物体热辐射
不同物体的热辐射特性的比较
不同物体的热辐射特性的比较热辐射是物体由于温度而产生的能量辐射，是一种通过电磁波传递能量的方式。
不同物体的热辐射特性有所不同，这取决于物体的温度、表面特性以及材料组成等因素。
在本文中，我们将比较几种不同物体的热辐射特性。
首先，我们来比较金属和非金属物体的热辐射特性。
金属物体通常具有较高的热导率和反射率，这意味着它们能够更有效地传导和反射热辐射。
相比之下，非金属物体的热导率和反射率较低，它们更容易吸收和辐射热辐射。
这也是为什么金属物体通常感觉冷，而非金属物体感觉热的原因之一。
接下来，我们来比较不同颜色物体的热辐射特性。
根据物体的颜色，它们吸收和反射不同波长的光线。
黑色物体吸收大部分光线，因此它们能够更有效地吸收和辐射热辐射。
相比之下，白色物体反射大部分光线，所以它们吸收和辐射的热辐射相对较少。
因此，在夏天，我们会发现黑色物体更容易变热，而白色物体相对较凉爽。
此外，不同表面特性的物体也会影响其热辐射特性。
光滑的表面会反射更多的光线，而粗糙的表面则会吸收更多的光线。
因此，光滑的物体相对较少吸收和辐射热辐射，而粗糙的物体则相对较多。
这也是为什么在夏天我们会选择穿着轻薄、透气的衣物，因为它们的表面通常比较光滑，能够更好地反射热辐射，使我们感觉凉爽。
最后，我们来比较不同材料组成的物体的热辐射特性。
不同的材料具有不同的热导率和反射率，从而影响其热辐射特性。
例如，木材通常具有较低的热导率和反射率，因此它们能够较好地吸收和辐射热辐射。
相比之下，金属材料具有较高的热导率和反射率，所以它们吸收和辐射的热辐射相对较少。
因此，在设计建筑物或制造器具时，我们需要考虑材料的热辐射特性，以确保其具有所需的热传导和反射性能。
综上所述，不同物体的热辐射特性受到多种因素的影响，包括物体的温度、表面特性以及材料组成等。
金属和非金属物体、不同颜色物体、不同表面特性的物体以及不同材料组成的物体都具有不同的热辐射特性。
了解这些特性对于我们在日常生活中的衣着选择、建筑设计和器具制造等方面都有重要的意义。
热辐射产生原理
热辐射产生原理引言热辐射是指物体以电磁波的形式传递能量的过程。
所有物体在温度不为绝对零度时，都能够发射热辐射。
这种辐射具有普适性，无论是固体、液体还是气体，都会发生热辐射。
热辐射的产生原理与物体的温度和表面特性密切相关。
本文将深入探讨热辐射产生原理的相关内容。
热辐射电磁波的特性热辐射产生的电磁波具有以下几个特性：1.频谱连续性：热辐射的频谱范围十分广泛，可以覆盖从无线电波到γ射线的整个电磁波谱。
根据普朗克的辐射定律，辐射功率与频率的关系呈现出斜坡状曲线，峰值频率随温度的升高而增加。
2.波长分布：热辐射的波长分布与频率分布存在互逆关系，即频率高的辐射波长短，频率低的辐射波长长。
3.辐射强度：辐射强度是指单位矢量的辐射功率，与温度的四次方成正比。
温度越高，辐射强度越大。
热辐射产生的原理热辐射产生的原理可归纳为以下几个方面：热运动与振动物体内部的分子在热运动中不断振动，并带有电荷。
这些带有电荷的振动分子会以电磁波的形式发射能量，即产生热辐射。
电子能级跃迁物体内的电子处于不同的能级上。
当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，会辐射出电磁波，从而产生热辐射。
这种跃迁可以是自发的，也可以是受到外界能量激发的。
能级密度物体的能级密度决定了热辐射的发射情况。
能级密度随着能量的增加而增加，导致高能级的电子更容易发生跃迁，从而产生更多的热辐射。
反射与吸收物体的表面特性对于热辐射的产生也起到重要的作用。
表面对于不同波长的辐射有不同的反射和吸收能力。
黑体是一种完美吸收全部辐射的物体，而金属表面则具有较好的反射能力。
热辐射应用热辐射的产生原理在许多领域有着广泛的应用。
太阳能利用太阳作为一个巨大的热辐射源，向地球发射大量的热辐射能。
人们利用太阳能发电，将太阳辐射能转化为电能，带动各种设备的运转。
热成像与红外线摄像热成像技术利用物体的热辐射特性，通过测量不同区域的红外辐射强度，生成热成像图像。
这项技术广泛应用于军事、医学、建筑等领域。
热辐射的原理和应用
热辐射的原理和应用1. 热辐射的概念热辐射是指所有物体都会发出的由于温度而产生的电磁波辐射。
热辐射无需通过介质传递，可以在真空中传播。
热辐射的频率和强度取决于物体的温度和发射能力。
2. 热辐射的原理热辐射是由于物体内部的热运动引起的。
根据普朗克辐射定律，物体发射的辐射功率与频率、温度和发射率有关。
根据斯蒂芬—波尔兹曼定律，物体的辐射功率正比于其表面的温度的四次方。
热辐射的频率分布由温度所决定，低频部分占据辐射功率的主要部分。
3. 热辐射的特性•黑体辐射：黑体是指具有完美吸收和完美辐射的特性的物体，它的辐射功率被称为黑体辐射。
黑体辐射的频率分布与温度有关，当物体温度升高时，辐射功率的峰值会向高频率方向移动。
•发射率：发射率是物体辐射的能力与黑体辐射的能力之比。
发射率介于0和1之间，完美吸收体的发射率为1，完全不发射辐射的物体的发射率为0。
•吸收率：吸收率是物体吸收入射辐射能力与吸收黑体辐射能力之比。
吸收率也介于0和1之间，完全吸收入射辐射的物体的吸收率为1，完全不吸收辐射的物体的吸收率为0。
4. 热辐射的应用热辐射在许多领域都有广泛的应用，下面列举了一些常见的应用：4.1. 热成像技术热成像技术利用物体发出的红外辐射进行图像显示。
这种技术可以无需实际接触物体的情况下获取其温度分布。
热成像技术广泛应用于建筑、医学、军事等领域。
