哈佛学霸的精简科普热辐射的四个方面

　　任何温度高于绝对零度的物体都会不断发射电磁波，正是这些电磁波产生了热辐射。与热传导和热对流一样，热辐射是不同物体之间发生热传递的三种方式之一。无论是设计光伏电池、热交换器还是节能结构，工程师都需要模拟热辐射的影响。想要了解热辐射，其中一个方法是了解电磁波本身。
　　电磁波沿着直线传播，并且还能在真空中传播，这使得热辐射具有热传导和热对流所不具有的特性：热辐射可以在没有介质的情况下发生。电磁波的一个重要特征是它的波长，无线电波波长很长，而伽马射线是波长很短，可见光的波长介于0.4到0.7微米之间。物体因其温度而发出的热辐射波长在0.1微米到100微米之间，它与光谱中的紫外、可见光和红外部分重叠。
　　黑体与斯特藩-玻尔兹曼定律
　　物体每单位面积每单位时间所辐射的总能量称为辐射度E，它的单位是瓦特/平方米(W/m²)。为了研究热辐射，定义一个完美的辐射源是很有用的，它能在给定的温度下发出尽可能多的热辐射，这个理论上的物体叫做黑体。黑体的辐射度可以使用斯特藩-玻尔兹曼定律进行计算：E=σT⁴，其中T是以开尔文为单位的绝对温度，σ是斯特藩-玻尔兹曼常数。
　　将辐射度乘以物体的表面积可以得到辐射功率，例如一个半径30厘米、温度300开尔文的球形黑体将以520瓦的速率散发热量。斯特藩-玻尔兹曼定律中温度呈四次方，这意味着如果把该球形黑体升温到600开尔文，将使其每秒辐射的能量增加至16倍。 热辐射波长
　　热辐射所发出的电磁波并不都具有相同的波长。对于温度300开尔文的黑体来说，其电磁辐射的波长主要在2微米到50微米之间。我们上述所计算的辐射功率，事实上是所有波长的贡献之和。随着黑体温度的增加，电磁波的波长越来越小。到了700开尔文，就到达了光谱的可见部分，这就是我们生活中所见到的＂热得发光＂。
　　太阳表面可以建模为一个温度为5800开尔文的黑体，它发出的热辐射的波长大部分都落在了光谱的可见范围内，它在紫外和红外区域也发出大量的能量。辐射最大功率的波长是科学家所关注的，它随温度的变化而变化，并由一个叫做维恩位移定律的关系给出。该定律经常用于天文学，如果我们测量一颗遥远恒星发出的光，我们可以确定辐射最大功率的波长，因此我们就可以算出该恒星的表面温度。
　　真实物体与辐射系数
　　到目前为止，我们所看到的分布仅适用于黑体，它们是由普朗克定律所定义的。但重要的是要记住，黑体是一种理想化的结果。一些真实的物体的行为确实与黑体相似，但它们的光谱辐射功率分布却比黑体小得多。由于黑体是完美辐射源的理想化，因此实体的总辐射功率小于黑体的总辐射功率。我们仍然可以使用斯特藩-玻尔兹曼定律来计算实体的辐射度，只不过我们需要包含一个附加项：辐射系数ε，它定义为实体的辐射度相对于黑体辐射度的百分比。
　　辐射系数往往随着温度和波长的变化而变化，可以在文献中查找具体材料所对应的值，也可以通过试验确定。如果辐射系数对于所有波长来说都是恒定的，那么该物体就称为灰体。灰体实际上也是一种简化，可以让我们更容易地分析真实的物体。
　　对于不透明物体，热辐射在很大程度上取决于其表面的性质，因此涂层类型和表面粗糙度会显著影响辐射系数。在经过抛光处理的金属涂层中，其表面的辐射系数很低。因此，对于需要保温的热罐来说可能是很好的选择，因为它将减少辐射到环境中的热量，但对于需要散热的电子外壳则恰恰相反。
　　另一种对黑体的理想化定义是它是一个弥漫性发射体，也就是说它均匀地向各个方向发出辐射。但真实的表面往往会不均匀地发出辐射，因此辐射系数是角度ф和θ的函数。在传热分析中包含这种方向相关性，会使问题变得十分复杂。但幸运的是，假设物体是弥漫性发射体并使用平均辐射系数进行计算在工程上是合理的。
　　辐照
　　在研究热辐射时，我们不仅关心物体能发出多少能量，还关心有多少能量到达物体的表面。每单位面积到达物体的热辐射总量，称为辐照，用字母G表示。当辐照到达物体表面时，会发生三件事：这些波会吸收，从而提高自身温度；波可以被反射；波也可以透过物体继续传播。
　　到达一个表面的总辐照被吸收、反射或透射的比例，用吸收率α、反射率ρ和透射率т来描述。这些参数将根据表面材料和光洁度而有所不同，它们可以通过查表或实验来确定。复杂的是，吸收率、反射率和透射率通常是波长和方向的函数。
　　由于所有入射能量要么被吸收、反射或透射，因此这三个项的总和应该为1，也就是α+ρ+т=1。黑体不仅是完美的发射体，它还能吸收100%入射的辐射，所以它的吸收率为1，反射率和透射率为零。
　　有了以上这些知识，我们就能进行简单计算：物体辐射出多少能量，吸收多少能量，导致温度变化了多少。