物体热辐射
热辐射基本定律及物体的辐射特性
第八章 热辐射基本定律及物体的
14
辐射特性
在许多实际问题中，往往需要确定某一特定波长区段内的辐射能量。 黑体在[λ1,λ2]区段所发出的辐射能为（见图7-7）
Eb
2 1
Ebd
通常把这一波段的辐射能表示成同温下黑体辐射力（0-∞）的
百分数，记为Fb(λ1-λ2)。于是
Fb(12) 01 2EEbbddT14 12Ebd
对于服从兰贝特定律的辐射，其定向辐射强度L与辐射力E之间有如 下关系：
Байду номын сангаас
第八章 热辐射基本定律及物体的
16
辐射特性
（1）定向辐射强度
① 先引入立体角的概念（见图7-8）
平面角：θ=s/r [rad]（弧度） 式中： 弧长s、半径r 。
立体角：Ω=Ac/r2
式中：Ac —半球体表面被立体角切割的面积， r—球体的半径。
对半球，面积为2πr2,立体角为2π[ sr](球面度)。 微元立体角：dΩ= dAC/r2
（2）单色辐射力Eλ：在热辐射的整个波谱内，不同波长发射出的 辐射能是不同的。见图7-6。对特定波长λ来说：
从λ到λ+dλ区间发射出的能量为dE。则
E
dE
d
第八章 热辐射基本定律及物体的
10
辐射特性
单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的某一 特定波长的辐射能。称为单色辐射力。[w/m3]。
图7-6 Planck 定律的图示
第八章 热辐射基本定律及物体的
12
辐射特性
最大单色辐射力所对应的波长λm亦随温度不同而变化。随着 温度的增高，曲线的峰值向左移动，即移向较短的波长。最大单色 辐射力所对应的波长λm与温度T之间存在着如下的关系：
热辐射物体的辐射和吸收
热辐射物体的辐射和吸收热辐射是指物体因其温度而发出的电磁辐射。
所有物体都具有热辐射的能力，且辐射的能量与物体的温度有关。
在本文中，我们将探讨热辐射物体的辐射和吸收过程，以及相关的基本概念和特性。
1. 热辐射的基本概念热辐射是物体由于其温度而发出的电磁辐射，其中包括了可见光、红外线和紫外线等各种波长的光谱。
根据普朗克辐射定律，热辐射的能量与其频率和温度有关。
热辐射的强度随着温度的升高而增加，并且在不同波长处的能量分布也随之改变。
2. 热辐射的特性热辐射具有以下几个基本特性：(1) 黑体辐射：黑体是一种理想化的物体，它能够完全吸收并完全辐射热能。
根据斯蒂芬-博尔兹曼定律，黑体辐射的能量与其表面积和温度的四次方成正比。
(2) 反射、透射和吸收：除了黑体外，其他物体对热辐射的反射、透射和吸收程度都不同。
根据基尔霍夫定律，物体对热辐射的吸收率和发射率相等。
(3) 热辐射的波长分布：根据维恩位移定律，热辐射的波长分布主要受到物体温度的影响。
较低温度的物体主要以长波长的红外线辐射为主，而较高温度的物体则主要以短波长的可见光辐射为主。
3. 热辐射物体的辐射过程热辐射物体的辐射过程可以分为以下几个步骤：(1) 辐射源产生辐射：辐射源是产生热辐射的物体，其温度决定了辐射的强度和频率分布。
辐射源将其热能转化为电磁辐射，并向周围空间发射。
(2) 辐射的传播：辐射在空间中以电磁波的形式传播，其传播速度为光速。
辐射的传播路径可以受到空气、气体或其他物体的影响，例如折射、反射和散射等。
(3) 辐射的接收：辐射到达其他物体表面时，可以被吸收、反射或透射。
物体的吸收率和表面性质有关，吸收的辐射能量将使其温度升高。
(4) 辐射的平衡：当物体处于热平衡时，它将吸收与其自身发射相等的热辐射能量。
这就是基尔霍夫定律所描述的吸收率和发射率相等的情况。
总结热辐射是物体由于其温度而发出的电磁辐射，其能量与温度、频率和波长等因素有关。
热辐射物体在辐射、传播和接收过程中，遵循基尔霍夫定律和维恩位移定律等基本规律。
热辐射物体通过辐射传递热量
热辐射物体通过辐射传递热量热辐射是指物体因温度差异而产生的热能沿着无空间介质传播的现象。
通过辐射传递热量，无需介质的直接接触，因此在真空或无法传导热量的环境中也能实现热能的传递。
本文将介绍热辐射的基本原理、特点以及在实际应用中的意义。
一、热辐射的基本原理热辐射是由物体内部的热运动引起的电磁波辐射。
所有物体在温度不为零时都会辐射热能，其辐射强度与物体的温度成正比。
根据普朗克辐射定律，辐射强度与波长呈反比，在不同波长下产生不同强度的辐射。
通过斯特藩-玻尔兹曼定律，可以计算出单位面积的辐射功率。
另外，辐射能量与物体的发射率有关，发射率是一个物体对外辐射能量的比例系数。
二、热辐射的特点1. 传播速度快：热辐射是电磁波的一种，与光的传播速度相同，可以达到每秒30万公里左右。
2. 不受介质限制：与传导和对流传热不同，热辐射可以在真空中传递热量。
这使得热辐射在空间站、卫星等无法采用传导和对流传热方式的环境中具有重要应用价值。
3. 方向性强：热辐射具有明显的方向性，辐射能量会随着角度和方向的变化而变化。
这一特点在太阳能的应用中十分重要，可以通过倾斜角度和追踪器来最大化接收太阳能。
4. 温度差异影响传热效果：热辐射的传热效果与物体表面温度的差异有关，温度差异越大，传热效果越显著。
因此，在工业中以及温室效应的研究中，需要考虑温度差异带来的热辐射问题。
三、热辐射的应用意义1. 太阳能利用：太阳是地球上最大的热辐射源，太阳能利用成为解决能源问题的重要途径。
通过光伏发电和光热利用等技术，可以将太阳能转化为电能和热能，实现绿色能源的利用。
2. 环保节能：利用热辐射传热可以避免传统的对流和传导方式所带来的能量损耗，提高能源利用效率。
