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碎便士

金虫 (著名写手)

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[交流] 由基尔霍夫辐射定律引发的思考，求交流指正

当热量平衡情况下，即温度保持恒定时，如物体发出波长λ的辐射能，也将吸收同样波长λ的辐射能；发射率较大的物质，其吸收率也较大。如果不吸收某些波长的电磁波也不发射某些波长的电磁波。
现在讨论下，把一个金属片放置在太阳底下，宏观的表现是其温度不断上升（包括吸收了紫外可见红外各波段的光能量），金属的温度上升发射率增大，且辐射最大波长值向短波移动，同样可以得到其吸收率增大，吸收波长的移动，一段时间后达到稳定态，吸收和发射均稳定？
对于非金属，百度到说发射率随温度的上升而减小，非金属放置在太阳下，同样温度要上升，但是发射率下降，但是其辐射的最大波长值还是向短波移动的么？同样吸收率下降，一段时间后达到稳定态。
到这里可以解释金属和非金属放置在太阳下的平衡温度差异的原因么？
那么再延伸到晚上时间，没有太阳光的强辐射了，物质开始降温，是因为吸收率虽然存在，但是没得光吸收，但是可以一直辐射长波，最典型的是大气窗口波段的长波，所以此时的辐射制冷起到作用了么？也就是说所谓的辐射制冷在白天是没啥作用的，晚上效果明显？？
我不是物理专业的，最近看了皮毛相关的，不知道理解是否有偏差，真诚的求各位批评指正

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1楼 2011-07-08 17:13:39

已阅回复此楼关注TA 给TA发消息送TA红花 TA的回帖

--八云--

专家顾问 (知名作家)

★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖

引用回帖:

3楼: originally posted by today822 at 2011-09-09 07:56:49
金属的发射率确实是随温度的升高而增大的，但是增大的幅度很小。光谱发射率随波长的变化关系非常复杂，对于金属来讲，大多数是随着波长的增大而减小的。温度升高后，辐射的峰值肯定向短波方向移动，这对于任何物体都 ...

层主的回答比楼主问题中的描述要客观的多，我在这里在补充一些自己的理解吧

基尔霍夫定律成立条件是在热平衡之下，物体的吸收率（absorption）等于物体的发射率（emissivity）。

我这里只给出了比较重要的条件（热平衡），至于更加严格的表述，楼主可以参考一些专业书籍和文献里的证明。

这个结果适用于不同入射角（发射角），也就是说，一个物体再其表面某处对远场的定向发射率（angle dependent emissivity）等于同样的角度下平面波入射到该物体此处的吸收率。

这个感觉有点像光路可逆。

但要注意两点，第一，相等的是吸收率和发射率，不是辐射强度（能量和光子数）。举个例子来说，如果楼主讨论的是温度变化下的辐射，那么物体辐射的能量等于黑体辐射能量乘以物体的发射率。发射率只和物体的形状以及材料的折射率有关，如果温度的变化没有影响材料的折射率的话，那么发射率是不变的。但是辐射的总能量是有变动的，变动的原因是因为黑体辐射谱是温度的函数，一般这是主要部分。

第二，在一些极端条件下，即便是热平衡条件下，也有基尔霍夫定律不成立的特例，不过一般很难达成，在我所知的范围里大概也只有两三种。一种是某些特定磁性材料在特定方向加磁场，可以构造non-reciprocal system，但也只在很窄的光谱里才有明显效应。另一种是对系统施加一个机械弯折（bending），然后在特定的入射角度，入射光会couple到系统的machenical mode，因为machenical mode是晶格的声子模也就是热运动，所以入射光couple进去是不可逆的，但这种情况的成立条件也很苛刻，一般情况是不考虑的。

这些是对基尔霍夫定律的一些东西，在这之上，我们在考虑一个室温下的达到热平衡的物体。

一件东西放在室内，我们先假设这件东西在全光谱都吸光（完全黑体），也就是全光谱都发光（热辐射）。那么周围的环境对它的辐射，和它对周围的辐射达到一个平衡，物体的温度恒定在和室温环境一样。这里的平衡是在每一个波长下都达到辐射和吸收的平衡。

那么在看辐射制冷（radiative cooling），假设刚才的物体仍旧是绝对黑体，但是考虑实际的周围环境。在地球的大气环境下，空气的辐射（吸收）谱并不是全谱的，在8-12微米波段空气基本不吸收也不发光。如果一个全谱的黑体放在空气中，那么实际情况是，黑体在向外发光，但是空气无法补偿黑体在这一波段的发光，那么黑体光辐射不吸收，所以温度降低了，这也是辐射制冷的基本原理。

在考虑一些更加实际的条件，其实很多金属在8-12微米波段都是发光的，所以只要把金属放在室外，空气是无法让金属在这一波段下达到热平衡，金属的辐射原则上放到宇宙空间中去了，所以温度降低。但是注意金属的温度降低和我们平时接触金属觉得凉不是一回事，因为接触金属觉得凉，这是体感温度。体感温度和真正温度是不一样的。这是因为金属的传热性能非常好，所以同样是比体温低的物体，20度的金属远比20度的水泥更凉。

至于楼主想要讨论的问题，是day time radiative cooling，原则上和上面是类似的，只是要加上阳光的热辐射，稍微复杂了一些，但原理是一样的，我记得大概五年前科罗拉多大学出了一篇science，就是讲这个的，从他们给出的辐射功率可能能降温五度左右吧，如果我没记错的话。

PS：汗，回完以后一看，原来是十年前的帖子，好尴尬。。。