4.4 热辐射基本理论

《热辐射》讲义一、什么是热辐射在我们的日常生活中，热传递的现象无处不在。

当我们靠近篝火取暖时，感受到的温暖不仅仅来自热传导和热对流，还有一种重要的热传递方式——热辐射。

热辐射，简单来说，就是由物体自身温度所决定的，以电磁波形式向外传递能量的过程。

与热传导和热对流不同，热辐射不需要介质，可以在真空中进行。

比如，太阳向地球传递热量，就是通过热辐射的方式。

即使在浩瀚的宇宙空间中，没有空气这样的介质，太阳的热能依然能够穿越遥远的距离到达地球。

二、热辐射的特点1、不需要介质这是热辐射最为显著的特点之一。

无论是在真空的宇宙空间，还是在各种气体、液体、固体的环境中，热辐射都能发生。

2、与温度相关物体的温度越高，热辐射的能力就越强，辐射出的电磁波能量也就越大。

这也就解释了为什么高温物体看起来更加明亮，因为它们辐射出了更多高能量的电磁波。

3、电磁波形式热辐射是以电磁波的形式传播能量的。

这些电磁波涵盖了从红外线、可见光到紫外线等广泛的频谱范围。

4、具有方向性热辐射并非均匀地向各个方向传播，而是具有一定的方向性。

物体表面的形状、材质等因素都会影响热辐射的方向分布。

三、热辐射的原理热辐射的本质是物体内部微观粒子的热运动所导致的。

当物体内部分子、原子等微观粒子处于热运动状态时，它们会不断地吸收和发射电磁波。

这些电磁波的能量与微观粒子的热运动状态相关，温度越高，微观粒子的热运动越剧烈，发射的电磁波能量也就越高。

从量子力学的角度来看，热辐射是由物体内部的电子在不同能级之间跃迁所产生的。

当电子从高能级向低能级跃迁时，就会发射出一定能量的电磁波。

四、热辐射的影响因素1、物体的温度这是最关键的因素。

温度越高，热辐射的强度越大，辐射出的电磁波频率也越高。

2、物体的表面积表面积越大，相同温度下辐射的能量也就越多。

3、物体的表面特性包括表面的颜色、粗糙度、材质等。

一般来说，颜色越深、粗糙度越大、吸收率越高的表面，其热辐射能力也越强。

4、物体的几何形状不同的几何形状会影响热辐射的方向和强度分布。

《热辐射》讲义一、什么是热辐射在我们日常生活中，热的传递方式有很多种，比如热传导、热对流，而热辐射则是一种独特且重要的方式。

热辐射，简单来说，就是由物体自身的温度所引起的，以电磁波的形式向外传递能量的过程。

我们身边的各种物体，无论是太阳这样遥远的恒星，还是身边烧红的铁块、取暖用的电暖器，甚至是我们人体自身，都在时刻不停地向外发射热辐射。

热辐射与其他热传递方式最大的不同在于，它不需要依靠任何介质就能进行。

这意味着在真空中，热辐射照样可以传播能量。

比如，太阳的能量就是通过热辐射穿越遥远的太空，最终到达地球的。

二、热辐射的特点1、无处不在热辐射在自然界和我们的生活中无处不在。

