黑体(热力学）
| 黑体 |
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黑体（Black body），是一个理想化的物体，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射。换句话说，黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1，透射系数为0。
物理学家以此作为热辐射研究的标准物体。它能够完全吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。
目录
简介
黑体不一定是黑色的（例如太阳在某种情况下就可以看做黑体），即使它没办法反射任何的电磁波，它也可以放出电磁波来，而这些电磁波的波长和能量则全取决于黑体的温度，不因其他因素而改变。
当然，黑体在700K以下时看起来是黑色的，但那也只是因为在700K之下的黑体所放出来的辐射能量很小且辐射波长在可见光范围之外。若黑体的温度高过上述的温度的话，黑体则不会再是黑色的了，它会开始变成红色，并且随着温度的升高，而分别有橘色、黄色、白色等颜色出现，即黑体吸收和放出电磁波的过程遵循了光谱，其分布为普朗克分布（或称为黑体轨迹）。黑体辐射实际上就是黑体的热辐射。在黑体的光谱中，由于高温引起高频率即短波长，因此较高温度的黑体靠近光谱结尾的蓝色区域而较低温度的黑体靠近红色区域。
在室温下，黑体辐射的能量集中在长波电磁辐射和远红外波段；当黑体温度到几百摄氏度之后，黑体开始发出可见光。以钢材为例根据温度的升高过程，分别变为红色，橙色，黄色，当温度超过1300摄氏度时开始发白色
和蓝色。当黑体变为白色的时候，它同时会放出大量的紫外线。
黑体一词是在1862年由基尔霍夫所命名并引入热力学内，黑体所辐射出来的光线则称做黑体辐射。黑体单位表面积的辐射功率P与其温度的四次方成正比，即：
P= σ
式中σ称为斯特藩-玻尔兹曼常数，又称为斯特藩常数。
黑体的放射过程引发物理学家对量子场内的热平衡状态的兴趣。在经典物理中，所有热平衡的傅里叶模型都遵循能量均分定理。当物理学家使用经典物理解释黑体时，不可避免的发生了“紫外灾难”，即用于计算黑体辐射强度的瑞利-金斯定律在辐射频率趋向于无穷大时计算结果也趋向于无穷大。由于黑体可以用于检验热平衡的性质，因为它放出的辐射遵循热力学散射，历史上对黑体的研究成为了量子物理开始的契机。
定义
1．在任何温度下，完全吸收任何波长的外来辐射而无任何反射的物体。
2．吸收比为1的物体。
3．在任何温度下，对入射的任何波长的辐射全部吸收的物体。
以上三条等价。
黑体在工业上主要应用于测温领域，最主要的产品是黑体炉。对辐射温度计的校准、检定，通常采用比较法，就是通过高稳定度的辐射源（通常为黑体辐射源）和其他配套设备，将标准器所复现的温度与被检辐射温度计所复现的温度进行比较，以判断其是否合格或给出校准结果。
在校准、检定工作中，辐射源一般在-6～1200 ℃（或1600 ℃）范围内可用开口式中、低温黑体炉，1200 （或1600 ℃）～3200 ℃采用抽真空并充惰性气体保护的高温黑体炉。标准器分别为二等标准热电偶（二等标准铂电阻温度计）和标准光学（光电）高温计。
应用原理
辐射温度计是依据物体辐射的能量来测量温度的仪表。根据辐射理论，任何物 体只要不处于绝对零度（-273.15 ℃），那么在其他任意温度下都存在热辐射。处于热平衡状态的黑体在半球方向的单色辐射出射度是波长和温度的函数。
在一定的波长下，黑体的单色辐射出射度是温度的单值函数，可以通过某一波长下的单色辐射出射度的测量来得出黑体的温度。这就是辐射测温学的理论基础，黑体辐射的普朗克辐射定律。
在实际测量中，辐射温度计的单色器不可能是完全单色的。而且，探测器也要求获得 一定光谱范围的辐射能量，否则由于所接收的能量很小而无法作出响应。同时，实际被测物体也不是黑体。
