Ergänzung 2.3: Das Stefan-Boltzmann-Gesetz    (1/2)

Darstellung aus dem Planckschen Strahlungsgesetz

Die Energiedichte U

Die spektrale Verteilung der Energiedichte des Strahlungsfelds eines schwarzen Körpers ist in der Frequenzdarstellung:

u f = 8π f 2 c 3 hf exp{ hf / kT }−1

Sie soll über alle Frequenzen integriert werden, um die spektral integrierte Energiedichte U zu bestimmen:

U= ∫ f=0 ∞ u f  df ,

das heißt:

U= 8πh c 3 ∫ f=0 ∞ f 3 exp{ hf / kT }−1  df

Die Integration wird mit der Einführung einer neuen Variablen übersichtlicher:

hf / kT =x

Mit den Ersetzungen

f= kT h x     und     df= kT h dx

wird:

U= 8π k 4 c 3 h 3 T 4 ∫ x=0 ∞ x 3 e x −1  dx

Das Integral ist nicht elementar lösbar. Sein Wert ist:

∫ x=0 ∞ x 3 e x −1  dx= π 4 15
...für Mathematiker ↓

Damit wird:

U= 8 π 5 k 4 15 c 3 h 3 T 4
Gleichungen ↓

Die spezifische Ausstrahlung M

Der Zusammenhang zwischen Energiedichte und spezifischer Ausstrahlung eines isotropen Strahlungsfelds (d.h., in dem keine Ausbreitungsrichtung bevorzugt ist) lautet:

U= 4 c M

Für die spezifische Ausstrahlung eines schwarzen Körpers folgt somit:

M= 2 π 5 k 4 15 c 2 h 3 T 4 =σ T 4

Mit h=6,6⋅ 10 −34 Js , k=1,38⋅ 10 −23 J/K und c=3⋅ 10 10 m/s erhält man die Stefan-Boltzmann-Konstante:

σ=5,670⋅ 10 −8 W m 2 K 4

Die Strahldichte L

Der Zusammenhang zwischen Energiedichte und Strahldichte eines isotropen Strahlungsfelds lautet:

U= 4π c L

Damit wird:

L= σ π T 4