只要有温度高于绝对零度（－27315℃）的物体存在，就会有热辐射产生。

2、与温度的关系物体的温度越高，热辐射的强度就越大，同时辐射的波长也会越短。

比如，低温的物体主要发射长波红外线，而高温物体如烧红的铁块则会发射可见光。

3、电磁波特性热辐射是以电磁波的形式传播的，它涵盖了从红外线、可见光到紫外线等广泛的波长范围。

不同波长的电磁波具有不同的能量和特性。

4、不需要介质如前所述，热辐射不需要任何物质作为媒介，可以在真空中自由传播。

这使得它在宇宙空间等特殊环境中的能量传递起着关键作用。

三、热辐射的规律1、斯特藩玻尔兹曼定律这个定律表明，黑体的辐射出射度与绝对温度的四次方成正比。

也就是说，温度升高一倍，热辐射的能量将增加到原来的 16 倍。

2、维恩位移定律它描述了黑体辐射的峰值波长与温度的关系。

温度越高，峰值波长越短。

这对于研究不同温度下物体的热辐射特性具有重要意义。

四、热辐射的应用1、红外测温仪利用物体的热辐射来测量其温度。

通过检测物体发射的红外线强度，可以快速、非接触地获取物体的表面温度，在工业生产、医疗诊断等领域有广泛应用。

2、太阳能利用太阳以热辐射的形式向地球传递巨大的能量。

太阳能热水器、太阳能电池板等设备就是通过吸收太阳的热辐射来转化为我们所需的热能或电能。

第八章热辐射的基本定理本章从分析热辐射的本质和特点开始，结合表面的辐射性质引出有关热辐射的一系列术语和概念，然后针对辐射规律提出了热辐射的基本定律。

学习的基本要求是：理解热辐射本质和特点。

有关黑体、灰体、漫射体，发射率（黑率）、吸收率的概念。

理解和熟悉热辐射的基本定律，重点是斯蒂芬—玻尔兹曼定律和基尔霍夫定律。

了解影响实际物体表面辐射特性的因素。

主要内容有：一、作为表面的热辐射性质，主要有：对外来投射辐射所表现的吸收率、反射率、透射率和自由温度所表现出的发射率。

对实际表面，这些性质既有方向性又具有光谱性，即它们既和辐射的方向有关，又和辐射的波长有关。

所以实际表面的辐射性质是十分复杂的。

工程上为简化计算而提出了“漫”“灰”模型：前者指各向同性的表面，即辐射与反辐射性质与方向无关；后者指表面的辐射光谱与同温度黑体的辐射光谱相似，或表面的单色吸收率不随波长而变化是一个常数。

如某表面的辐射特性，除了与方向无关外，还与波长无关，则称为“漫—灰”表面，本教材主要针对这类表面作分析计算。

二、有关黑体的概念。

黑体既是一个理想的吸收体又是理想的发射体，在热辐射中可把它作为标准物体以衡量实际物体的吸收率和发射率。

基于黑体是理想吸收体，如把他置于温度为T的黑空腔中，利用热平衡的原理可推论出黑体尚具有如下特性：1、在同温度条件下，黑体具有最大的辐射力Eb，既（T）> （T）。