在工业生产中，采用热辐射传热技术可以减少环境污染和能源消耗。
3. 空间热传递：由于真空环境中无法通过对流和传导传递热量，热辐射成为空间站、卫星等空间设备中重要的热传递方式。
通过控制辐射和吸收比例，可以维持设备正常工作温度，确保航天器的正常运行。
为什么物体会发生热辐射
为什么物体会发生热辐射物体的热辐射是指其释放热能的过程，即通过辐射将热能传递给周围环境。
这是由于物体内部粒子的热运动引起的。
以下将详细解释物体发生热辐射的原因和机制。
一、普朗克辐射定律德国物理学家马克斯·普朗克在19世纪末提出了辐射定律，该定律成为热辐射研究的基石。
普朗克假设辐射能的传递不是连续的，而是离散的能量小包（量子）的形式。
普朗克的理论描绘了物体辐射能量与温度之间的关系。
根据普朗克辐射定律，辐射功率与物体的温度和波长相关。
具体而言，辐射功率正比于温度的四次方，并且随着波长的增长而递减。
这意味着温度越高，物体的辐射能量越大。
二、黑体辐射黑体是理想化的物体，它能够完全地吸收和辐射所有入射的辐射能。
根据普朗克辐射定律，理想黑体以及实际物体在确定温度下的辐射能谱都遵循相似的规律。
黑体辐射能谱呈现为连续的分布曲线，通常以温度为参数来描述。
随着温度升高，黑体辐射能谱向更短的波长方向移动，并增加辐射功率。
最高峰位于特定波长，称为峰值波长，其值与黑体的温度有关。
三、物体的发光和吸收物体吸收和发射辐射能量的能力取决于其材料特性以及温度。
当物体吸收辐射能量时，一部分能量被转化为热能，而其他部分则被再次辐射出去。
在低温下，物体主要是吸收外界的辐射能，而释放的辐射相对较少。
随着温度升高，物体的辐射能力增强，同时吸收和发射的辐射能量增加。
当物体温度达到一定值时，它开始发出可见光，即产生热辐射。
四、热辐射的应用热辐射的理解和应用在许多领域都具有重要意义。
1. 热辐射在热能转换中起着关键作用。
太阳作为地球的能源来源，其热辐射对地球上的生物和气候有着深远的影响。
2. 热辐射广泛应用于红外线成像技术、红外线传感器和热成像设备。
这在军事、安防、医疗和工业领域中具有广泛的应用。
3. 热辐射也是研究物体性质和结构的重要手段。
通过观察物体的热辐射图像，可以了解其温度分布和热特性，从而推断物体的组成和性能。
总结物体发生热辐射是由于其内部粒子的热运动引起的。
物体热辐射
射量和光度量的转换关
系式。
• 例如，对于色温为 2 856 K的标准钨丝灯其光视
效能为 17.1 lm/W ，当标准钨丝灯发出的辐射通
量为 Φe ＝ 100W 时，其光通量为 Φv = 1710 lm 。 • 由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光 的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白 炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯 的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照
2898 2896 m 1.015 (μm) T 2856
波长为
峰值光谱辐射出射度为
M e,s, m 1.309T 5 1015 =1.309×28565×10-15
总辐射出射度为
4
=248.7Wcm-2μm-1
8 4 4 2
M e,s, 2856 5.67 10 2856 3.77 10 W / m
半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，
越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。
同时，在价带中留下一个 自由空穴，产生电子-空穴 对。如图1-9所示，半导体 价带电子吸收光子能量跃 迁入导带，产生电子空穴 对的现象称为本征吸收。
• 显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大 于半导体的禁带宽度Eg，才能使价带EV上的电子 吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即
1.3
物体热辐射
物体通常以两种不同形式发射辐射能量。 第一种称为热辐射。第二种称为发光。
1.3.1
1.黑体
黑体辐射定律
能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的 辐射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任 意波长辐射能的物体称为黑体。显然，黑体的吸 收系数为1，发射系数也为1。
2.普朗克辐射定律
物体的热辐射与热辐射定律
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。
《传热学》第8章-热辐射基本定律及物体的辐射特性
2. 斯忒藩—玻耳兹曼定律
v 斯忒藩（J. Stefan）—玻耳兹曼（D. Boltzmann）定律确 定了黑体的辐射力Eb与热力学温度T之间的关系
v 斯忒藩在1879年从实验中得出，后来玻耳兹曼于1884年运
用热力学理论进行了证明。
斯忒藩—玻耳兹曼 常数，又称为黑体
辐射常数
Eb = σT 4
σ= 5.67×10-8
光谱辐射力: 只对某一波长辐射能的辐射力, Eλ ,单位为W/m3。
