E13 Wärmestrahlung

Thema

Wärmestrahlung überträgt Wärme mittels elektromagnetischer Infrarotwellen, ohne – anders als bei Wärmeleitung und Wärmekonvektion (die zwei unterschiedliche Modelle dieses Systems beschreiben) – ein materielles Medium zur Wärmeübertragung zu benötigen. In der Küche wirkt diese Wärmestrahlung im Backofen, auf dem Grill, unter dem Backofengrill oder im Toaster und wird genau dann zum dominierenden Wärmeübertragungsmechanismus, wenn Lebensmittel keinen direkten Kontakt zu einer heißen Oberfläche haben oder von einer zirkulierenden Flüssigkeit umgeben sind. Sobald Lebensmittel keinen direkten Kontakt oder zirkulierende Flüssigkeiten mehr haben, überwiegt die Wärmestrahlung die Wärmeleitung und Wärmekonvektion als Wärmeübertragungsmechanismus.

Gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz emittiert jeder Körper mit einer absoluten Temperatur über Null Wärmestrahlung, die proportional zur vierten Potenz dieser absoluten Temperatur ist. Der Emissionsgrad der Körperoberfläche, der für die meisten feuchten Lebensmittel nahe neun Zehntel liegt, quantifiziert, wie viel Wärmestrahlung diese Oberfläche tatsächlich im Vergleich zu einem idealen schwarzen Körper bei derselben absoluten Temperatur abgibt. Eine goldgelbe oder fettige Oberfläche dieses Lebensmittels kann eine etwas geringere Emissionsfähigkeit aufweisen als dieselbe feuchte Oberfläche. Da die absolute Temperatur dieses Lebensmittels höher ist, ist die von seiner Oberfläche abgegebene Wärmestrahlung gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz folglich viel größer, da diese Wärmestrahlung von der vierten Potenz der absoluten Temperatur und nicht von der absoluten Temperatur selbst abhängt.

Der Nettostrom dieser Wärmestrahlung zwischen Heizelement und Lebensmitteloberfläche skaliert entsprechend mit der Differenz zwischen der vierten Potenz der absoluten Temperatur des Heizelements und der vierten Potenz der absoluten Temperatur der Lebensmitteloberfläche. Daher bewirkt eine geringe Erhöhung der absoluten Temperatur des Heizelements einen viel größeren Anstieg dieses Nettostroms an Wärmestrahlung, als es eine einfache Proportionalitätsbeziehung erwarten ließe. Diese Abhängigkeit von der vierten Potenz der absoluten Temperatur erklärt den Hitzeschock, den man beim Annähern an einen heißen Grill verspürt. Steigt die absolute Temperatur des Heizelements weiter an, wächst dieser Nettostrom an Wärmestrahlung zur Lebensmitteloberfläche gemäß derselben Abhängigkeit von der vierten Potenz überproportional.

Dieses Modell, dessen Wärmestrahlung und Nettostrom von der vierten Potenz der Öffnungstemperatur abhängen, führt gemäß dem Wien'schen Verschiebungsgesetz dazu, dass ein Heizelement bei typischen Küchentemperaturen Wärmestrahlung hauptsächlich im nahen und mittleren Infrarotbereich abgibt. Diese Strahlung wird leicht von Wasser und der Oberfläche der Lebensmittel absorbiert und fördert so die Maillard-Reaktion und die Oberflächenkaramellisierung, ohne dass das Innere zwangsläufig gegart wird. In der Praxis ermöglicht ein äquivalenter Strahlungskoeffizient, diese Wärmestrahlung als zusätzlichen Beitrag neben dem durch ein anderes Modell dieser Reihe ermittelten Konvektionskoeffizienten zu berücksichtigen und beide Beiträge zur Gesamtwärmebilanz des Lebensmittels zu addieren. Ein höherer äquivalenter Strahlungskoeffizient, addiert zum Konvektionskoeffizienten, führt zu einer höheren Gesamtwärmebilanz des Lebensmittels.

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