2、黑体的辐射力是温度的单调递增函数。

3、黑体辐射各向同性，即黑体具有漫射性质，辐射强度与方向无关，≠。

三、发射率发射率单色发射率与的关系对灰表面≠，可有= 。

四、辐射力E和辐射强度I均表示物体表面辐射本领。

只要表面温度T>0 K，就会有辐射能量。

前者是每单位表面积朝半球方向（0 K环境）在单位时间内所发射全波长的能量，而后者是某方向上每单位投影面积在单位时间、单位立体角内所发射的全波长能量。

它们之间的关系是，对黑体。

如果是单色辐射能量，相对有单色辐射力和单色辐射强度，并有，对黑体。

《热辐射》讲义一、热辐射的基本概念热辐射，简单来说，就是物体由于自身的温度而向外发射电磁波的现象。

这种现象在我们的日常生活中无处不在，比如太阳的光和热就是通过热辐射传递到地球的。

物体的温度越高，它所发射的电磁波的能量就越大，波长就越短。

这是因为温度升高会使物体内部的分子和原子运动加剧，从而产生更多、更强的电磁辐射。

与热传导和热对流不同，热辐射不需要任何介质就可以在真空中传播。

这使得热辐射在宇宙空间等真空环境中成为热量传递的重要方式。

二、热辐射的特点1、无需介质热辐射的传播不需要依靠任何物质介质，它能够在真空中以光速进行传播。

这一特点使得热辐射在宇宙中的能量传递中起着至关重要的作用。

2、温度决定辐射强度物体的温度直接决定了热辐射的强度和波长分布。

高温物体发射出的电磁波能量高、波长较短，而低温物体则发射出能量较低、波长较长的电磁波。

3、具有方向性热辐射并不是均匀地向各个方向发射的，其发射方向与物体的表面形状、温度分布等因素有关。

4、遵循黑体辐射定律黑体是一种能够完全吸收所有入射辐射，并以最大效率发射辐射的理想物体。

黑体辐射定律描述了黑体的辐射能量与波长、温度之间的关系，对于研究热辐射现象具有重要意义。

三、热辐射的定律和公式1、斯特藩玻尔兹曼定律该定律表明，黑体的辐射出射度与绝对温度的四次方成正比。

用公式表示为：＄M ＝＼sigma T^4$，其中$M$ 是黑体的辐射出射度，＄＼sigma$ 是斯特藩玻尔兹曼常量，＄T$ 是黑体的绝对温度。

2、维恩位移定律它指出黑体辐射的峰值波长与绝对温度成反比。

公式为：＄＼lambda_{m}T ＝ b$，其中$＼lambda_{m}＄是黑体辐射的峰值波长，＄b$ 是维恩常量。

四、热辐射的应用1、工业加热在工业生产中，利用热辐射原理的加热设备，如红外线加热炉，可以实现高效、均匀的加热，广泛应用于金属加工、陶瓷烧制等领域。

2、太阳能利用太阳能热水器和太阳能电池板都是利用太阳的热辐射来获取能量的。

热学中的热辐射理论分析热辐射是指物体由于它的温度或分子运动而产生的能量辐射。

在热学中，热辐射是一个重要的概念，涉及到很多物理现象。

在本文中，我们将对热辐射理论进行分析。

热辐射的基本规律热辐射具有以下几个基本规律：1. 热辐射是由物体表面上的电磁波产生的。

这些电磁波包括可见光、红外线和紫外线等。

2. 热辐射的强度与物体的温度成正比。

当一个物体的温度升高时，它所辐射的能量也会增加。

3. 热辐射的能量密度与波长的四次方成反比。

这意味着，在可见光波长范围内，热辐射的强度最大。

4. 热辐射的能量与表面积成正比。

这意味着，当一个物体的表面积增大时，它所辐射的能量也会增加。

热辐射的黑体辐射定律黑体是指一个理想的物体，它对所有波长的热辐射都是完全吸收并且不反射的。

黑体是热辐射理论中的一个重要概念。

它是指一个具有完美吸收和发射能力的物体，可以用来研究热辐射的基本规律。

黑体辐射定律是热辐射理论中的一项基本规律，它描述了黑体所辐射的电磁辐射的光谱强度与温度的关系。

黑体辐射定律可以用以下公式表示：B(λ，T) = 2hc²λ⁻⁵/(e⁽hc/λkT⁾-1)其中，B(λ，T)是波长为λ，温度为T的黑体单位面积、单位时间内辐射的光谱强度。

h是普朗克常数，c是光速，k是玻尔兹曼常数，λ是辐射光的波长。

黑体辐射定律表明，在可见光波长范围内，黑体所辐射的能量最强，而且辐射强度随着温度的升高而增强。

克尔文-玻尔兹曼定律和斯特藩-玻尔兹曼定律除了黑体辐射定律，热辐射理论中还有另外两个重要的定律：克尔文-玻尔兹曼定律和斯特藩-玻尔兹曼定律。

克尔文-玻尔兹曼定律描述了一个物体所辐射的总能量随温度的升高而增加的关系。

它可以用以下公式表示：P = σAT⁴其中，P是单位时间内一个物体辐射的总能量，σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，A是物体表面积，T是物体的绝对温度。