∞
∫ E =
E
0
λ
dλ
定向辐射力: 单位时间内，单位面积物体表面向某个方向发射 的单位立体角内的辐射能 , Eθ,单位是W/(m2⋅Sr)。
∫ E = Ω=2π Eθ dΩ
∫ E = L(θ) cosθdΩ Ω =2π
2
8-2 黑体辐射的基本定律
∫ ∫ Fb(λ1−λ2 ) =
Eb(λ1 −λ2 ) Eb
=
λ2 0
Ebλ dλ
−
Eb
λ1 0
Ebλ dλ
Eb
=
Fb (0−λ2 ) −
Fb (0−λ1 )
[ ] E = b(λ1 −λ2 ) Fb(0−λ2T ) − Fb (0−λ1T ) Eb
例题
v 试计算太阳辐射中可见光所占的比例。
解：太阳可认为是表面温度为T = 5762 K的黑体，可见光的 波长范围是0.38～0.76µm ，即λ1 = 0.38 µm , λ2 = 0.76 µm , 于是
∞
2 Ebλ dλ Eb
Fb(0−2) =0.02 .6341
= 0.45Fb(0−2) + 0.1(1− Fb(0−2) )
0.1
热辐射的规律
热辐射的规律
热辐射是物体表面发射热量的过程，即物体表面受到的热量由温度高的表面向温度低的表面辐射传播的过程。
其中，物体表面受到的热量大小取决于物体表面的温度，高温表面发射的热量较多。
二、热辐射的规律
1、表面温度越高，热辐射量越大：
表面温度高的物体，其表面发射的热量量也大。
即表面温度越高，发射的热量也越大。
2、表面温度越低，热辐射量越小：
表面温度低的物体，其表面发射的热量量也小。
即表面温度越低，发射的热量也越小。
3、表面辐射速率与波长成反比：
辐射量与其发射波长成反比，即越长的波长发射的热量越多。
波长越短的物体辐射量越小。
4、表面辐射速率与常数K的比值成正比：
表面温度与发射热量的比值斜率成正比，即温度越高，发射的热量越多。
5、热辐射不受物体的影响：
物体的形状，颜色等不会影响其发射的热量量，只有物体表面温度才会影响其发射的热量量。
三、热辐射的实际应用
热辐射的实际应用较为广泛，包括热量的控制、保温隔热、暖气
设备的控制等等。
在工业中，也可利用热辐射原理设计热加工设备。
此外，热辐射还可以在家庭中应用，它可以有效地控制室内温度，增加室内的舒适度，为居住者带来更舒适的居住空间。
热辐射物体的热辐射与吸收
热辐射物体的热辐射与吸收热辐射是指物体由于其温度而产生的电磁波辐射，同时它也是物体通过辐射传热的一种方式。
研究热辐射与吸收可以帮助我们深入了解物体的性质和能量转移过程。
本文将以一种科普的方式来介绍热辐射物体的热辐射与吸收过程。
一、什么是热辐射热辐射是指物体由于其温度不同于周围环境而发出的电磁波能量。
根据普朗克辐射定律，热辐射的能量与波长有关，其波长范围在红外线、可见光和紫外线之间。
物体的颜色和温度密切相关，高温物体发出的辐射主要集中在可见光和红外线范围，而低温物体则主要发出红外线辐射。
二、热辐射与吸收热辐射与吸收是一个相互作用的过程，物体既能发出热辐射，也能吸收周围环境的辐射能量。
1. 热辐射的特性热辐射具有以下几个特性：首先，热辐射是自发的，无需任何外界刺激，物体温度越高，热辐射的强度越大。
其次，热辐射是各向同性的，即物体在所有方向上发出的辐射能量基本相同。
最后，热辐射的能量与物体的温度和表面特性有关，黑体是一种理想化的热辐射体，其吸收和发射的辐射能量均为最大。
2. 热平衡和温度一致当一个物体处于室温环境中时，它会发出热辐射并吸收来自环境的辐射能量，直到它达到热平衡。
在热平衡状态下，物体的温度与环境的温度一致，其发出的辐射能量与吸收的辐射能量相等。
3. 表面特性对热辐射的影响物体的表面特性对其热辐射和吸收能力有重要影响。
表面的光滑程度越高，反射的辐射能量越多，吸收的辐射能量越少。
而表面的粗糙程度越高，吸收的辐射能量越多，反射的辐射能量越少。
4. 热辐射的应用热辐射在许多领域中有着广泛的应用。
例如，在工业生产中，可以利用热辐射探测物体的温度，用于测量、控制和监测过程。
在医学领域，热辐射技术被用来诊断疾病，如红外热成像用于乳腺癌的早期筛查。
三、能量转移过程热辐射与吸收是能量转移的过程，能量通过辐射在物体之间传递。
当一个物体发出的辐射能量被另一个物体吸收时，能量会转移到吸收物体中，使其温度升高。
这种能量传递方式的效率受到两个物体之间的温度差异和表面特性的影响。
物体的热辐射与温度
物体的热辐射与温度物体的热辐射是指由于物体内部分子或原子的运动而产生的热能以电磁波的形式向外传播的现象。
热辐射是所有温度高于绝对零度（0K）的物体都会具有的特性。
本文将探讨热辐射的基本原理、热辐射的特性以及与温度之间的关系。
一、热辐射的基本原理热辐射是由物体内部的粒子（分子、原子或电子等）的热运动引起的，这种运动导致了电磁波的产生。
根据普朗克辐射定律，物体的辐射功率与频率和温度之间存在直接的关系。
具体而言，普朗克辐射定律表明，辐射功率与频率呈正比，且随着温度的升高而增加。
二、热辐射的特性1. 黑体辐射：黑体是一个理想化的物理模型，其辐射功率的频率分布仅取决于温度。
根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，黑体辐射功率密度与温度的四次方成正比。
黑体还具有完全吸收所有入射辐射的特性。
2. 斯特凡-玻尔兹曼定律：斯特凡-玻尔兹曼定律表示的是由黑体辐射出的总功率和温度的关系。
根据该定律，黑体辐射功率与温度的四次方成正比。
3. 韦恩位移定律：韦恩位移定律描述了黑体辐射谱线的峰值位置与温度之间的关系。
