvektion und Luftbewegungen (Wind).
Dieser Kühlungs-Effekt ist dominierend (schätzungsweise >90%), deshalb ist das Tragen von weiten Kleidern bei solchen Umgebungsbedingungen das beste was man tun kann.
Hier ist noch zu beachten, dass der Körper nur dann schwitzen kann, wenn genügend getrunken wird/genügend Wasser zum trinken zur Verfügung steht, sonst trocknet man aus, das Schwitzen kommt zum Erliegen und man überhitzt.

Hinzu kommen Strahlungseffekte, sie sind weniger wichtig, aber auch schon bei Temperaturen von ca. 40° C nicht vernachlässigbar.
Mit der Sonne haben wir neben der inneren Wärmequelle (Stoffwechsel) noch eine äußere Wärmequelle: die Strahlung der Sonne. Diese Energie wäre bei guter Strahlungsabsorption und Umgebungsisolation völlig ausreichend um einen Körper auf >100° C zu erhitzen, sie liegt in der Größenordnung von 1 Kilowatt/m² (zumindest in Arabien).
Eine weiße Oberfläche reflektiert schätzungsweise 80% dieser Energie, eine schwarze vielleicht 20%, daher wird die schwarze Oberfläche viel heißer.
Jetzt wird es kompliziert... die schwarze Kleidung erwärmt auch die Luftschicht zwischen Haut und Kleidung stärker, wodurch der Dampfdruck des Schweiß-Wassers und die Konvektion steigen, wodurch mehr Schweiß verdunsten kann und mehr Verdunstungskälte erzeugt wird, was die stärkere Strahlungsaufheizung der schwarzen Kleidung wieder weitestgehend ausgleichen sollte - unter der Voraussetzung, dass weite Kleidung getragen und genügend getrunken wird, denn sonst wird das ziemlich stark unterbunden.
Umgekehrt: Wenn man sich vorher aufgeheizt hat und dann im Schatten sitzt, kühlt man beim Tragen von enganliegender schwarzer Kleidung etwas schneller ab als beim Tragen ebensolcher weißer Kleidung, dieser Effekt dürfte aber nicht so groß sein, vielleicht wenige Prozent.

Ergo:
Weite Kleidung tragen und viel trinken hilft am meisten, die Farbe der Kleidung spielt keine so große Rolle.
Grüße
seeker


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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von tomS » 17. Apr 2018, 16:18

Aber Beduinen leben nicht im Vakuum
Gruß
Tom

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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von Frank » 17. Apr 2018, 16:38

Die drei Damen auf dem Bild tragen nunmal definitiv schwarz.
Auch sollte man diese Menschen, die seit Jahrtausenden mit der Hitze klar kommen müssen in puncto Effektivität nicht unterschätzen.
Vieles machen diese Menschen weil sie es wissen, nicht weil sie es erklären können( Evolutionär ausgedrückt: "was ist erfolgreich?"
Auch wenn wir es heute dank Wissenschaft erklären könnnen, wussten diese Menschen z.B. schon lange das kalte Getränke genau das Falsche bei heisser Umgebung sind.

;th @all für die tollen Erklärungen.
Mit freundlichen Grüßen

Frank

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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von tomS » 17. Apr 2018, 16:56

Anyway - ich sehe noch nicht, dass die schwarze Kleidung aufgrund der schwarzen Farbe wirklich besser sein soll
Gruß
Tom

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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von Wotan » 17. Apr 2018, 18:05

tomS hat geschrieben:
17. Apr 2018, 16:56
...Anyway - ich sehe noch nicht, dass die schwarze Kleidung aufgrund der schwarzen Farbe wirklich besser sein soll
Hallo,
die schwarze Kleidung mit der höheren Oberflächentemperatur kann mehr Feuchtigkeit an die Umgebung abgeben. Bei Lebewesen die schwitzen ist der Abtransport der Feuchtigkeit wichtig.
Also immer viel trinken damit der Abtransport der Feuchtigkeit erhalten bleibt. :beer:
Grüße Wotan

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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von seeker » 17. Apr 2018, 18:17

tomS hat geschrieben:
17. Apr 2018, 16:56
Anyway - ich sehe noch nicht, dass die schwarze Kleidung aufgrund der schwarzen Farbe wirklich besser sein soll
Ist sie in der Sonne auch nicht wirklich, aber auch nicht wirklich schlechter:
We have therefore investigated whether black robes help the Bedouins to minimise solar heat loads in a hot desert. This seemed possible because experiments have shown that white hair on cattle1,2 and white feathers on pigeons3 permit greater penetration of short-wave radiation to the skin than black. In fact, more heat flowed inward through white pigeon plumage than through black when both were exposed to simulated solar radiation at wind speeds greater than 3 m s−1 (ref. 3). We report here that the amount of heat gained by a Bedouin exposed to the hot desert is the same whether he wears a black or a white robe. The additional heat absorbed by the black robe was lost before it reached the skin.
https://www.nature.com/articles/283373a0

Animal coat color and radiative heat gain: A re-evaluation
https://link.springer.com/article/10.1007/BF00688930

Eine weiße Robe lässt offenbar mehr Strahlungsenergie von der Sonne bis an die Haut, die Hauttemperatur ist entscheidend. Der Nachteil durch die höhere Temperatur des Stoffes bei schwarzen Roben kann ab einem bestimmten Luftaustausch durch Wind oder erhöhte Konvektion/Durchzug direkt am Stoff (Schornsteineffekt) dadurch offenbar gerade ausgeglichen werden.
Und im Haus , Zelt oder im Schatten sollte eine schwarze Robe wegen der besseren IR-Abstrahlung eh im Vorteil sein, wenn auch nur leicht.
Und es ist ja auch bekannt, dass man unter einem weißen T-Shirt durchaus auch einen Sonnenbrand bekommen kann, viel eher als unter einem schwarzen, vielleicht ist auch das der Grund für die Bevorzugung von schwarzen Roben in manchen Gegenden: besserer UV-Schutz!

