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熱輻射,是物體由於具有溫度而輻射電磁波的現象。是一種物體用電磁輻射的形式把熱能向外散發的熱傳方式。它不依賴任何外界條件而進行。它是熱的三種主要傳導方式之一。

1 熱輻射 -簡介

熱輻射熱輻射
熱輻射 thermal radiation
物體由於具有溫度而輻射電磁波 的現象。熱量傳遞 的3種方式之一。一切溫度高於絕對零度 的物體都能產生熱輻射,溫度愈高,輻射出的總能量就愈大,短波成分也愈多。熱輻射的光譜是連續譜,波長覆蓋範圍理論上可從0直至∞,一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線。由於電磁波的傳播無需任何介質,所以熱輻射是在真空中唯一的傳熱方式。

由於不同的原因,物體能夠向其所在的空間發射各種不同波長的電磁波;不同波長的電磁波具有不同的效應,人們可以利用不同波長的電磁波效應達到一定的目的。比如,人們可以利用無線電波傳送信息,利用x射線穿透物質的能力進行零件探傷,利用熱射線傳遞熱能,等等。人們根據電磁波不同效應把電磁波分成若干波段。波長λ=0.38一0.76μm的電磁波段稱為可見光波段λ=0.76—1000 μm的電磁波段稱為紅外波段(一般將紅外波段範圍又分為近紅外波段和遠紅外波段,近紅外波段為λ=0.7—25μm,遠紅外波段為λ=25— 1000μm);波長大於1000μm的電磁波段稱為無線電波段(根據其波長的不同又可分為雷達 、視頻 和廣播 三個波段);波長小於0.4μm的電磁波依次分為紫外線 、x射線和Y射線等。可見光和紅外線以及紫外線的一部分被物體吸收后產生熱效應,即波長λ=0.1—1000 μm範圍內的電磁技能被物體吸收變為熱能 ,因此,這一波長範圍的電磁波稱為熱射線。因為在一般常見的工業溫度條件下,其輻射波長均在這一範圍,所以本課程所感興趣的將是熱射線,下面將專門討論這一波長範圍內電磁波的發射、傳播和吸收的規律。

2 熱輻射 -定義

中文名稱:熱輻射
英文名稱:thermal radiation;[heat] radiation

定義1:輻射能的強弱及其隨波長的分佈隨物體溫度變化的電磁輻射。
所屬學科:測繪學(一級學科) ;攝影測量與遙感學(二級學科) 

定義2:任何物體只要處於絕對零度(-273℃)以上,其原子、分子都在不斷地熱運動,都會進行紅外輻射,並可以用紅外輻射計進行探測。
所屬學科:地理學(一級學科) ;遙感應用(二級學科) 

定義3:物體以電磁波或粒子態傳播或發射能量的現象。
所屬學科:機械工程(一級學科) ;工業自動化儀錶與系統(二級學科) ;溫度測量儀錶-溫度測量儀錶一般名詞(三級學科)

定義4:物體因其表面的溫度而以電磁波的形式向外輻射能量,即紅外輻射。
所屬學科:生態學(一級學科) ;污染生態學(二級學科) 

定義5:輻射源處於熱動平衡或局部熱動平衡狀態下的輻射。
所屬學科:天文學(一級學科) ;天體物理(二級學科)

3 熱輻射 -本質

發射輻射能是各類物質 的固有特性。當原子內部的電子受溫和振動時,產生交替變化的電場 和磁場 ,發出電磁波向空間傳播,這就是輻射。由於自身溫度或熱運動的原因面激發產生的電磁波傳播,就稱熱輻射。顯然,熱輻射是電磁波,電磁波的波長範圍可從幾萬分之一微米到數千米,它們的名稱和分類如圖所示。通常把λ=0.1—1000μm範圍的電磁波稱熱射線,其中包括可見光線、部分紫外線和紅外線具有波動和量子特性。

4 熱輻射 -分佈

溫度較低時,主要以不可見的紅外光進行輻射,當溫度為300℃時熱輻射中最強的波長在紅外區。當物體的溫度在500℃以上至800℃時,熱輻射中最強的波長成分在可見光區。

關於熱輻射,其重要規律有4個:基爾霍夫輻射定律、普朗克輻射分佈定律、斯蒂藩·玻耳茲曼定律、維恩位移定律,這4 個定律。有時統稱為熱輻射定律。

物體在向外輻射的同時,還吸收從其他物體輻射來的能量。物體輻射或吸收的能量與它的溫度、表面積、黑度等因素有關。但是,在熱平衡狀態下,輻射體的光譜輻射出射度(見輻射度學和光度學)r(λ,T)與其光譜吸收比a(λ,T)的比值則只是輻射波長和溫度的函數,而與輻射體本身性質無關,即上述規律稱為基爾霍夫輻射定律,由德國物理學家G.R.基爾霍夫於1859年建立。式中吸收比a 的定義是:被物體吸收的單位波長間隔內的輻射通量與入射到該物體的輻射通量之比。該定律表明,熱輻射輻出度大的物體其吸收比也大,反之亦然。

黑體是一種特殊的輻射體,它對所有波長電磁輻射的吸收比恆為1。黑體在自然條件下並不存在,它只是一種理想化模型,但可用人工製作接近於黑體的模擬物。即在一封閉空腔壁上開一小孔,任何波長的光穿過小孔進入空腔后,在空腔內壁反覆反射,重新從小孔穿出的機會極小,即使有機會從小孔穿出,由於經歷了多次反射而損失了大部分能量。對空腔外的觀察者而言,小孔對任何波長電磁輻射的吸收比都接近於1,故可看作是黑體。將基爾霍夫輻射定律應用於黑體,有此可見,基爾霍夫輻射定律中的函數f(λ,T)即黑體的光譜輻射出射度。

5 熱輻射 -特點

熱輻射的本質決定了熱輻射過程有如下三個特點:

⑴輻射換熱與導熱、對流換熱不同、它不依賴物體的接觸而進行熱量傳遞,而導熱和對流換熱都必須由冷、熱物體直接接觸或通過中間介質相接觸才能進行。

⑵輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉化,即物體的部分內能轉化為電磁波能發射出去,當此波能射及另一物體表面而被吸收時,電磁波能又轉化為內能。

⑶ 一切物體只要其溫度T>0K,都會不斷地發射熱射線。當物體間有溫差時,高溫物體輻射給低溫物體的能量大於低溫物體輻射給高溫物體的能量,因此總的結果是高溫物體把能量傳給低溫物體。即使各個物體的溫度相同,輻射換熱仍在不斷進行,只是每一物體輻射出去的能量,等於吸收的能量,從而處於動平衡的狀態。

a 任何物體,只要溫度高於0K ,就會不停地向周圍空間發出熱輻射;

b 可以在真空中傳播;

c 伴隨能量形式的轉變;

d 具有強烈的方向性;

e 輻射能與溫度和波長均有關;

f 發射輻射取決於溫度的4次方。

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