根据该定律，辐射功率谱线的波长与黑体的温度呈反比。
4. 热辐射的色温：色温是指物体辐射出的光的颜色与具有相同色彩感知指数的理想黑体温度之间的关系。
较高的温度会产生较蓝的光，而较低的温度则产生较红的光。
三、温度与热辐射的关系温度与热辐射之间存在着密切的关系。
根据普朗克辐射定律和斯特凡-玻尔兹曼定律，辐射功率与温度的关系是正比的。
也就是说，随着温度的升高，物体辐射出的热能也会增加。
此外，根据韦恩位移定律，温度的变化会引起黑体辐射谱线的峰值位置的变化。
当温度升高时，黑体辐射的峰值波长会向短波方向移动。
这就解释了为什么较高温度的物体会产生较蓝的光，而较低温度的物体则会产生较红的光。
总之，物体的热辐射是由于内部粒子的热运动引起的电磁波的辐射。
热辐射的特性包括黑体辐射、斯特凡-玻尔兹曼定律、韦恩位移定律和色温等。
温度与热辐射之间存在着正比关系，温度的升高会导致物体辐射功率的增加，并引起黑体辐射谱线峰值位置的变化。
物体的热辐射的原理
物体的热辐射的原理物体的热辐射是指物体因受到热能的激发而发出的电磁辐射。
这种辐射是由处于内部运动的粒子所带来的能量转化为电磁波而产生的。
物体的热辐射是一种自发的过程，即不需要外界能量的输入。
热辐射的原理可以从经典物理学和量子力学的角度进行解释。
根据经典物理学的电动力学理论，加热的物体电荷受到加速时，会发出电磁波。
这是因为加速的电荷会产生变化的电场和磁场，进而激发电磁场的波动，形成电磁辐射。
而热辐射可以看作是来自物体内部所有电荷的加速共同作用的结果。
根据量子力学的观点，物质由粒子组成，而这些粒子包括电子、原子核等。
量子力学认为，这些粒子不仅具有粒子性，还具有波动性。
根据普朗克提出的能量量子化假说，物质粒子的能量只能取离散的量子值。
当物体受到热能激发时，物质粒子的能级会发生跃迁，从一个能级跃迁到另一个能级，从而产生电磁辐射。
这些辐射的频率和能量与粒子能级的差异有关。
热辐射的强度与物体的温度有密切关系。
根据斯特藩—玻尔兹曼定律，物体的热辐射功率与物体的温度的四次方成正比。
即辐射功率P与温度T的关系可以表示为P = εσT^4，其中ε为比发射率，σ为斯特藩—玻尔兹曼常数。
对于黑体辐射，考虑没有存在于物体表面的杂散辐射和透过辐射，黑体辐射的光强与波长成正比。
根据普朗克提出的普朗克辐射定律，波长为λ的黑体辐射的光强与温度T的关系可以表示为I(λ,T) = B(λ,T) / (e^(hc/λkT) - 1)，其中B(λ,T)为黑体谱辐射的光强，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数。
热辐射不仅与物体的温度有关，还与物体的发射能量谱密切相关。
根据维恩位移定律，物体的温度越高，其峰值波长越短，即辐射的光谱成分更偏向于短波长。
另外，根据斯特藩—玻尔兹曼定律，物体的总辐射功率与温度的四次方成正比，即随着温度的升高，热辐射的强度呈指数增加。
总之，物体的热辐射是由处于内部运动的粒子所带来的能量转化为电磁波而产生的。
热辐射的强度与物体的温度的四次方成正比，并且与物体的发射能量谱密切相关。
热辐射初中物理中物体的热辐射与应用
热辐射初中物理中物体的热辐射与应用热辐射是物体在温度差异作用下，通过发射和吸收电磁波的形式传递热量的过程。
作为热力学中的一项重要内容，热辐射在物理学学科中有着广泛的应用。
一、热辐射基本概念与特性热辐射的基本概念是指物体根据其温度的不同，通过发射和吸收电磁波来交换热量的现象。
根据斯特藩-玻尔兹曼定律，热辐射的辐射功率与物体的绝对温度的四次方成正比。
因此，温度越高的物体辐射的能力越强。
热辐射有以下特性：1. 热辐射不需要介质来传递热量，可以在真空中传播；2. 不同温度的物体辐射的波长不同，呈现出不同的颜色；3. 热辐射的传播速度是光速，具有辐射方向性。
二、热辐射的应用1. 热辐射在热能工程中的应用热辐射是热能工程中的重要热传递方式之一。
在燃烧工程中，大量的能量以热辐射的方式释放出来。
通过合理利用燃烧过程中的热辐射，可以提高热能的利用效率。
2. 热辐射在太阳能利用中的应用太阳是地球上最为重要的能源之一，而太阳光的能量主要以热辐射的形式传递。
通过太阳能的集热器，可以将太阳辐射的热能转化为热水、蒸汽等，用于供暖、发电等。
3. 热辐射在夜视仪器中的应用热辐射在夜视技术中发挥了重要的作用。
夜视仪器通过感应周围环境中的热辐射，将其转化为可见光，从而使人们能够在黑暗环境中观察物体。
4. 热辐射在红外热像仪中的应用红外热像仪可以通过感应物体散发的红外辐射，将红外信号转化为可见光，从而实现对物体表面温度分布的观测与测量。
这种技术在军事、医疗、安防等领域应用广泛。
5. 热辐射在热电材料中的应用热电材料是一种将热能直接转化为电能的材料。
它们通过利用热辐射的特性，在温度差异下产生电压差，实现电能的收集与利用。
目前，热电材料已经在太空探测、能源回收等领域取得了一些重要的突破。
三、热辐射的环境影响热辐射是地球温室效应的主要原因之一。
温室气体（如二氧化碳、水蒸气等）能够吸收地球表面的热辐射，阻止其向外空间散失，从而导致地球表面的温度升高。
物体的热辐射与热传递
物体的热辐射与热传递热辐射是指物体由于温度不同而发射出的电磁波。
所有物体都能够辐射热能，无论是固体、液体还是气体。
热辐射是物体热传递的一种重要方式，对于理解和应用热力学过程具有关键性的意义。
1. 热辐射的基本原理热辐射的基本原理是物体处于某一温度下时，其内部原子或分子的热运动会激发产生电磁辐射。
