热辐射

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热辐射是物质中粒子热运动产生的电磁辐射。当材料中电荷(常见物质形式的电子和质子)运动产生的热量转化为电磁辐射时,就会产生热辐射。所有温度大于绝对零的物质都会发出热辐射。在室温下,大部分发射都在红外(IR)光谱中。:73–86粒子运动导致电荷加速或偶极子振荡,从而产生电磁辐射。 动物发出的红外辐射(可用红外相机检测)和宇宙微波背景辐射是热辐射的例子。 如果辐射物体在热力学平衡状态下满足黑体的物理特性...
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热辐射

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热辐射是物质中粒子热运动产生的电磁辐射。 当材料中电荷(常见物质形式的电子和质子)运动产生的热量转化为电磁辐射时,就会产生热辐射。 所有温度大于xxx零的物质都会发出热辐射。 在室温下,大部分发射都在红外 (IR) 光谱中。: 73–86 粒子运动导致电荷加速或偶极子振荡,从而产生电磁辐射。

动物发出的红外辐射(可用红外相机检测)和宇宙微波背景辐射是热辐射的例子。

如果辐射物体在热力学平衡状态下满足黑体的物理特性,则这种辐射称为黑体辐射。 普朗克定律描述了黑体辐射的光谱,它完全取决于物体的温度。 维恩位移定律决定了发射辐射的最可能频率,斯特凡-玻尔兹曼定律给出了辐射强度。

热辐射也是传热的基本机制之一。

概览

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热辐射是所有温度大于xxx零的物质发射的电磁波。 热辐射反映了热能向电磁能的转换。 热能是物质中原子分子随机运动的动能。 所有具有非零温度的物质都是由具有动能的粒子组成的。 这些原子和分子由带电粒子组成,即质子和电子。 物质粒子之间的动力学相互作用导致电荷加速和偶极振荡。 这导致耦合电场磁场的电动产生,导致光子发射,将能量身体辐射出去。 包括可见光在内的电磁辐射将在真空中无限传播。

热辐射的特性取决于它发出的表面的各种特性,包括它的温度、它的光谱发射率,如基尔霍夫定律所表达的那样。 辐射不是单色的,即它不仅包含单一频率,还包含光子能量的连续光谱,即其特征光谱。 如果辐射体及其表面处于热力学平衡状态,并且表面对所有波长都具有完美的吸收率,则它被表征为黑体。 黑体也是完美的发射体。 这种完美发射器的辐射称为黑体辐射。 任何物体的发射率与黑体的发射率之比就是物体的发射率,因此黑体的发射率是单位(即 1)。

所有物体的吸收率、反射率和发射率都取决于辐射的波长。 由于互易性,任何特定波长的吸收率和发射率在平衡时是相等的——好的吸收体必然是好的发射体,而差的吸收体必然是差的发射体。 温度决定了电磁辐射的波长分布。 例如,右图中的白色涂料对可见光的反射率很高(反射率约为 0.80),因此由于反射了峰值波长约为 0.5 微米的太阳光,人眼会呈现白色。 然而,它在温度约为 -5°C(23°F)、峰值波长约为 12 微米时的发射率为 0.95。 因此,对于热辐射,它看起来是黑色的。

热辐射

黑体以不同频率发射的能量分布由普朗克定律描述。 在任何给定温度下,都有一个频率 fmax,在该频率下发射的功率xxx。 维恩位移定律,以及频率与波长成反比的事实表明,峰值频率 fmax 与黑体的xxx温度 T 成正比。 太阳的光球层温度约为 6000 K,主要在电磁波谱的(人类)可见部分发出辐射。 地球的大气层对可见光是部分透明的,到达地表的光被吸收或反射。 地球表面发出吸收的辐射,近似于 300 K 的黑体行为,光谱峰值位于 fmax。 在这些较低的频率下,大气在很大程度上是不透明的,来自地球表面的辐射被大气吸收或散射。 虽然大约 10% 的这种辐射逃逸到太空中,但大部分被吸收,然后被大气气体重新发射。 正是大气的这种光谱选择性导致了行星温室效应,总体上导致了全球变暖和气候变化(但当大气的成分和性质没有改变时,也对气候稳定起到了关键作用)。

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