热辐射 – 辐射热

热辐射是电磁波谱红外区域的电磁辐射，尽管其中一些在可见光区域。术语热辐射通常用于将这种形式的电磁辐射与其他形式的电磁辐射区分开来，例如无线电波，X射线或伽马射线。它是由物质中带电粒子的热运动产生的，因此任何温度高于绝对零度的材料都会释放出一些辐射能。热辐射不需要任何介质进行能量转移。事实上，辐射的能量转移是最快的（以光速），并且在真空中不会受到衰减。

与在温度降低方向上发生的传导或对流传热相反，热辐射传热可能发生在两个物体之间，由比两个物体都冷的介质隔开。例如，太阳辐射在高海拔穿过寒冷的大气层后到达地球表面。

斯特凡-玻尔兹曼定律

辐射传热速率，q [W/m2]，从物体（例如黑体）到周围环境与绝对温度的四次方成正比，可以用以下等式表示：

q =  εσT4

其中σ是一个基本物理常数，称为斯特凡-玻尔兹曼常数，等于 5.6697×10-8宽/米2K4.斯特凡-玻尔兹曼常数以约瑟夫·斯特凡（他于1879年通过实验发现 斯特凡-玻尔兹曼定律）和路德维希·玻尔兹曼（不久之后在理论上推导了它）的名字命名。可以看出，辐射传热在非常高的温度和真空中很重要。

发射

 

吸收率

 

 

 

 

 

Q = εσA1-2（T41−T42） [J/s]

q = εσ（T41−T42） [J/m2s]

面积因子 A1-2，是主体 1 的主体 2 所查看的面积，并且可能变得相当难以计算。

黑体辐射

众所周知，在给定波长下从表面发射的辐射能量取决于身体的材料及其表面的状况以及表面温度。因此，各种材料即使在相同温度下也会发出不同量的辐射能量。发出与其绝对温度相称的最大热量的物体称为黑体。

黑体是一种理想化的物理体，具有特定的属性。根据定义，处于热平衡状态的黑体的发射率为ε = 1.0。真实的物体不会像完美的黑体那样辐射那么多的热量。它们比黑体辐射的热量少，因此被称为灰色体。

黑体表面在室温（25°C，298.15 K）下以每平方米约448瓦的速率发射热辐射。发射率小于1.0的真实物体（例如铜线）以相应的较低速率（例如448 x 0.03 = 13.4 W / m）发射辐射2).发射率在传热问题中起着重要作用。例如，太阳能集热器包含具有非常低发射率的选择性表面。这些集热器通过发射热辐射来浪费很少的太阳能。

由于吸收率和发射率通过基尔霍夫热辐射定律相互连接，因此黑体也是电磁辐射的完美吸收器。

基尔霍夫热辐射定律：

对于在热力学平衡下发射和吸收热辐射的任意物体，发射率等于吸收率。

发射率 ε = 吸收率 α

黑体吸收所有入射电磁辐射，无论入射频率或入射角度如何。因此，它的吸收率等于单位，这也是最高的可能值。也就是说，黑体是一个完美的吸收器（也是一个完美的发射器）。

请注意，可见光辐射占据了从400到760nm的光谱的非常窄的波段，我们无法根据视觉观察对表面的黑色做出任何判断。例如，考虑反射可见光并因此显示为白色的白纸。另一方面，红外辐射基本上是黑色的（吸收率α = 0.94），因为它们强烈吸收长波长辐射。

参见：紫外线灾难

光谱 – 热辐射

斯特凡-玻尔兹曼定律确定总黑体发射功率Eb，这是在所有波长上发射的辐射的总和。普朗克定律描述了黑体辐射的光谱，它仅取决于物体的温度，并与光谱黑体发射功率E有关。bλ.这个定律是以德国理论物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）的名字命名的，他在1900年提出了这个定律。普朗克定律是现代物理学和量子理论的开创性成果。普朗克关于能量在离散的“量子”（或能量包）中辐射和吸收的假设与观察到的黑体辐射模式完全吻合，并解决了紫外线灾难。

利用这一假设，普朗克证明，在绝对温度T下，频率ν的物体的光谱辐射度由下给出：

哪里

• Bν（v，T）是光谱辐射（每单位立体角和每单位面积的功率垂直于传播）频率密度 ν 辐射每单位频率在温度T下的热平衡
• h 是普朗克常数
• c是真空中的光速
• kB是玻尔兹曼常数
• ν 是电磁辐射的频率
• T是身体的绝对温度

普朗克定律具有以下重要特征：

• 发射的辐射随波长连续变化。
• 在任何波长下，发射的辐射的大小都随着温度的升高而增加。
• 辐射集中的光谱区域取决于温度，随着温度的升高，在较短的波长下出现的辐射相对更多（维也纳位移定律）。