这些辐射主要表现为红外、可见光和紫外线，其波长范围从几地波长到几百纳米不等。
而根据物体的温度不同，其辐射的频率和强度也会有所不同。
根据普朗克辐射定律和斯特凡-玻尔兹曼定律，我们可以 quant额化地描述物体的热辐射特性。
2. 热辐射的特性与应用热辐射具有以下一些特性，这些特性对于研究和应用热辐射具有重要意义：(1) 热辐射的颜色与温度有关。
根据斯特凡-玻尔兹曼定律，物体的辐射功率与第四次方的温度成正比。
因此，较高温度的物体辐射出的光波长较短，其中可见光谱范围的辐射光线较强，呈白色或蓝色；而较低温度的物体辐射出的光波长较长，呈红色或红外线。
(2) 黑体辐射是一种理想化的辐射体，它吸收所有入射的光线并完全发射。
实际物体的辐射能力一般小于理想黑体的辐射能力，可以用表征物体辐射特性的发射率来描述。
发射率是指物体辐射出的功率与理想黑体辐射出的功率之比，它与物体的材料、表面形貌和波长等因素有关。
(3) 热辐射广泛应用于热工学和能源工程领域。
例如，在太阳能领域，人们利用太阳辐射进行光伏发电和太阳能热力发电；在热设备中，我们通过热辐射传热方式将热能转移给待加热物体。
3. 热辐射传热热辐射除了作为能量传递的一种方式，还可以通过热辐射传递热量。
物体之间的热辐射传热是通过辐射能量在空间中传播来实现的。
根据斯特凡-玻尔兹曼定律和辐射传热定律，两个物体之间的辐射传热功率与两个物体的表面温度差、发射率和表面积有关。
4. 热辐射与热传递的应用案例热辐射与热传递在实际应用中有着广泛的应用。
下面介绍两个典型的应用案例：(1) 在节能领域，提高建筑物的热辐射能力有助于减少能耗。
为什么物体会发出热辐射
为什么物体会发出热辐射物体发出热辐射是基于物体的温度特性和能量守恒原理。
热辐射是一种物体热能通过电磁波形式传播的现象。
本文将从微观角度和宏观角度两个方面进行探讨，解释为什么物体会发出热辐射。
一、微观角度解释在微观尺度上，物质由分子和原子组成。
这些微观粒子具有运动能量，它们不断地发生碰撞和振动。
根据能量守恒原理，这些碰撞和振动会导致能量的传递和转化。
当物体处于高温状态时，物质内部微观粒子的运动能量较大。
由于电磁场的存在，这些微观粒子会在运动中产生加速度，从而加速带电粒子的运动。
加速带电粒子就会发出电磁辐射，其中包括可见光、紫外线、红外线等。
而对于非带电粒子，如原子和分子，它们也可以通过振动和转动的方式来发射电磁辐射。
这种发射的过程被称为热辐射。
原子和分子内部的电子在其轨道上具有不同的能级，当它们受到外界能量的激发时，会跃迁到高能级。
而当电子重新回到低能级时，会向外发射相应频率的电磁辐射，这就是热辐射的机制。
二、宏观角度解释在宏观尺度上，物体表面的热辐射可以看作是由许多微观单元发出的电磁波的叠加效应。
根据普朗克定律，物体发射的热辐射功率与其温度成正比。
具体来说，普朗克定律表明了热辐射功率与频率之间的关系，即普朗克辐射公式：P(λ, T) = η * B(λ, T)其中，P(λ, T)表示单位时间、单位面积、单位波长范围内的辐射功率，T为物体的温度，B(λ, T)为辐射强度与波长的关系，η为普朗克常数。
根据普朗克辐射公式可知，温度越高，物体发射的热辐射越强。
这可以解释为什么物体在高温下会发出明亮的光芒，如炽热的火焰或白炽灯。
同时，根据维恩位移定律，热辐射的最大强度波长与物体的温度有关。
该定律表明，温度越高，热辐射的峰值波长越短。
这也解释了为什么高温物体会发出蓝色或白色的光，而低温物体则呈现暖色调。
总之，物体发出热辐射是基于物体微观粒子的运动和转换的结果，符合能量守恒原理。
微观角度上，带电粒子的加速运动和非带电粒子的能级跃迁都导致了热辐射的产生；而宏观角度上，物体温度高会导致辐射功率增加，同时热辐射的波长与温度相关。
热辐射为什么物体会发出热量
热辐射为什么物体会发出热量热辐射是指物体因其热能而向周围环境发出的电磁辐射。
这种现象被广泛应用于物理学、天文学、工程学等领域。
热辐射的产生与物体内部的分子和原子运动有着密切的关系。
本文将解释为什么物体会发出热量以及与热辐射相关的基本概念和原理。
1. 热辐射的基本概念热辐射是一种由物体发出的电磁辐射，其频率范围从红外线到可见光到紫外线以及更高能量的 X 射线和γ射线。
根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体辐射的功率与四次方的温度成正比。
这意味着温度升高会导致物体发出更多的热辐射。
2. 热辐射的原理物体的分子和原子具有不断的热运动。
这种运动导致电荷的加速和减速，从而产生电磁波辐射。
根据波尔兹曼分布定律，物体的热辐射与其温度有关。
当物体处于高温状态时，分子和原子的运动更加剧烈，产生的辐射频率范围更广。
因此，高温物体通常比低温物体更强烈地发出热辐射。
3. 黑体辐射在理论物理中，黑体被定义为完全吸收并且能够以最大效率发射热辐射的物体。
黑体辐射是研究热辐射的重要基础。
根据黑体辐射定律，黑体的辐射功率与温度的四次方成正比。
这意味着黑体在高温下会发出更多的热辐射。
4. 环境温度的影响物体不仅发出热辐射，也吸收来自周围环境的辐射。
根据基尔霍夫辐射定律，物体的吸收和发射速率在达到热平衡时相等。
当物体的温度与环境温度相同时，它吸收和发射的辐射功率是相等的，即物体处于热平衡状态。
如果物体比环境温度更高，它会发散辐射，同时吸收辐射功率较小。
相反，如果物体的温度低于环境温度，它将吸收辐射并以较低的功率发散热辐射。
5. 热辐射的应用热辐射的现象和原理在许多领域都具有重要的应用价值。