斯特藩-玻尔兹曼定律描述了一个物体在某一个波长范围内的辐射强度与温度的关系。

《热辐射》讲义一、什么是热辐射当我们谈到热辐射，首先要明白它是一种热传递的方式。

在日常生活中，我们能感受到热从一个地方传递到另一个地方，比如靠近火时会感到温暖，这就是热在传递。

热传递主要有三种方式：热传导、热对流和热辐射。

热传导是通过物质内部的分子或原子的相互碰撞和振动来传递热量，比如金属勺子放在热水里，勺子柄会变热。

热对流则是依靠流体（液体或气体）的流动来传递热量，像房间里的暖气通过空气的流动使整个房间变暖。

而热辐射与前两者有很大的不同。

热辐射是指物体由于具有温度而以电磁波的形式向外发射能量的过程。

简单来说，任何温度高于绝对零度（约为－27315℃）的物体都会不停地发射热辐射。

这种辐射不需要依靠任何介质，可以在真空中传播。

比如太阳，它距离地球非常遥远，中间几乎是真空，但太阳的热能却能通过热辐射到达地球，给我们带来光明和温暖。

二、热辐射的特点1、不需要介质热辐射最大的特点之一就是不需要任何物质作为媒介，能够在真空中传播。

这一点与热传导和热对流截然不同。

2、与温度相关物体的温度越高，热辐射的能力就越强，辐射出的电磁波的频率和能量也越高。

这意味着高温物体比低温物体发射出更多的热辐射。

3、电磁波形式热辐射是以电磁波的形式传播能量的。

电磁波的波长范围很广，从短波的伽马射线到长波的无线电波都有。

物体温度不同，辐射出的电磁波的波长分布也不同。

4、遵循特定规律热辐射遵循斯特藩玻尔兹曼定律、维恩位移定律等。

斯特藩玻尔兹曼定律表明，黑体辐射的总能量与绝对温度的四次方成正比；维恩位移定律则指出，黑体辐射的峰值波长与绝对温度成反比。

三、热辐射的应用热辐射在我们的生活和工业中有着广泛的应用。

1、保暖用品冬天我们穿的保暖衣物，其材料往往具有较好的热辐射阻挡能力，能够减少人体向外辐射热量，从而起到保暖的作用。

2、太阳能利用太阳能热水器和太阳能电池板就是利用太阳的热辐射来获取能量。

太阳能热水器通过吸收太阳辐射的能量来加热水，而太阳能电池板则将太阳辐射能转化为电能。

热辐射的物理学理论和应用热辐射是一种广泛存在于自然界和人造环境中的现象。

从自然界的角度来看，太阳的光线就是一种热辐射。

从技术应用的角度来看，热能的传输与利用也与热辐射密切相关。

因此，对热辐射的研究既有基础性的物理学理论，也有广泛的应用价值。

热辐射基本理论热辐射是由物体发出的热能所表现出的一种电磁波辐射现象。

其波长范围从长波红外线到短波紫外线，其中绝大部分波长在红外线区域。

针对热辐射，Planck于1900年提出了著名的Planck辐射定律。

该定律描述了发射热辐射的物体的光谱能量分布函数，它与温度有关，即发射光子数与光子能量的乘积的分布函数。

通过推导，可以得到Planck分布定律的表达式如下：B(λ, T) = 2hc²/λ⁵ x 1/(e^(hc/λkT)-1)其中，B(λ, T)是波长λ处温度为T的物体的辐射光谱能量密度，h为普朗克常数，c为光速，k为波尔兹曼常数。