Dass in manchen Gegenden mehr schwarze Roben getragen werden, in anderen mehr weiße, könnte auch einen kulturellen bzw. traditionellen Hintergrund haben.
Grüße
seeker


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Skeltek
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Re: Warum speichert Schwarz Wärme?

Beitrag von Skeltek » 17. Apr 2018, 21:51

tomS hat geschrieben:
17. Apr 2018, 11:29
Ich gebe zu bedenken, dass die Wärmeübertragung durch Strahlung klein ist im Vergleich zur Wärmeübertragung durch Gasaustausch, Konvektion u.ä.
Pauschal kann man das so denke ich nicht sagen. In der Regel hilft der Gasaustausch durch Wind das aufgeheizte Gas abzutransportieren, welches die Wärme dann 'mitnimmt'.
Zwar wird ein großer Anteil kinetischer Energie nach Außen durch Impulstransport zusammenstoßender Teilchen durchgeführt, allerdings ist das begrenzt durch Schallgeschwindigkeit, Teilchengewichte usw.
Findet keine makroskopische Bewegung statt, welche die aufgeheizten Luftmoleküle (womöglich mit in diese 'hineindiffundiertem' Schweiß-Wasser) abtransportiert, dann kommt der Abtransport von Wärme extrem schnell zur Stagnation. Denke jeder weiss, wie kühlend die gerinste Brise im Sommer sein kann mit nasser Haut, wohingehend Windstille kaum eine Abkühlung erlaubt.
Lässt man die durch Konvektion abtransportiete Wärme ausser Acht oder ist dieser Minimal, dann bleibt ja nur noch der Abtransport durch Strahlung.

Ich trage im Sommer schon seit jeher eher schwarz und bevorzuge Schatten - praktisch alles was gegen UV-Strahlung hilft und Kühlung verbessert. Bei nur kurzen Aufenthalten(!) in Sonnenlicht heizt sich eben das schwarze Shirt extrem auf (was sich zunächst ziemlich unangenehm anfühlt) kann dort aber recht schnell auch wieder abtransportiert werden. Alternativ dringt Sonnenbestrahlung teilweise tief in die Haut ein, ist dort nicht als so heiß spürbar, heizt aber trotzdem tendenziell mehr Gewebe auf, wobei die Wärme dann eher langsamer nach Außen entweichen kann und sich das Temperaturdifferntial zur Körpermitte ungünstiger entwickelt.
Bei längeren Aufenthalten im prallen Sonnenlicht dann eher dickere weiße etwas zu große Shirts mit genug Luftlöchern oder ähnlichem, damit die Kühlung durchs Schwitzen nicht nachlässt.
Eine luftige(!) Mütze mit eingearbeiteten Aluminium-Streifen ist manchmal auch ganz gut, schließlich will man nicht aus heiterem Himmel Hitzschlag kriegen, obwohl man sich eigentlich ausreichend gekühl fühlt (wieso findet man sowas kaum mehr in Läden? Wurde wohl wegen nem Euro zu teuer nicht gekauft von der breiten unwissenden Masse).

@seeker: Dachte man spürt das von Natur aus, ab wann die Sonnenstrahlung zu viel ist? Die Haut fühlt sich dann irgendwie unangenehm an, kanns aber nicht wirklich beschreiben, komischerweise fühlt sich so eine Infrarot-Lampe im Vergleich irgendwie echt nett an...

@tom: ja, wollte dir hier nicht widersprechen. Schwarze Kleidung als UV- und Strahlungs-Schutz ist relativ sinnfrei, wenn dadurch der Abtransport von verdampftem Schweiss (oder gegebenenfalls auch zusätzlicher Luftwärme) unterbunden wird. Es ist denke ich klar, dass schwarze Kleidung kaum zum Kühlen beiträgt, allerdings verhindert sie das Eindringen der Strahlung zu tief in den Körper und würde optimalerweise den Punkt der höchsten Temperatur ausserhalb des Köfpers halten, während weiter innen gekühlt wird.

Und hier die Quizfrage: Was ist besser für die Eiswürfel:
A - eine Heizung im Kühlschrank
B - die Heizung neben dem Kühlschrank
C - das schwarze Gebäude mit Wasser bespränkeln
D - im luftdichten Treibhaus Wasser versprühen

Die Antworten sind womöglich kombinierbar ^^

Ich kann vielleicht mal ein Foto von meinem Lieblings-T-Shirt posten: Das ist Außen schwarz mit einer zweiten hellgrauen Schicht innen, ist recht luftig gemacht und ziemlich Strahlungsundurchlässig. Schade, dass ioch damals nur eins gekauft hatte.
Die plausibelste Erklaerung jedes hinreichend komplizierten Systems ist falsch

Unentscheidbarkeit für Dummies: Dieser Satz ist wahr
oder
Diese Menge hat zwei Elemente: A und B

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