在工程学中，热辐射用于制造热电偶、红外热像仪和太阳能电池等设备。
在天文学中，通过研究天体的热辐射，我们可以了解宇宙中不同星体的温度和组成。
热辐射也在医学诊断中得到应用，如红外线热像仪可用于检测身体部位的温度变化。
此外，热辐射还被应用于食品加热、烹饪和传热等生活中的各个方面。
一切温度高于什么的物体是热辐射
一切温度高于什么的物体是热辐射
热辐射是指一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，热辐射是指物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，是热量传递的三种方式之一。
一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。
由于电波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。
绝对零度是热力学的最低温度，是粒子动能低到力学最低点时物质的温度。
绝对零度是仅存于理论的下限值，其热力学温标写成K，等于摄氏温标-273.15℃。
物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的平均动能。
根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布，粒子平均动能越高，物质温度就越高。
理论上，若粒子平均动能低到力学的最低点时，物质即达到绝对零度，不能再低。
然而，根据热力学第三定律，绝对零度永远无法达到，只可无限逼近。
因为任何空间必然存有能量和热量，也不断进行相互转换而不消失。
所以绝对零度是不存在的，除非该空间自始即无任何能量热量。
在此一空间，所有物质完全没有粒子振动，其总体积并且为零。
物体的热辐射
物体的热辐射热辐射是指物体由于其温度而向外部环境发射的能量。
这种能量以电磁波的形式传播，在日常生活中我们经常可以感受到物体的热辐射，比如火炉的热量、太阳的辐射等。
物体的热辐射是研究能量传输和储存的重要问题，对于工业生产、节能减排等领域有着重要的意义。
物体的热辐射遵循普朗克黑体辐射定律，即每单位面积、每单位时间辐射出来的能量，与该物体的温度的四次方成正比。
这个定律揭示了物体的温度和辐射能量之间的关系。
例如，一个温度为300K的物体，辐射的能量是一个温度为600K物体辐射能量的16倍。
这也就是为什么烧开水的时间会在水的温度越高时越短的原因。
物体热辐射的频谱特性是由其温度决定的。
研究发现，物体的辐射频谱呈现连续谱，即辐射能量分布在一定的频率范围内。
对于低温物体，其辐射频谱主要在远红外区域；而对于高温物体，则辐射能量主要分布在可见光区域甚至是紫外线区域。
这也解释了为什么在日常生活中，我们只能看到高温物体发出的光。
与热辐射相关的一个重要概念是黑体。
黑体是指一个完美吸收所有入射辐射的物体，并以最大效率辐射出来。
理想的黑体能够将所有吸收的辐射转化为热能，并以最大效率将其辐射出去。
热辐射领域的许多模型和理论基于黑体的概念。
研究发现，热辐射不仅与物体的温度有关，还与物体的表面特性有关。
粗糙的表面会改变物体的热辐射特性，使其辐射能量的分布发生变化。
而光滑的表面会使物体的热辐射特性更接近于理想黑体。
热辐射在工业生产和科学研究中有着广泛的应用。
在工业生产中，对物体的热辐射进行控制可以实现节能减排的目标。
例如，在高温炉的设计中，通过优化炉体的形状和材料，可以减少热辐射的损失，提高能源利用效率。
在科学研究中，研究物体的热辐射特性有助于理解能量传输和储存的机制。
对于材料科学、能源领域的研究，了解热辐射特性对新材料的开发和能源利用的改进有着重要的意义。
总之，物体的热辐射是由其温度决定的能量辐射。
通过研究热辐射的规律和特性，我们可以更好地理解能量传输和储存的机制。
物体的热辐射和黑体辐射
物体的热辐射和黑体辐射热辐射是指物体由于其内部热量而向外发射的电磁波。
根据普朗克理论，物体的热辐射主要由黑体辐射所决定。
黑体辐射是理想化的物体，能够吸收所有辐射能并无损失地辐射出来。
本文将探讨物体的热辐射和黑体辐射的关系以及其在实际应用中的重要性。
一、热辐射的特点热辐射是由处于宏观物体内部微观粒子的热运动引起的电磁波辐射。
它的主要特点包括：1. 频率范围广：热辐射的频率范围涵盖了整个电磁波谱，从无线电波到可见光、紫外线、X射线和伽马射线。
2. 强度与温度相关：根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体的热辐射强度与物体的温度呈正比，即随着物体温度的升高，热辐射的强度也增加。
3. 反射和吸收：物体对热辐射的反射和吸收取决于其表面特性和材料组成。
二、黑体辐射的特性黑体是指能够吸收所有辐射能并无损失地辐射出来的物体。
它是理想化的概念，不代表实际物质。
黑体辐射的特性包括：1. 完全吸收：黑体对所有辐射能都能够完全吸收，不会有反射或透射损失。
2. 完全辐射：黑体能够以最高的辐射效率将吸收的能量全部辐射出来，不会有漏失。
3. 温度相关：根据斯特藩-玻尔兹曼定律，黑体辐射的强度与其温度的四次方成正比，即黑体辐射强度随温度的升高呈指数增长。
4. 能量分布：根据普朗克辐射定律，黑体辐射的能量分布与频率有关，呈现出明显的频谱特性。
三、物体的热辐射与温度的关系根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体的热辐射强度与其温度呈正比。