在热辐射理论中，另一个重要的量是辐射强度，它表示单位时间、单位面积，沿任意方向由单位立体角内的单色辐射流通量。

辐射强度的单位是W/(m²sr)，其中sr表示立体角。

黑体辐射和温度计Planck辐射定律是描述辐射体光能分布的重要理论基础，同时它还是理解黑体辐射的关键。

黑体是一种将所有进入的辐射完全吸收的体，不会反射、透射和漏散任何来自辐射源的能量。

实际上，黑体只是理想化的物体，但是它可以作为研究热辐射的标准，因此，大量的研究集中在了黑体上。

由于黑体对不同波长的辐射吸收完全，因此对于达到热平衡的黑体，其从表面发出的辐射是符合Planck辐射定律的。

这样，通过对于发射黑体的辐射光谱的实验测定，我们就可以对黑体辐射做出广泛的描述和理解。

温度计是热辐射应用的另一个关键领域。

根据热辐射的基础理论，对于一个辐射体，当它的温度升高，其发射的辐射光强度就会增加，并且发射光谱的峰位会向短波方向移动，同时，也会发生黑体辐射对发射光谱的影响。

《热辐射》讲义一、热辐射的定义与基本概念当我们提及热辐射，它是一种通过电磁波来传递热量的方式。

简单来说，热辐射不需要任何介质，能够在真空中进行。

这与我们常见的热传导和热对流有很大的不同。

想象一下，太阳的热量是如何到达地球的？中间可是广袤的宇宙真空，没有物质来传导或对流热量，这时候热辐射就发挥了关键作用。

热辐射的电磁波谱范围相当广泛，包括了从红外线、可见光到紫外线等。

不同波长的电磁波所携带的能量也有所不同。

要理解热辐射，还需要知道黑体这个概念。

黑体是一种理想化的物体，它能够吸收所有照射到它上面的辐射，并且不会反射或透射。

黑体的辐射特性对于研究热辐射具有重要的意义。

二、热辐射的原理热辐射的产生源于物体内部的微观粒子的热运动。

这些微观粒子，比如原子、分子等，在不断地运动和振动，从而产生了电磁辐射。

物体的温度越高，其微观粒子的热运动就越剧烈，所产生的热辐射的强度和频率也就越高。

这也就解释了为什么高温物体看起来更亮，比如烧红的铁块。

同时，热辐射的强度还与物体的表面积、表面特性等因素有关。

表面积越大，辐射出去的热量也就越多；表面越粗糙，辐射能力通常也越强。

三、热辐射的特点热辐射具有一些独特的特点。

首先，它的传播速度是光速，非常之快。

这使得热辐射能够在瞬间传播到很远的地方。

其次，热辐射是一种双向的过程。

物体既会向外辐射热量，同时也会吸收来自周围环境的热辐射。

另外，热辐射的能量分布与物体的温度密切相关。

根据普朗克定律，我们可以知道不同温度下物体辐射能量的分布情况。

而且，热辐射不受周围介质的影响，无论在真空、气体、液体还是固体中，都能发生。

四、热辐射的影响因素热辐射的强度和特性受到多种因素的影响。

温度无疑是最重要的因素之一。

温度越高，热辐射的总量和强度就越大。

物体的材料和表面特性也起着关键作用。

不同材料的辐射率不同，辐射率高的材料更容易辐射热量。

表面的颜色、粗糙度等也会影响热辐射的发射和吸收。

环境的温度和物体周围的物体也会对热辐射产生影响。

《热辐射》讲义一、热辐射的基本概念当我们在寒冷的冬天靠近火炉，会感到温暖；在夏日的阳光下，皮肤会被晒热。

这些现象背后的原理就是热辐射。

热辐射，简单来说，就是由物体自身温度所引起的，以电磁波形式向外传递能量的过程。

它与我们常见的热传递方式——热传导和热对流有着明显的区别。

热传导需要物体之间的直接接触，热对流则依赖于流体的流动来传递热量，而热辐射不需要任何介质，在真空中也能进行。

所有温度高于绝对零度（约为－27315 摄氏度）的物体都会不停地向外辐射能量。

这意味着，哪怕是一块冰冷的石头，或者遥远的恒星，都在时刻进行着热辐射。

二、热辐射的特点1、不需要介质热辐射的一个显著特点就是它可以在真空中传播。

这与热传导和热对流截然不同。

想象一下太阳的能量能够穿越浩瀚的宇宙空间到达地球，靠的就是热辐射。

2、与温度密切相关物体的温度越高，热辐射的能力就越强。

例如，烧红的铁块比常温下的铁块辐射出的热量要多得多。

而且，热辐射的波长分布也与温度有关。

温度较低时，主要辐射出较长波长的红外线；温度升高，波长逐渐变短，会出现可见光，甚至紫外线。

3、遵循一定的规律热辐射遵循斯特藩玻尔兹曼定律、维恩位移定律等。

斯特藩玻尔兹曼定律表明，黑体的辐射出射度与热力学温度的四次方成正比。

维恩位移定律则指出，黑体辐射光谱中辐射强度的峰值波长与绝对温度成反比。

三、热辐射的影响因素1、物体的材料和表面特性不同材料的物体，其热辐射的能力和吸收能力是不同的。

比如，黑色的物体通常比白色的物体更善于吸收和辐射热量。

