热辐射基本定律及物体的辐射特性

4.1.1热辐射的定义及基本性质1.热辐射定义热辐射－Thermal Radiation物体由于热的原因（温度高于0 K）而发射电磁波的现象只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射1.热辐射定义辐射换热－Radiation Heat Transfer物体之间通过热辐射交换热量的过程当系统达到热平衡时，辐射换热量为零，热辐射仍然不断进行2.热辐射特点近程及远程效应∞-44w T T 而与成正比∞-w T T 换热不再与成正比，伴随能量形式的转变可以在真空中传播可穿过真空或低温区（好处-航天器散热；坏处-保温瓶散热）辐射能与温度和波长均有关具有强烈的方向性3.热辐射具有电磁波的共性f＝C电磁波谱激光红宝石0.6943μmCO210.6μm氦氖0.6328μm微波加热原理？高频电磁波300-300000 MHz (相应波长100-0.1cm)，使生物组织内偶极分子及蛋白质极性侧链以极高频率振荡，增加分子运动从而导致热量产生热辐射理论上覆盖整个电磁波谱对于太阳辐射（约5800K ）：0.2~2μm可见光：0.38~0.76μm红外线：0.76~25~1000μm一般工业范围内（2000K 以下）：0.38~100μm0.76~20μm远红外加热技术4.物体对热辐射的吸收、反射和穿透当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生吸收、反射和穿透。

transmissivityabsorptivity reflectivity物体对热辐射的吸收、反射和穿透热辐射－Thermal Radiation5.反射同样具有镜反射和漫反射的分别镜反射漫反射对于大多数的固体和液体1,0=+=ρατ1,0=+=ταρ对于不含颗粒的气体只涉及表面整个气体容积假想的1=α1=ρ1=τ透明体黑体镜体或白体三种理想情形4.1.2黑体模型1.黑体定义（Blackbody）可以全部吸收透射到其表面上的所有波长的辐射能（ =1）【不存在任何反射和透射】室温条件下：能量集中在长波电磁辐射和远红外波段到一定温度：开始发出可见光【钢材升温过程】 黑体不见得就是黑色的【取决于温度】2.黑体模型理想化模型：自然界并不存在严格意义上的黑体 人工模型黑体模型✓小孔面积占空腔内壁总面积的比值越小，小孔就越接近黑体✓若这个比值小于0.6%，当内壁吸收比为0.6时，计算表明，小孔的吸收比可达99.6%带有小孔的温度均匀的空腔✓温度均匀【保证辐射均匀且各向同性】✓具有黑体性质【小孔及空腔内部】✓举例：晴天远眺窗口黑洞洞的枪口3. 黑体应用黑体炉对辐射温度计的校准、检定，通常采用比较法，就是通过高稳定度的辐射源（通常为黑体辐射源）和其他配套设备，将标准器所复现的温度与被检辐射温度计所复现的温度进行比较，以判断其是否合格或给出校准结果。

物体的热辐射与热辐射定律物体的热辐射是指物体通过辐射的方式向外界传递热量的现象。

任何温度高于绝对零度的物体都会发出热辐射。

热辐射是由物体内部的分子和原子的热运动引起的。

根据物体表面的温度和性质，热辐射能够表现出不同的特征和规律。

本文将讨论物体的热辐射以及与之相关的热辐射定律。

一、物体的热辐射特征1.1 热辐射的频谱特征物体的热辐射是以电磁波的形式传播的，其频谱范围非常广泛。

根据普朗克的辐射公式，热辐射的频谱与温度有关，随着物体温度的升高，辐射峰值波长变短。

同时，物体的热辐射中除了可见光波段，还包括红外线和紫外线波段。

不同波段的热辐射对应不同的温度范围和能量分布。

1.2 热辐射的颜色特征物体的热辐射在可见光波段时呈现出不同的颜色。

根据维恩位移定律，在一定温度下，物体的辐射峰值波长与其温度成反比。

这就解释了为什么高温物体呈现出蓝色或白炽色，而低温物体呈现出红色。

通过观察物体的颜色，可以推断其表面温度。

二、热辐射定律2.1 斯特藩-玻尔兹曼定律斯特藩-玻尔兹曼定律描述了物体热辐射的功率与温度之间的关系。

该定律表示为：P = σεAT⁴其中，P表示物体的热辐射功率，σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，ε是物体的发射率，A是物体的表面积，T是物体的绝对温度。

该定律表明，物体的热辐射功率和温度的四次方成正比，同时受物体表面积和发射率的影响。

2.2 维恩位移定律维恩位移定律描述了物体热辐射峰值波长与温度之间的关系。

该定律表示为：λmaxT = b其中，λmax表示物体的辐射峰值波长，T是物体的绝对温度，b是维恩位移常数。

根据维恩位移定律，可以通过测量物体的辐射峰值波长推断其温度。

2.3 普朗克辐射定律普朗克辐射定律描述了物体热辐射功率与频率（或波长）之间的关系。

该定律表示为：B(λ, T) = (2hc²/ λ⁵) * (1/(e^(hc/λkT) - 1))其中，B(λ, T)表示以波长和温度为自变量的辐射功率谱密度函数，h是普朗克常数，c是光速，λ是波长，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。