这意味着，随着物体温度的升高，物体辐射的能量也随之增加。
在实际应用中，这一关系在多个领域具有重要意义。
1. 热能利用：利用物体的热辐射特性，可以实现热能的利用和转换。
例如，太阳能热能利用系统利用太阳辐射的热能产生蒸汽驱动发电机，将太阳能转化为电能。
2. 温度测量：由于物体的热辐射强度与温度呈正比，可以通过测量物体的热辐射强度来确定其温度。
红外测温仪就是基于这一原理工作的设备，将物体发射的热辐射转化为温度信息。
3. 辐射传热：热辐射在空间传热中起着重要作用。
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Φ Φ0e
x
（1-64）
可见，当光在物质中传播时，透过的能量衰减到 原来能量的e-1时所透过的路程的倒数等于该物质 的吸收系数α ，即
1 x
（1-65）
另外，根据电动力学理论，平面电磁波在物质中传播时， 其电矢量和磁矢量都按指数规律 exp(-ω μ xc-1)衰减。
EY E0 e
Le ,507nm V ( ) Le,
(1-55)
V`(λ ）也是一个无量纲的相对值，它与波长的 关系如图1-5中的虚线所示。
1.4.2 人眼的光谱光视效能
• 无论是锥状细胞还是柱状细胞，单色辐射对其 刺激的程度与Le,λ成正比。 • 对于明视觉，刺激程度平衡的条件为
X v, K m X e,V ( )
m与绝对温度T的关系为
2898 m T
(μm)
（1-43）
可见，峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度
的乘积是常数。当温度升高时，峰值光谱辐射
出射度对应的波长向短波方向位移，这就是维
恩位移定律。
将式（1-43）代入式（1-40），得到黑体的峰值 光谱辐出度
M e ,s , m 1.309 T 10
1.3
物体热辐射
物体通常以两种不同形式发射辐射能量。 第一种称为热辐射。第二种称为发光。
1.3.1
1.黑体
黑体辐射定律
能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的 辐射，并且在每一个方向都能最大可能地发射任 意波长辐射能的物体称为黑体。显然，黑体的吸 收系数为1，发射系数也为1。
2.普朗克辐射定律
• 黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐射出射 度Me,s,λ（角标“s”表示黑体）由普朗克公式表示 为
X e , r
780nm 380nm
X
e, r
V ( )d
为 V ( )X e, r 曲线所围的面积Al，而积分
X e, r d 0
面积A2。因此，由(1-62)可得标准钨丝
A1 KW Km 17.1 lm/W A2
灯的光视效能Kw为
由式（1-60），已知某
种辐射体的光视效能K 和辐射量Xe，就能够计 算出该辐射体的光度量 Xv，该式是辐射体的辐
度下，波长为处的光谱辐
射亮度Le，507nm小于其他波 长λ 的光谱辐射亮度 Le,λ。 把 Le，507nm 与Le,λ的比值 定义为正常人眼的暗视觉
光谱光视效率，即
对于正常人眼的圆柱细胞，以微弱的各种单 色辐射刺激时，发现在相同刺激程度下，波长为 处的光谱辐射亮度Le，507nm小于其他波长λ 的光 谱辐射亮度 Le,λ。把 Le，507nm 与Le,λ的比值定义 为正常人眼的暗视觉光谱光视效率，即
(1-61)
• 将式（1-35）、（1-61）代入式（1-60），得到
K
K m 380nm Φe,V ( )d
780nm
0 Φe, d
K mV
（1-62）
式中,V是辐射体的光视效率。
标准钨丝灯发光光谱的分布如图1-7所示， 图中的曲线分别为标准钨丝灯的相对光谱辐射 分 X e , r 、光谱光视效率V（λ ）和光谱光视效 率与相对光谱辐射分布之积 V ( )Xe, r ，积分
（1-56）
式中，Km为人眼的明视觉最灵敏波长的 光度参量对辐射度参量的转换常数，其 值为683 lm/W。
• 对于暗视觉，为
, Km X e,V ( ) Xv
（1-57）
式中，K'm为人眼的暗视觉最灵敏波长的光度参量 对辐射度参量的转换常数，其值为1725 lm/W。
引进，K（λ ），并令
Le,λ m被其它波长的光谱辐亮度Le,λ 除得的商，定义为 正常人眼的明视觉光谱光视效率V（λ ），即
V ( )
Le, m Le,
（1-54）
• 如图1-5所示为人眼的明 视觉光谱光视效率V（λ ） ，它为与波长有关的相对值。 对正常人眼的圆柱细胞， 以微弱的各种单色辐射刺 激时，发现在相同刺激程
1.4 辐射度参数与光度参数的关系
辐射度参数与光度参数是从不同角度对光辐射
进行度量的参数，这些参数在一定光谱范围内
（可见光谱区）经常相互使用，它们之间存在着
一定的转换关系；有些光电传感器件采用光度参 数标定其特性参数，而另一些器件采用辐射度参 数标定其特性参数，因此讨论它们之间的转换是 很重要的。本节将重点讨论它们的转换关系，掌
半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，
越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。
同时，在价带中留下一个 自由空穴，产生电子-空穴 对。如图1-9所示，半导体 价带电子吸收光子能量跃 迁入导带，产生电子空穴 对的现象称为本征吸收。