测温时，将辐射温度计瞄准被测物体，辐射温度计的探测器接收到被测物体所辐射的 能量，经信号处理电路转换为相应的电信号或进一步通过显示器直接显示出被测物体的温度值。
根据以上辐射温度计的测温原理，可寻找出辐射能量的波长 在[λ1，λ2]范围内的辐射源；辐射能量对应于黑体某一特定的温度，但是辐射源 本身的温度并不等于此温度，辐射能量连续可调，输出的辐射能量较高。
公式
黑体的辐射力随波长的分布形状是规则的，它与黑体的绝对温度T的四次方成正比，其关系为：
Eb=Cb（T/100）4
式中 Eb——黑体的辐射系数，是用来表征黑体向外发射辐射能力的热物理常数，Cb=5.67W/（m2*K4）
基尔霍夫辐射定律（Kirchhoff），在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收的能量之比与物体本身物性无关，只与波长和温度有关。按照基尔霍夫辐射定律，在一定温度下，黑体必然是辐射本领最大的物体，可叫作完全辐射体。用公式表达如下：
Er =α*EoEr——物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能；
α——该物体对辐射能的吸收系数；
Eo——等价于黑体在相同温度下发射的能量，它是常数。
普朗克辐射定律（Planck）则给出了黑体辐射的具体谱分布，在一定温度下，单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量为
B（λ，T)=2hc^2 /λ^5 /[exp(hc/λkT)-1]
B（λ，T）—黑体的光谱辐射亮度（W·m^-2·Sr^-1·μm^-1）
λ—辐射波长（μm)
T—黑体绝对温度（K、T=t+273k)
C—光速（2.998×10^8 m·s^-1）
h—普朗克常数， 6.626×10-34 J·S
k—玻尔兹曼常数（Bolfzmann）， 1.380×10-23 J·K-1 基本物理常数
由图1可以看出：
①在一定温度下，黑体的谱辐射亮度存在一个极值，这个极值的位置与温度有关， 这就是维恩位移定律（Wien）
λm T=2.898×10^3 （μm·K）
λm —最大黑体谱辐射亮度处的波长（μm）
T—黑体的绝对温度（K）根据维恩定律，我们可以估算，当T～6000K时，λm～0.48μm（绿色）。这就是太阳辐射中大致的最大谱辐射亮度处。
当T～300K， λm～9.6μm，这就是地球物体辐射中大致最大谱辐射亮度处。
②在任一波长处，高温黑体的谱辐射亮度绝对大于低温黑体的谱辐射亮度，不论这个波长是否是光谱最大辐射亮度处。
如果把B（λ，T）对所有的波长积分，同时也对各个辐射方向积分，那么可得到斯特番—玻尔兹曼常数（Stefan-Boltzmann），绝对温度为T的黑体单位面积在单位时间内向空间各方向辐射出的总能量为B(T) 。
B(T)=δT4 (W·m-2）
δ为Stefan-Boltzmann常数，等于5.67×10-8 W·m-2 ·K-4
但现实世界不存在这种理想的黑体，那么用什么来刻画这种差异呢？对任一波长， 定义发射率为该波长的一个微小波长间隔内， 真实物体的辐射能量与同温下的黑体的辐射能量之比。显然发射率为介于0与1之间的正数，一般发射率依赖于物质特性、 环境因素及观测条件。如果发射率与波长无关，那么可把物体叫作灰体(grey body）， 否则叫选择性辐射体。
结构
精心设计的黑体用作标准的辐射源。中等温度的黑体结构。一个标准黑体必须选择合适的腔体形状，并计算其有效发射率，严格控制腔体的温度及其均匀性，精确测定其温度值和光阑的面积。控制温度均匀性的较好办法，是采用热管技术。上述结构的黑体，光阑孔径不可能很大，一般直径为几十毫米。大面积的黑体采用蜂窝结构。
黑体热力学
任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体（black body），以此作为热辐射研究的标准物体。