4.2. 红外线加热红外线加热利用物体发射的红外辐射来加热。
由于红外辐射可以直接转化为热能，红外线加热可以实现快速、均匀的加热效果。
红外线加热被应用于工业烘干、食品加热等领域。
4.3. 太阳能利用太阳辐射可以被转化为电能或热能。
光伏发电利用太阳辐射的光能来产生电能，热水器利用太阳辐射的热能来加热水。
太阳能利用是可再生能源的一种重要形式。
5. 热辐射的保护由于热辐射具有高渗透性和吸热能力，对人体和设备造成的潜在危害。
因此，在某些应用中需要采取措施来保护人体和设备免受热辐射的伤害。
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。
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。
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
什么是热辐射
什么是热辐射热辐射是一种能量传递方式，通过自由空间中的电磁波传播。
它是指由物体排放的热能以电磁辐射的形式传递出去的过程。
热辐射在自然界中广泛存在，也对人类的日常生活和科学研究起着重要作用。
1. 热辐射的基本原理热辐射的基本原理是根据物体的温度，物体会产生与其温度相关的电磁辐射。
根据普朗克黑体辐射定律，热辐射的强度与物体的温度呈正比。
热辐射的频率和强度与物体的温度相关，即温度越高，辐射的频率越高，辐射强度越大。
而热辐射的颜色也与物体的温度相关，低温物体呈红色，高温物体呈白炽色。
2. 热辐射的特点热辐射具有以下几个特点：（1）不需要介质传播：热辐射可以在真空中传播，不受物质的影响，因此它是在太空中能量传递的主要方式之一。
（2）传播速度快：热辐射的速度是光速，约为每秒300,000千米。
（3）能量传递高效：热辐射以电磁波的形式传递，能量既可以辐射出去，也可以吸收回来，使能量传递更加高效。
3. 热辐射在自然界中的应用热辐射在自然界中具有广泛的应用：（1）日光：太阳是地球上最重要的能源来源之一，它通过热辐射将能量传递给地球，维持了地球上各种生命的生存。
（2）地球辐射平衡：地球吸收的太阳辐射能量与地球辐射出去的能量保持平衡，维持地球的能量平衡。
（3）红外线照明：红外线作为热辐射的一种形式，被广泛应用于红外线照明、热成像等领域。
（4）热能转换：利用热辐射的原理，可以进行热能转换，如太阳能板将太阳辐射能转换为电能。
4. 热辐射在科学研究中的应用热辐射在科学研究中也具有重要作用：（1）红外光谱：热辐射中的红外光谱可以用于材料的结构分析、化学物质的检测等。
（2）热成像技术：热成像技术利用物体的热辐射来形成图像，可以广泛应用于医学、建筑、军事等领域。
（3）宇宙学研究：热辐射对于研究宇宙学中的宇宙背景辐射、星系演化等也具有重要作用。
总之，热辐射是一种通过电磁波传播的能量传递方式，广泛存在于自然界中。
它的特点包括不需要介质传播、传播速度快、能量传递高效等。
热辐射总结
热辐射总结1. 什么是热辐射？热辐射是指物体由于自身的热量而发出的能量，以电磁波的形式传播，并能够在空气或真空中传递热能。
热辐射是物体与周围环境之间的热交换方式之一，它不需要介质的存在，能够在真空中传播。
2. 热辐射规律热辐射遵循一些基本规律，其中最重要的是以下两条：2.1 斯特藩-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）斯特藩-玻尔兹曼定律描述了物体发射的辐射功率与其温度之间的关系。
该定律可以用以下公式表示：P = \\varepsilon \\sigma A T^4其中，P为辐射功率，ε为发射率，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，A为物体表面积，T为物体的绝对温度。
斯特藩-玻尔兹曼定律说明了辐射功率与物体的温度的四次方成正比，温度升高会导致辐射功率的迅速增加。
2.2 维恩位移定律（Wien’s displacement law）维恩位移定律描述了辐射功率峰值波长与绝对温度之间的关系。
该定律可以用以下公式表示：\\lambda_{\\text{max}} = \\frac{b}{T}其中，λ_max为辐射功率的峰值波长，b为维恩位移常数，T为物体的绝对温度。
维恩位移定律说明了随着温度升高，辐射功率的峰值波长将向更短波长的方向移动。
3. 热辐射的应用热辐射具有广泛的应用，其中包括但不限于以下几个方面：3.1 远红外加热远红外加热利用物体辐射的远红外辐射来提供热能，被广泛应用于工业生产中的加热过程。
远红外辐射能够深入物体表面，使得加热更加均匀和高效。
3.2 热成像技术热成像技术利用物体发出的红外辐射来生成热图像，从而实现对物体表面温度分布的测量。
这项技术在安防、医学、建筑、电力等领域都有广泛的应用，提供了非接触且高效的温度测量手段。
3.3 太阳能发电太阳能发电利用太阳的辐射能量转化为电能。
光伏电池通过吸收太阳辐射的能量，使得电子受激跃迁形成电流，从而产生电能。
这是一种清洁、可再生的能源利用方式。
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❖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=0.555μm
处的光谱辐射亮度Le,λm小于其它波长的光谱辐亮度 Le,λ。把波长=0.555μm的光谱辐射亮度Le,λm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
