什麼是史蒂芬-波茲曼定律?
史蒂芬-波茲曼定律(Stefan-Boltzmann law)描述物體會因為自身的溫度而輻射出多少熱能。它指出:一個表面所輻射的總功率,與其絕對溫度的四次方成正比。這個計算機會根據物體的發射率、表面積與溫度,算出輻射功率 \(P\)(單位為瓦特)。
公式說明
此定律可寫成 $$P = \varepsilon \cdot \sigma \cdot A \cdot T^{4}$$ 其中:
• \(\varepsilon\) 為發射率(完美反射體為 0,理想黑體為 1)。
• \(\sigma\) 為史蒂芬-波茲曼常數,\(5.670374419 \times 10^{-8}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-4}\)。
• \(A\) 為輻射表面積,單位為平方公尺。
• \(T\) 為絕對溫度,單位為克耳文(K)。
由於溫度被提升到四次方,即使溫度只升高一點點,所輻射出的功率也會大幅增加。
計算機使用方法
請輸入發射率(介於 0 與 1 之間)、以平方公尺為單位的表面積,以及以克耳文為單位的溫度。若要把攝氏溫度換算成克耳文,只需加上 273.15。計算機會回傳總輻射功率(瓦特),以及輻射通量密度,也就是單位面積的功率(W/m²)。
實例演算
假設有一個黑體(\(\varepsilon = 1\)),表面積為 1 m²,溫度為 300 K。則 $$P = 1 \times 5.670374419 \times 10^{-8} \times 1 \times 300^{4}$$ 由於 \(300^{4} = 8.1 \times 10^{9}\),可得 \(P \approx 459.3\ \text{W}\)。因為面積剛好是 1 m²,所以輻射通量密度的數值相同,約為 459.3 W/m²。
常見問題
為什麼溫度一定要用克耳文? 此定律使用的是絕對溫度;若改用攝氏或華氏,計算結果就會出錯。請務必先完成換算。
發射率是什麼? 它是一個無因次(無單位)的量,介於 0 到 1 之間,用來衡量某個表面相較於理想黑體輻射熱能的效率。拋光金屬約為 0.05,霧面黑色表面則接近 1。
這個計算結果有把吸收的輻射算進去嗎? 沒有。這裡算出的是物體輻射出去的「總」功率。若要計算淨輻射交換,須再扣掉從周遭環境吸收的功率:$$P_{\text{淨}} = \varepsilon \sigma A (T^{4} - T_{\text{周遭}}^{4})$$