所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射（当然黑体仍然要向外辐射）。显然自然界不存在真正的黑体，但许多地物是较好的黑体近似（在某些波段上）。黑体辐射情况只与其温度有关，与组成材料无关。
模型
黑体的吸收率α=1，这意味着黑体能够全部吸收各种波长的辐射能。尽管在自然界并不存在黑体，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。黑体模型的原理如下：取工程材料（它的吸收率必然小于黑体的吸收率）制造一个球壳形的空腔，使空腔壁面保持均匀的温度，并在空腔上开一个小孔。射入小孔的辐射在空腔内要经过多次的吸收和反射，而每经历一次吸收，辐射能就按照内壁吸收率的大小被减弱一次，最终能离开小孔的能量是微乎其微的，可以认为所投入的辐射完全在空腔内部被吸收。所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。值得指出的是，小孔面积占空腔内壁总面积的比值越小，小孔就越接近黑体。若这个比值小于0.6%，当内壁吸收率为60%时，计算表明，小孔的吸收率可达99.6%。应用这种原理建立的黑体模型，在黑体辐射的实验研究以及为实际物体提供辐射的比较标准等方面都十分有用。
“黑体”是什么
就是一个模型，就像“质点”一样，一个物理模型而已。
那么这个模型有什么特点，为什么要定义这样一个模型呢？我们慢慢说。
【电磁波】可能我们暂时说不清电磁波是什么，但我们要知道，光也是电磁波，比如红光就是一种电磁波，所以我们有时候称为“光波”，这样我们对电磁波有了感性认识，所谓的“物体辐射电磁波”就可以形象理解为“物体发光”。
【电磁波的种类】除了可见的“红橙黄绿蓝靛紫”以外，电磁波还有，按波长从大到小，
无线电波，微波，红外线，可见光，紫外线，伦琴射线（X射线），γ射线
【不发光物体】对于现实中的不透明不发光物体，我们可以看见颜色，那是因为反射的作用，比如红色物体反射红光，绿色物体反射绿光，白色物体反射所有色光，而黑色物体呢，吸收所有色光但不反色。
【发光物体】但是，还有一些物体是可以发光的，比如五颜六色的灯光，那么他的颜色就是由发光物体自己发出光的颜色来决定的。
对比【不发光物体】和【发光物体】，我们知道，不透明物体的颜色要么由反射光决定，要么由自身发光决定，显然，我们更关注物体自身发光的情况，因为自身发光反映了自身的性质。
【说明1】黑色物体会“发光”吗？这样说不严格，其实黑色物体可以“辐射电磁波”，只不过辐射的电磁波不在可见光范围内，所以还是看不见。若一个“黑色”物体辐射了可见光，那该物体就可以被看见。
然后我们把“光”扩展到“电磁波”，就可以一样得到，
物体可以反射电磁波，物体也可以辐射电磁波（相当于物体自身发光）。
【为什么要定义黑体】一个物体“发光”了，辐射电磁波了，那么我们通过研究物体辐射电磁波的情况就可以了解该物体的一些性质，毕竟这些电磁波是物体自己“发出来”的。但是，我们在研究时是有干扰的，因为辐射电磁波的物体也会反射环境中的电磁波，我们难以判断物体的电磁波是“反射”还是“辐射”，所以，我们要找一个只辐射电磁波但不反射电磁波的物体，该物体就是“黑体”！
【黑体的定义】能够完全吸收投射到其表面的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。简单地说，黑体只会辐射电磁波，不会反射电磁波。所以，黑体是一种理想化模型。
【说明2】黑体会辐射电磁波，可见光也是电磁波，所以黑体可能辐射可见光，所以黑体不一定是“黑色物体”。“黑色物体”更加不是黑体，因为“黑色物体”只是不反射可见光，不是不反射所有电磁波。
【黑体的性质】现在我们知道了“黑体”能够辐射电磁波，且辐射电磁波的强度只与温度有关。
而一般物体，不是“黑体”的物体，辐射电磁波的强度除了跟温度相关外，还和物体材料种类及表面状况等有关。[1]