热辐射与物体的辐射特性热辐射是指物体表面由于温度不均匀而具有的发射和吸收电磁辐射的现象。

物体的热辐射特性对于理解能量转换和热传递过程具有重要意义。

本文将从热辐射的基本原理、物体的辐射特性以及应用等方面展开论述。

一、热辐射的基本原理热辐射是物体表面由于温度不均匀而产生的电磁辐射。

根据普朗克辐射定律，物体发射的热辐射功率与其温度的四次方成正比。

换句话说，当一个物体的温度升高时，其辐射功率会呈指数增加。

这也是为什么高温物体发出的光亮而低温物体则不发光的原因。

热辐射的颜色和强度也与物体的表面特性有关。

根据斯蒂芬-波尔兹曼定律，物体发射的热辐射功率与其表面的辐射率成正比。

辐射率是指物体能发射出来的热辐射功率与理想黑体相同温度下发射的热辐射功率之比。

理想黑体是指具有吸收和发射全部电磁辐射的能力，其辐射率为1。

而实际物体的辐射率一般小于1，且随着温度的升高而增加。

二、物体的辐射特性物体的辐射特性与其表面的材料和形态有关。

根据物体表面的几何形状和材料的光学性质，可以分为漫反射、镜面反射和折射等不同类型的辐射。

漫反射是指物体表面对入射辐射均匀地进行散射。

这种类型的辐射广泛存在于日常生活中，例如太阳光在地面上的反射。

漫反射的辐射特性与物体表面的颜色和粗糙程度有关。

粗糙表面的物体更容易发生漫反射，而光滑表面的物体则更容易发生镜面反射。

镜面反射是指物体表面对入射辐射进行镜面反射。

这种类型的辐射在镜子等光滑表面上常见。

在镜面反射中，入射角等于反射角，并且反射光的能量主要集中在特定的角度范围内。

折射是指当光线从一种介质进入另一种介质时的偏折现象。

基于斯涅尔定律，折射角度与入射角度和介质的折射率有关。

此外，物体的折射特性还与材料的透明性有关。

透明材料能够将光线穿过，并发生折射；而不透明材料则会发生反射或吸收。

三、热辐射的应用热辐射的特性在许多领域中得到了广泛的应用。

在太阳能领域中，通过吸收太阳辐射能够转化为热能或电能。

太阳能电池利用半导体材料对光的吸收和光电效应来产生电能，而太阳能热水器则利用吸收板将太阳辐射转化为热能。

热的辐射和辐射性质热辐射是指物体处于一定温度下产生的能量传递过程，它是通过电磁波的形式传递能量。

物体的辐射性质包括辐射频谱、辐射强度等特征。

本文将探讨热辐射的性质以及其在物理学和工程中的应用。

一、热辐射的基本概念热辐射是由于物体的自身温度产生的电磁波，可分为热光辐射和热黑体辐射。

其中，热光辐射指的是可见光范围内的辐射，而热黑体辐射则涵盖了整个电磁波谱。

二、热辐射的特性1. 频谱特性：根据普朗克辐射定律，热辐射的频谱与物体的温度密切相关。

当物体温度升高时，辐射的峰值也向更短波长方向移动。

2. 辐射强度：辐射强度是指单位面积内通过的辐射功率，它与物体的温度、表面性质和波长等因素有关。

根据斯特凡-波尔兹曼定律，辐射强度与物体的温度的四次方成正比。

3. 辐射方向性：物体的辐射方向性决定了辐射能量的传递方式。

理想的黑体辐射具有均匀的辐射方向性，而实际物体的辐射方向性则会受到自身结构和材料的影响。

三、热辐射的应用1. 热辐射在天体物理学中的应用：通过观察天体的辐射谱线，科学家可以了解天体的温度、化学组成和物质运动等重要信息，从而推断天体的性质和状态。

2. 热辐射在工程热学中的应用：在工程设计中，热辐射的特性被广泛应用于能源转换、热电设备和太阳能利用等领域。

研究热辐射可以帮助工程师设计高效的能源系统和传热设备。

3. 热辐射在医学中的应用：医学影像学中的X射线和放射性同位素医疗技术都是基于辐射原理实现的。

这些技术利用物体对辐射的吸收和散射特性，提供了医生观察人体内部结构和病理变化的工具。

4. 热辐射在环境科学中的应用：通过测量地球表面的热辐射，科学家可以了解地表温度、水分蒸发和植被覆盖等环境指标，用于监测气候变化和生态系统健康状况。

结论热辐射作为物体自身温度所产生的能量传递过程，在物理学和工程中起着重要的作用。

研究和应用热辐射的特性，有助于我们更好地理解和利用自然界中的能量传递规律，推动科学技术的发展和应用。

通过以上对热辐射性质的介绍以及其在不同领域的应用，我们可以看到热辐射在各个领域中的重要性。