• 显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大 于半导体的禁带宽度Eg，才能使价带EV上的电子 吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即
度计检测光照度时，照度将显著下降。
1.5 半导体对光的吸收
• 1.5.1 物质对光吸收的一般规律
光波入射到物质表面上，用透射法测定光通 量的衰减时，发现通过路程 dx 的光通量变化 dΦ 与入射的光通量Φ 和路程dx的乘积成正比，即
dΦ Φdx
（1-63）
式中，α 称为吸收系数。
如图1-8所示，利用初始条件 x=0时 ，解这个微分方程， 可以找到通过x路程的光通 量为
T=36.5+273=309.5K，根据斯特藩-波尔兹曼辐射
定律，正常人体所发出的辐射出射度为
M e,s, 309.5 520.3W / m
4
2
• （2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为
2898 (μm)=9.36μm m T
峰值光谱辐射出射度为
M e ,s , m 1.309 T 5 1015 Wcm-2μm-1
2898 2896 m 1.015 (μm) T 2856
波长为
峰值光谱辐射出射度为
M e,s, m 1.309T 5 1015 =1.309×28565×10-15
总辐射出射度为
4
=248.7Wcm-2μm-1
8 4 4 2
M e,s, 2856 5.67 10 2856 3.77 10 W / m
(e
5
hc kT
1)
（1-41）
图1-2 绘出了黑体辐
射的相对光谱辐亮度
Le,s,λr与波长的等温
关系曲线。图中每一
条曲线都有一个最大
值，最大值的位置随
温度升高向短波方向
移动。
3.斯忒藩-波尔兹曼定律
将式（1-40）对波长λ 求积分，得到黑体发射的 总辐射出射度 M e ,s
M e ,s 0 M e,s , d T
m
）= K m` 。
因此，Km，Km`分别称为正常人眼的明视觉最大光谱 根据式（1-58）和（1-59），可以将任何光谱辐射量转
换成光谱光度量。
重叠部分 CCD2
例1-3 解
已知某 He-Ne 激光器的输出功率为 3mW，
试计算其发出的光通量为多少lm？ He-Ne 激光器输出的光为光谱辐射通量， 根据式（1-56）可以计算出它发出的光通量为 Φ v,λ =Kλ ,eΦ e,λ =KmV(λ )Φ e,λ
4
（1-42）
式中，σ 是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决 定
2π 5 k 4 8 2 4 5.67 10 Wm K 3 2 15h c
由式（1-42），Me,s与T的四次方成正比
4. 维恩位移定律
• 将普朗克公式（1-40）对波长λ 求微分后令其 等于0，则可以得到峰值光谱辐射出射度所对 应的波长λ
M e ,s ,
2πc h
2
(e
5
hc kT
1)
（1-40）
• 式中，k为波尔兹曼常数；h为普朗克常数；T为 绝对温度；c为真空中的光速。
黑体光谱辐亮度Le,s,λ和光谱辐强度Ie,s,λ分别为
Le,s, 2c h
2 hc kT
5 (e
2
1)
I e,s,
2c hA cos
hv Eg
hc 1.24 L Eg Eg
只有波长短于 λ
L
（1-69）
由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限 （1-70）
的入射辐射才能使器件产生
本征吸收，改变本征半导体的导电特性。
2.杂质吸收
N型半导体中未电离的杂质原子（施主原子） 吸收光子能量hv。若hv大于等于施主电离能Δ ED， 杂质原子的外层电子将从杂质能级（施主能级）跃 入导带，成为自由电子。 同样，P型半导体中，价带上的电子吸收了能量 hv大于Δ EA（受主电离能）的光子后，价电子跃入 受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级上的 空穴吸收光子能量跃入价带。
光学系统 CCD2 握了这些转换关系，就可以对用不同度量参数标
定的光电器件灵敏度等特性参数进行比较。
1.4.1
人眼的视觉灵敏度
用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼
的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长
=0.555μ m处的光谱辐射亮度Le,λ m小于其它波长的光 谱辐亮度Le,λ 。把波长=0.555μ m的光谱辐射亮度
射量和光度量的转换关
系式。
• 例如，对于色温为 2 856 K的标准钨丝灯其光视
效能为 17.1 lm/W ，当标准钨丝灯发出的辐射通
量为 Φe ＝ 100W 时，其光通量为 Φv = 1710 lm 。 • 由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光 的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白 炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯 的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照