对传热学中实际物体辐射与吸收关系的一些理解（光热发电与温室效应基础性原理之一）
实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系，是目前光热发电集热环节的基础性原理之一，也是温室效应的基础理论之一。实际物体选择性吸收特性在工农业和生活上被广泛应用，包括：电焊护目镜、防晒霜、高辐射涂层技术甚至农业上的农膜应用等等。
我们接着上一篇关于黑体辐射特性内容的学习，开始今天的内容。鉴于辐射换热内容的复杂性，以及气体辐射的特殊性，本篇文章只针对固体和液体的辐射和吸收特性及其关系，谈一谈自己的理解。通过下文定性的分析希望能帮助读者了解相关原理。让我们开始。
首先必须再次阐明，黑体是理想，那么纯净朴实，宛如神明。吸收时，能充分感受并接纳外界给予的“热情”；辐射时，会慷慨无私地完全付出自己所有的“热忱”。然而实际物体与黑体不同，实际物体要复杂的多，就像现实中的人心一样，难以捉摸。
先看看实际物体的辐射特性。
从图1中可以直观地了解到黑体与实际物体辐射力随波长变化的情况。
从图1中我们可以看出来，最上方那条光滑圆润，线条优美的曲线，就是我们的理想黑体的辐射力曲线，代表在横轴波长范围内，黑体的辐射力总体变化情况。而下边那条荆天棘地，震荡起伏，宛如群山样的曲线就是实际物体表面在横轴波长范围内的辐射力变化情况。
怎么说呢？所谓：“长恨人心不如水，等闲平地起波澜”，“凡人心险于山川,难于知天。”也许这两句话可以形容我此时此刻的感受。我们还可以看出：第一，虽然实际物体辐射力曲线波动较大，但是整体趋势还是与黑体辐射力曲线的趋势相吻合的。第二，实际物体的曲线围出来的面积要小，其总辐射力相比黑体来的要小。为了体现实际物体辐射力小于黑体这一情况，我们看看发射率的概念。
实际物体辐射力E总是小于同温度下黑体的辐射力Eb，两者之间的比值称为实际物体的发射率（Emissivity），用ε表示。通俗讲，就是比一下看看实际物体相对黑体这个“标杆”来说，其“黑”的程度，所以也称为“黑度”。
发射率ε的数值仅取决于自身，而与周围环境条件无关，这个数值一般通过实验测定而来。而在某一波长下实际物体的辐射力与同温下该波长的黑体辐射力的比值，称为光谱辐射力，即ελ。另外还有从空间方向上考虑的定向发射率ε(θ)。总之发射率是一个小于1的比值。
有了发射率的概念，我们接着看图2，理论研究实际物体是困难的。这是因为实际物体的辐射力并不是严格服从四次方定律，也不严格遵守兰贝特定律，这将导致计算非常复杂。并且，您能看出实际物体辐射力曲线的“桀骜不驯”。那怎么办呢？让我们看看科学家们“非理性”的另一面：那就强行认为实际物体辐射力满足四次方定律，也满足兰贝特定律，一切这些“任性”产生的偏差，都统统放到发射率ε这个修正系数里去，这其实是一种简化计算的权宜之计。
为了能在工程实际中应用，我们需要想一些折中、拟合、趋近或者简化的处理方法。我们找到另外一种理想的物体，来尽量逼近、接近以及拟合实际物体，其辐射力相对黑体打了折扣（用ε打折扣），其辐射力曲线依然光滑圆润，这就是灰体。
小结一下：实际物体辐射力小于黑体，其辐射规律也不严格遵守相关定律，但是我们可以通过赋予修正系数发射率ε这个量来进行简化计算，ε一般通过实验获得，仅取决于实际物体表面物质的种类、表面温度和表面状况，是物体本身的“物性”，其高低代表了实际物体辐射力的大小。
再看看实际物体吸收特性
实际物体对于单位时间内从外界（或物体表面）辐射到自身单位面积上的总能量，即投入辐射G，不一定完全吸收。根据自身特性，以及外界投入的辐射的波长不同，实际物体要选择性吸收。通俗地说，不是你给我什么我都要，实际物体可以看成是有血、有肉、有性格的人；不是理想的黑体，什么都吸收，什么都要，我得挑一挑，选一选。最终我只吸收经过筛选后的一部分辐射能；而实际吸收的辐射能与投入辐射总能量G之间的比值就是所谓的吸收比α。
物体吸收辐射能的影响因素不仅取决于自身的特性，也取决于投入辐射的特性，如波长。同时还与投射物体和吸收物体两者的温度有关。这研究起来就比较麻烦了。
我们看图3，具体说明。
图中α(λ)为光谱吸收比，也称为单色吸收比，是反映在某一特定投入波长辐射时的吸收比。从图3左图，我们可以看出来，如阳极氧化铝具有明显的选择性吸收特性，当外界投入的热射线波长为3um时，其吸收比约为0.75，如果投入的热射线的波长是4um，则吸收比约为0.2。这两个吸收比差别很大，即α(λ)是变化的。
这样就对我们开展实际选择吸收分析计算带来了很大的麻烦，我们一般采用灰体法和谱带模型法，进行处理，来简化计算。灰体法是将光谱吸收比α(λ)等效为常数，将大部分工程材料看成灰体，也就是一种打了折扣的黑体。这样的处理方法，对于绝大多数工程问题来说，误差是可以容忍的。另外一种是谱带模型法，我们看图3中右图，当外界投入辐射的波长在5-8um光谱谱带范围内，粉墙面、白瓷砖和白火泥的吸收比α(λ)可以近似看成是一个常数，也就是说，把这段小范围波动的曲线，从总体上可以近似看成是一个水平直线，取一个α(λ)的平均值，其实这也是一种灰体法，只不过，相对于整个光谱范围全都取α(λ)平均值的做法，精确了些。这里仅仅对计算方法进行了大致描述，便于读者理解。具体计算分析暂不展开。
工程上只要所研究的波长范围内的光谱吸收比与波长无关，灰体模型就可以成立，而不必要全光谱范围内将α(λ)取常数，一般工程上温度范围大多在2000K以里，大多数材料均具有上述特点，所以辐射传热一般都按照灰体处理。
小结一下：实际物体对外界辐射的吸收具有选择性，我们常用外界辐射的波长与物体的光谱吸收比α(λ)两者的关系建立函数关系。吸收比不是“物性”，其受到自身特性、外界辐射性质以及具体温度等多重影响，计算复杂。一般通过灰体法进行简化定量分析和计算。工程上遇到的大多数材料都可以近似看成灰体。辐射传热里一般讨论的都是漫射的灰体表面，即漫灰表面。
再次回到应用层面，实际物体对辐射的选择性吸收特性，应用非常广泛，文章开头已经提及。如光热电站里的太阳能集热器的例子。由于太阳的辐射波长集中在0.2-2um范围，那么如果在集热器表面涂上一种涂层，这个涂层对0.2-2um波长范围内的热射线，吸收比很高；那么集热器就可以吸收更多的太阳的热能。
最后为了方便大家能加深印象，记住实际物体的选择性吸收特性，我给大家再举个例子，不一定合适，但应该能说明问题。这个例子也体现了物质世界与精神世界的一种遥相呼应般的神奇关联。
参考文献：
杨世铭，陶文铨，编著《传热学》，第四版，高等教育出版社。
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