这是什么
斯特藩-玻尔兹曼热辐射计算器用于求出物体表面所辐射出的总热功率。根据斯特藩-玻尔兹曼定律,物体辐射的功率与其绝对温度的四次方成正比,再乘以发射率和表面积。这是一个通用的物理工具,适用于恒星、加热的金属、建筑外墙、人体以及任何会向外辐射热量的物体。
如何使用
只需输入三个数值:发射率(一个无量纲数,0 表示完美的反射体,1 表示理想黑体)、以平方米为单位的表面积,以及以开尔文(K)为单位的绝对温度。请注意,要把摄氏度换算成开尔文,只需加上 273.15。计算器随即给出以瓦特(W)为单位的辐射功率。
公式详解
公式为 $$P = \varepsilon \cdot \sigma \cdot A \cdot T^{4}$$,其中 \(P\) 为辐射功率(瓦特),\(\varepsilon\) 为发射率,\(\sigma\) 为斯特藩-玻尔兹曼常数(\(5.670374419 \times 10^{-8}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-4}\)),\(A\) 为表面积(平方米),\(T\) 为绝对温度(开尔文)。由于温度是四次方关系,温度翻一倍,辐射功率就会增加到原来的 16 倍。
实例演算
以人体皮肤为例:温度 305 K,表面积 1.8 m²,发射率 0.98。先算 \(T^{4} = 305^{4} = 8{,}653{,}650{,}625\),再代入 $$P = 0.98 \times 5.670374419 \times 10^{-8} \times 1.8 \times 8{,}653{,}650{,}625 \approx 865.6\ \text{W}$$。这是向外辐射的总功率;若要计算对环境的净热损失,还需减去人体从周围环境吸收的辐射。
常见问题
为什么要用开尔文而不是摄氏度?该定律使用的是绝对温度。如果用摄氏度,由于 \(T^{4}\) 需要一个真正的零点起算,结果会完全没有意义。
发射率是什么?它衡量一个表面相对于理想黑体辐射热量的效率。抛光金属的发射率很低(约 0.05);皮肤、水和哑光涂料则接近 0.95–0.98。
这就是净热损失吗?不是。这里算的是向外辐射的总功率。净辐射交换应为 \(P_{\text{净}} = \varepsilon \sigma A (T^{4} - T_{\text{环境}}^{4})\)。