热辐射基本概念解析

一、热辐射的本质

物体中的原子内部，处于束缚态的电子从高能态能级向低能态能级跃迁时，使电场发生变化；电场的变化引起相应磁场的变化；而磁场的变化又激起电场的变化。这样，电子跃迁所释放的能量就以交替变化的电磁波向四周放射出去，这种能量就叫做辐射能。因此，辐射能是原子内部复杂激动的结果。可见物体的温度只要高于绝对零度，它便不可避免地发射出辐射能，物体的温度越高则发射的辐射能量越多。由于电磁波的传播是以光速进行的，而又不需要任何中间介质，因此，热辐射是不依赖任何介质、用电磁波来传递热能的一种热传递方式，辐射换热是可以在真空中以光速进行的热传递过程。

电磁波包括波长从10﹣8μm到几km的各种波。根据不同波长范围的电磁波效应和用途，人们把它们分为宇宙射线、γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波等，如图17-1所示。热射线的波长主要位于0.4～100μm的范围内，其中包括可见光（波长0.4～0.7μm）和红外线（波长0.7～25μm的近红外线和波长25～100μm的远红外线）。可见光是大家比较熟悉的电磁波，其直线传播、投射、反射和折射等有关规律同样适用于热射线。但是，由于波长不同，可见光和一般工程上的热射线在某些情况下将表现出不同的特性，不能混淆。

图17-1 电磁波谱

二、物体的吸收率、反射率和穿透率

当辐射能Q投射到一个物体上时，一般说来，部分能量QA被物体吸收，部分能量QR被反射，其余能量QD透过物体，如图17-2所示，因此，根据能量平衡，有

上式也可写成

式中：QA/Q——物体的吸收率，用A表示；

QR/Q— 物体的反射率，用R表示；

QD/Q——物体的穿透率，用D表示。因此

如果A＝1，那么R＝0，D＝0。这说明所有落在物体上的辐射能全部被该物体吸收，这一类物体叫做“绝对黑体”或“黑体”。如果R＝1，该物体称为“绝对白体”或“白体”。如果D＝1，该物体称为“绝对透明体”或“透明体”。自然界中并没有绝对黑体、绝对白体和绝对透明体，这些概念都是为了研究辐射现象方便而假定的。黑体对研究热辐射具有重要意义。黑体是个理想化的概念，所有的物体表面在一定程度上都要反射一定数量的辐射能，所以一个完全的黑体是不存在的。然而，按照下述的方法，可以非常精确地构成一个黑体，如图17-3所示的小孔即为黑体。图中有一空腔，它的几何尺寸比其侧壁上的小孔尺寸大得多。这样，一束入射的辐射线进入空腔后，再由该小孔处离开空腔，就必须在这个空腔内壁进行多次（n次）的反射才有(www.xing528.com)

图17-2 辐射能的吸收、反射和透射

图17-3 人工黑体

机会穿出小孔，这时穿出的能量为入射能的（1－A）n倍。由于n较大，因此（1－A）n的值很小。射进小孔里的辐射能可以认为完全被空腔所吸收。根据计算，以A＝0.6的壁面所构成的球形空腔，如小孔面积小于空腔壁面积的0.6％时，小孔的吸收率A＝0.999≈1，十分接近黑体。以后凡是属于绝对黑体的一切量，都将用下角标“0”表示。

对红外线来说，黑漆、白漆与黄漆等，其吸收率为0.90～0.95，但对太阳辐射，由于可见光约占一半的能量，所以黑漆的吸收率为0.96，而白漆的吸收率仅为0.12～0.16。可见，颜色的深浅对可见光的吸收率影响较大。对红外线来说，吸收率主要取决于物体表面的粗糙度，不管什么颜色，平滑面和磨光面，其反射率都要比粗糙面高好几倍。这是因为红外线射到凸凹不平的壁面上会形成多次反射和吸收，使总的吸收量QA增大。

实践证明，气体对于辐射能几乎不反射。因此，反射率R＝0，所以A＋D＝1。当辐射能投射到固体或液体的表面时，在进入表面很小距离内即被吸收完毕。例如，金属导体，该距离仅为1μm的数量级。对于非导体，也仅为1000μm左右。因而可以认为固体和液体的穿透率D＝0，其A＋R＝1，这说明：凡是善于吸收的物体（A比较大），就不善于反射（R比较小）；善于反射的物体，则不善于吸收。

三、辐射力与单色辐射力

1.辐射力

物体每单位表面积在单位时间内所放射出去的从λ＝0到λ＝∞的一切波长的辐射总能量称为“辐射力”，用符号E表示，若某物体面积为A，所放射的能量为Q，则辐射力

2.单色辐射力

在λ到λ＋dλ的波长范围内，物体辐射力为dE，dE除以该波长间隔dλ所得的商，称为波长为λ时的“单色辐射力”，用符号Eλ表示，即