辐射换热
热量并不总需要介质才能传递。高温物体发出红外波,穿越真空,加热它击中的物体。跟着这些波从辐射体到吸收体,并看懂黑体光谱与斯特藩—玻尔兹曼定律如何描述辐射出的能量。
热量并不总需要介质才能传递。高温物体发出红外波,穿越真空,加热它击中的物体。跟着这些波从辐射体到吸收体,并看懂黑体光谱与斯特藩—玻尔兹曼定律如何描述辐射出的能量。
辐射是以电磁波的形式传递热量。传导靠原子一个传一个地传能量,对流靠流动的流体搬运能量,而辐射完全不需要物质——它能穿过完美的真空。任何高于绝对零度的物体都在不断发出这些波,其中大部分是红外线。
辐射正是你能隔着 1.5 亿公里真空感受到太阳温暖的原因,是火堆能隔着房间烤热你脸庞的原因,也是保温瓶要用真空夹层和镀银内壁保温的原因。它是三种传热方式中唯一不依赖介质的一种。
任何高于绝对零度的物体都会发出电磁辐射。它越热,波的能级越高、释放的功率也越大。温度略微升高就会带来大幅跃升,因为辐射功率取决于温度的四次方。
这些波是电磁波,因此以光速传播,能径直穿过真空。这就是图中辐射体与吸收体之间被画成真空的原因:热量要穿过去,中间什么都不需要有。
当波击中较冷的吸收体时,它的表面会吸收其能量并升温。深色、粗糙的表面吸收的辐射远多于光亮的表面,所以在阳光下黑色物体比镀银物体升温更快。
每个物体都在一段很宽的波长范围内辐射,形状像一个宽峰。物体越热,峰越高、峰值越向短波移动——这正是热金属先发暗红、再变橙、最后发出亮白光的原因。
两个物体始终都在辐射,因此真正起作用的是差值。热物体发出的多于它收到的,冷物体则相反,所以净流向永远是从较热物体到较冷物体,直到两者温度相同。
传导和对流都需要物质来搬运能量,而辐射不需要。它以电磁波(主要是红外)的形式传播,能够穿越真空——这正是我们能隔着太空感受到太阳热量的原因。
它指出物体辐射的功率与其表面积成正比,并与绝对温度的四次方成正比,写作 P = ε σ A T⁴。因为温度是四次方,温度略微升高,辐射功率就会大幅增加。
它显示辐射能量在不同波长上的分布。每个物体都辐射出一个宽峰,物体越热,峰越高、峰值越向短波移动——这就是热金属先发红、再变橙、最后发白的原因。
是的。任何高于绝对零度的物体都在辐射。关键在于平衡:较冷的物体辐射得比面对它的较热物体少,所以能量的净流向永远是从热到冷。
好的吸收体也是好的辐射体,而深色、粗糙的表面吸收(并辐射)的辐射远多于光亮、反光的表面。这就是黑色汽车在阳光下升温更快、而镀银表面更凉的原因。