任何溫度高於絕對零度的物體都會不斷髮射電磁波，正是這些電磁波產生了熱輻射。與熱傳導和熱對流一樣，熱輻射是不同物體之間發生熱傳遞的三種方式之一。無論是設計光伏電池、熱交換器還是節能結構，工程師都需要模擬熱輻射的影響。想要了解熱輻射，其中一個方法是瞭解電磁波本身。
電磁波沿著直線傳播，並且還能在真空中傳播，這使得熱輻射具有熱傳導和熱對流所不具有的特性：熱輻射可以在沒有介質的情況下發生。電磁波的一個重要特徵是它的波長，無線電波波長很長，而伽馬射線是波長很短，可見光的波長介於0.4到0.7微米之間。物體因其溫度而發出的熱輻射波長在0.1微米到100微米之間，它與光譜中的紫外、可見光和紅外部分重疊。
黑體與斯特藩-玻爾茲曼定律
物體每單位面積每單位時間所輻射的總能量稱為輻射度E，它的單位是瓦特/平方米(W/m²)。為了研究熱輻射，定義一個完美的輻射源是很有用的，它能在給定的溫度下發出盡可能多的熱輻射，這個理論上的物體叫做黑體。黑體的輻射度可以使用斯特藩-玻爾茲曼定律進行計算：E=σT⁴，其中T是以開爾文為單位的絕對溫度，σ是斯特藩-玻爾茲曼常數。
將輻射度乘以物體的表面積可以得到輻射功率，例如一個半徑30釐米、溫度300開爾文的球形黑體將以520瓦的速率散發熱量。斯特藩-玻爾茲曼定律中溫度呈四次方，這意味著如果把該球形黑體升溫到600開爾文，將使其每秒輻射的能量增加至16倍。
熱輻射波長
熱輻射所發出的電磁波並不都具有相同的波長。對於溫度300開爾文的黑體來說，其電磁輻射的波長主要在2微米到50微米之間。我們上述所計算的輻射功率，事實上是所有波長的貢獻之和。隨著黑體溫度的增加，電磁波的波長越來越小。到了700開爾文，就到達了光譜的可見部分，這就是我們生活中所見到的“熱得發光”。
太陽表面可以建模為一個溫度為5800開爾文的黑體，它發出的熱輻射的波長大部分都落在了光譜的可見範圍內，它在紫外和紅外區域也發出大量的能量。輻射最大功率的波長是科學家所關注的，它隨溫度的變化而變化，並由一個叫做維恩位移定律的關係給出。該定律經常用於天文學，如果我們測量一顆遙遠恆星發出的光，我們可以確定輻射最大功率的波長，因此我們就可以算出該恆星的表面溫度。
真實物體與輻射係數
到目前為止，我們所看到的分佈僅適用於黑體，它們是由普朗克定律所定義的。但重要的是要記住，黑體是一種理想化的結果。一些真實的物體的行為確實與黑體相似，但它們的光譜輻射功率分佈卻比黑體小得多。由於黑體是完美輻射源的理想化，因此實體的總輻射功率小於黑體的總輻射功率。我們仍然可以使用斯特藩-玻爾茲曼定律來計算實體的輻射度，只不過我們需要包含一個附加項：輻射係數ε，它定義為實體的輻射度相對於黑體輻射度的百分比。
輻射係數往往隨著溫度和波長的變化而變化，可以在文獻中查詢具體材料所對應的值，也可以透過試驗確定。如果輻射係數對於所有波長來說都是恆定的，那麼該物體就稱為灰體。灰體實際上也是一種簡化，可以讓我們更容易地分析真實的物體。
對於不透明物體，熱輻射在很大程度上取決於其表面的性質，因此塗層型別和表面粗糙度會顯著影響輻射係數。在經過拋光處理的金屬塗層中，其表面的輻射係數很低。因此，對於需要保溫的熱罐來說可能是很好的選擇，因為它將減少輻射到環境中的熱量，但對於需要散熱的電子外殼則恰恰相反。
另一種對黑體的理想化定義是它是一個瀰漫性發射體，也就是說它均勻地向各個方向發出輻射。但真實的表面往往會不均勻地發出輻射，因此輻射係數是角度ф和θ的函式。在傳熱分析中包含這種方向相關性，會使問題變得十分複雜。但幸運的是，假設物體是瀰漫性發射體並使用平均輻射係數進行計算在工程上是合理的。
輻照
在研究熱輻射時，我們不僅關心物體能發出多少能量，還關心有多少能量到達物體的表面。每單位面積到達物體的熱輻射總量，稱為輻照，用字母G表示。當輻照到達物體表面時，會發生三件事：這些波會吸收，從而提高自身溫度；波可以被反射；波也可以透過物體繼續傳播。
到達一個表面的總輻照被吸收、反射或透射的比例，用吸收率α、反射率ρ和透射率т來描述。這些引數將根據表面材料和光潔度而有所不同，它們可以透過查表或實驗來確定。複雜的是，吸收率、反射率和透射率通常是波長和方向的函式。
由於所有入射能量要麼被吸收、反射或透射，因此這三個項的總和應該為1，也就是α+ρ+т=1。黑體不僅是完美的發射體，它還能吸收100%入射的輻射，所以它的吸收率為1，反射率和透射率為零。
有了以上這些知識，我們就能進行簡單計算：物體輻射出多少能量，吸收多少能量，導致溫度變化了多少。