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
M e,s,
2πc 2 h
hc
5 (e 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。
第1页/共32页
黑体光谱辐亮度Le,s,λ和光谱辐强度Ie,s,λ分别为
（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683lm/W。
第14页/共32页
对于暗视觉，为
X v, Km X e,V ()
（1-57）
式中，K'm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1725lm/W。
引进，K（λ），并令
Le,s,
2c2h
hc
5 (ekT 1)
I e,s,
2c2hA cos
hc
5 (ekT 1)
（1-41）
第2页/共32页
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。
第3页/共32页
M e,s, m 1.309T 5 1015 Wcm-2μm-1 =3.72 Wcm-2μm-1
（3）人体发烧到38℃时峰值辐射波长为
m
2898 273 38
9.32μm
发烧时的峰值光谱辐射出射度为
M e,s, m 1.309T 5 1015 =3.81Wcm-2μm-1
第8页/共32页
例1-2 将标准钨丝灯为黑体时，试计算它的峰值辐射 波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。
解 标准钨丝灯的温度为TW=2856K，因此它的峰值辐射
波长为
m
2898 T
2896 2856
1.015
(μm)
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
=248.7Wcm-2μm-1
M e,s, 2856 4 5.67 108 2856 4 3.77 104 W / m2
第5页/共32页
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 1.309T 5 1015 W·cm-2·μm-1·K-5
以上三个定律统称为黑体辐射定律。
第6页/共32页
例1-1 若可以将人体作为黑体，正常人体温的为 36.5℃，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射 度为多少W/m2？（2）正常人体的峰值辐射波长 为多少μm？峰值光谱辐射出射度Me,s,λm为多少？ （3）人体发烧到38℃时峰值辐射波长为多少？发 烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,λm又为多少？
❖
V ( ) Le, m
Le,
第11页/共32页
（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 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。
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
0
M e,s,d
T
4
M e,s
（1-42）
式中，σ是斯特藩-波尔兹曼常数，它由Wm2K4
15h3c2
由式（1-42），Me,s与T的四次方成正比
第4页/共32页
第9页/共32页
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 握了这些转换关系，就光可学以系统对用不同度量C参CD数2 标 定的光电器件灵敏度等特性参数进行比较。
解 （1）人体正常体的绝对温度为
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, 309.54 520.3W / m2
第7页/共32页
（2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为
m
2898 T
(μm)=9.36μm
峰值光谱辐射出射度为
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
第12页/共32页
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
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λm与绝对温度T的关系为
m
2898 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。
K ()
X v, X e,
KmV ()
（1-58）
K ()
X v, X e,
Km V ()
第15页/共32页
（1-59）
式中，K（λ），K`（λ）分别称为人眼的明视觉
V ( ) Le,507nm
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。
第13页/共32页
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, Km X e,V ()