物体的表面粗糙度也会产生影响，粗糙的表面比光滑的表面更有利于热辐射。

2、物体的温度如前所述，温度是决定热辐射强弱的关键因素。

温度越高，热辐射越剧烈。

3、环境温度周围环境的温度会影响物体与环境之间的热交换。

当物体温度高于环境温度时，物体向外辐射热量；反之，物体吸收热量。

四、热辐射在生活中的应用1、取暖设备常见的电暖器、红外线取暖器等，都是利用热辐射的原理来为我们提供温暖。

《热辐射》讲义一、什么是热辐射在我们日常生活中，热的传递是一种常见的现象。

热可以通过传导、对流和辐射这三种方式进行传递。

而热辐射，是一种不需要任何介质就能发生的热传递方式。

想象一下，在一个寒冷的夜晚，我们站在篝火旁，即使没有直接接触火焰，也能感受到温暖。

这就是热辐射在起作用。

热辐射是由物体内部的分子、原子的热运动引起的。

当物体的温度高于绝对零度（约为－27315℃）时，它的分子和原子就会处于不断的运动中，并向外发射电磁波，这种电磁波携带着能量，也就是我们所说的热辐射。

与传导和对流不同，热辐射不需要依靠物质的接触或流动来传递热量。

它可以在真空中进行，比如太阳的热量能够穿越遥远的太空到达地球，就是通过热辐射实现的。

二、热辐射的特点1、不需要介质这是热辐射最为显著的特点之一。

无论在真空、气体、液体还是固体中，热辐射都能发生。

这使得热辐射在宇宙空间等特殊环境中成为热量传递的重要方式。

2、与温度的关系物体的温度越高，热辐射的强度就越大，辐射出的电磁波的频率也越高。

例如，一个炽热的铁块会发出强烈的红光，随着温度继续升高，它会逐渐变成橙色、黄色甚至白色。

3、具有方向性热辐射并不是向四面八方均匀地发射，而是具有一定的方向性。

物体表面的粗糙度、形状等因素都会影响热辐射的方向分布。

4、遵循黑体辐射定律黑体是一种能够完全吸收所有入射辐射，并且在相同温度下发射出最大辐射能的理想物体。

实际物体的热辐射特性可以通过与黑体的比较来描述，并遵循黑体辐射定律。

三、热辐射的原理从微观角度来看，热辐射的产生源于分子和原子的热运动。

这些微观粒子在运动过程中，其电荷分布会发生变化，从而产生变化的电磁场，向外发射电磁波。

电磁波的波长范围很广，从红外线、可见光到紫外线等都有可能。

不同波长的电磁波携带的能量不同，物体温度越高，短波长的电磁波所占比例就越大。

对于一个给定的物体，其热辐射的能量分布与波长之间的关系可以用普朗克定律来描述。

这个定律揭示了热辐射的本质规律，是研究热辐射的重要基础。

《热辐射》讲义一、什么是热辐射在我们的日常生活中，热的传递方式有很多种，比如热传导、热对流，还有热辐射。

热辐射是一种独特而又普遍存在的热传递方式。

想象一下，在一个寒冷的冬天，我们站在篝火旁，即使没有直接接触火焰，也能感受到温暖。

这就是热辐射在起作用。

或者在太阳底下，我们会感受到阳光带来的热量，这也是热辐射。

热辐射是指由物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。

简单来说，任何温度高于绝对零度（约为－27315 摄氏度）的物体都会不断地向周围空间发射电磁波，这种电磁波携带了能量，从而实现了热的传递。

二、热辐射的特点1、不需要介质与热传导和热对流不同，热辐射不需要依靠任何物质作为媒介来传递热量。

在真空中，热辐射同样能够有效地进行。

这也是为什么太阳的热量能够穿越遥远的太空到达地球。

2、辐射能与温度的关系物体的温度越高，它辐射出的电磁波能量就越大，波长就越短。

例如，低温物体主要辐射出波长较长的红外线，而高温物体，如太阳，不仅辐射红外线，还会有可见光、紫外线等波长更短的电磁波。

3、辐射的方向性物体在向外辐射热量时，并不是均匀地向各个方向辐射，其辐射强度会随着方向的不同而有所变化。

三、热辐射的规律1、斯特藩玻尔兹曼定律该定律表明，黑体的辐射出射度（单位面积上所发射的辐射功率）与黑体的热力学温度的四次方成正比。

用公式表示为：＄M ＝σT^4$，其中＄M$ 是黑体的辐射出射度，＄σ$ 是斯特藩玻尔兹曼常量，＄T$ 是黑体的热力学温度。

2、维恩位移定律这个定律指出，黑体辐射的峰值波长与黑体的热力学温度成反比。

也就是说，温度越高，辐射的峰值波长越短。

公式为：＄λ_{max}T ＝b$，其中＄λ_{max}＄是峰值波长，＄b$ 是维恩常量。

四、热辐射的应用1、红外线加热利用红外线的热辐射特性，可以实现对物体的加热。

例如，在工业生产中，红外线烤箱常用于烘干、固化等工艺。

2、太阳能利用太阳能热水器、太阳能电池板等都是对太阳热辐射的利用。