斯特藩-玻尔兹曼定律

斯特藩-玻尔兹曼定律

斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law),又称斯特藩定律,是 热力学 中的一个著名定律,其内容为:一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量(称为物体的辐射度或能量通量密度)j* 与黑体本身的热力学温度T (又称 开尔文 )的四次方成正比。

定律

即:

其中辐射度 具有功率密度的 量纲 ( )), 国际单位制 标准单位为 焦耳 /(秒·平方米),即瓦特/平方米。绝对温度T 的标准单位是开尔文, ε为黑体的辐射系数;若为绝对黑体,则 .

比例系数 称为斯特藩-玻尔兹曼常数或斯特藩常量。它可由自然界其他已知的基本物理常数算得,因此它不是一个基本物理常数。该 常数 的值约为: (2010年数据),在厘米克秒制下为 .

所以温度为 的绝对黑体表面辐射的能量通量密度为 , 的黑体为 ,等等。

斯特藩-玻尔兹曼定律是一个典型的幂次定律。

本定律由 斯洛文尼亚 物理学家约瑟夫·斯特藩(Jožef Stefan)和 奥地利 物理学家 路德维希·玻尔兹曼 分别于1879年和1884年各自独立提出。提出过程中斯特藩通过的是对 实验数据 的归纳总结, 路德维希·玻尔兹曼 则是从 热力学 理论出发,通过假设用光(电磁波辐射)代替气体作为 热机 的工作介质,最终推导出与斯特藩的归纳结果相同的结论。本定律最早由斯特藩于1879年3月20日以Überdie Beziehung zwischen derWärmestrahlung und der Temperatur (《论热辐射与温度的关系》)为论文题目发表在 维也纳 科学院的大会报告上,这是唯一一个以 斯洛文尼亚 人的名字命名的物理学定律。

本定律只适用于黑体这类理想辐射源。

定律推导

斯特藩-玻尔兹曼定律能够方便地通过对黑体表面各点的辐射谱强度应用普朗克黑体辐射定律,再将结果在辐射进入的半球形空间表面以及所有可能辐射频率进行积分得到。

式中 黑体表面一点的辐射进入的半球形空间表面(以 辐射点 为球心), 为在温度T 时黑体表面的单位面积在单位时间、单位立体角上辐射出的频率为ν的 电磁波 能量。式中包括了一个 余弦 因子,因为 黑体辐射 几何上严格符合朗伯余弦定律(Lambert's cosine law)。将几何微元关系 代入上式并积分得:

(对频率的 萨特延德拉·玻色 积分项的计算方法参见条目多对数函数 (polylogarithm) )

日面温度的估算

斯特藩利用本定律估算了 太阳 的表面温度。法国人查理·索里特(Charles Soret,1854年–1904年)通过实验测得地球上接收到的太阳发出的能量通量密度约为一块加热金属板表面辐射的能量通量密度的29倍。斯特藩猜测太阳照射到 地球 的能量有1/3被 地球大气层 吸收,所以实际接收到的 太阳辐射 强度应为金属板辐射强度的29×3/2 = 43.5倍。索里特测得金属板的表面温度为1900°C到2000°C之间,斯特藩取中间值1950°C,即2200K。由于43.5 = 2.574,所以根据斯特藩-玻尔兹曼定律, 太阳 表面的 开尔文 应为金属板表面绝对温度的2.57倍,即约5700K(现代精确测量结果为5780K)。这是历史上对日面温度的第一个较精确的测量结果。在此之前,人们对日面温度的数值曾经众说纷纭,测量结果从1800°C到13,000,000°C都有。通过其他方法测量的日面温度与该结果的吻合验证了本定律的正确性。