火場中輻射為熱傳遞主要的方式之一，輻射熱之性質及其計算的方式下列何者錯誤？

本題考點

熱輻射的基本性質，以及史蒂芬－波茲曼定律中輻射能與絕對溫度的次方關係。

正解理由

依史蒂芬－波茲曼定律，物體表面單位面積的輻射放射功率為 E＝εσT⁴，式中 ε 為放射率、σ 為史蒂芬－波茲曼常數、T 為絕對溫度。輻射熱與絕對溫度的四次方成正比，而非與平方成正比；本選項把四次方寫成平方，與定律不符，故選 A。

逐項排除

1. (A)

   輻射放射功率與絕對溫度的四次方成正比，寫成平方即與史蒂芬－波茲曼定律不符，敘述錯誤。

2. (B)

   輻射以電磁波形式傳遞能量，不需要物質作為傳遞介質，可在真空中進行，敘述正確。

3. (C)

   熱輻射本質上就是電磁波，火場中的熱輻射主要落在紅外線波段，敘述正確。

4. (D)

   黑體是能完全吸收入射輻射、且在同溫度下放射能力最大的理想物體，其放射率定義為 1，實際物體則小於 1，敘述正確。

記憶點

熱傳遞分為傳導、對流與輻射三種方式，其中只有輻射不需要介質。傳導靠分子振動與自由電子在相接觸的物體內部傳遞動能，對流靠流體的整體位移把熱量帶走，輻射則是物體因本身具有溫度而發出電磁波，能量以光速直接傳播，這也是太陽的熱能得以穿過真空抵達地表的原因。

史蒂芬－波茲曼定律 E＝εσT⁴ 的三個符號要分清楚。σ 是史蒂芬－波茲曼常數，數值約 5.67×10⁻⁸ W／m²·K⁴，是常數不是變數；ε 是放射率，介於 0 與 1 之間，黑體為 1，實際物體屬灰體而小於 1，同一材質表面愈粗糙、顏色愈深，放射率通常愈接近 1；T 必須是絕對溫度，換算關係為 T（K）＝t（℃）＋273.15。本科的陷阱幾乎都設在這三處：把四次方改成平方或三次方、把溫度直接代攝氏度數、把黑體的放射率寫成 0。

四次方在火場裡的意義非常關鍵。室溫約 300 K 的表面與溫度約 1200 K 的火焰相比，絕對溫度是四倍，輻射放射能力卻是四的四次方即二百五十六倍。這解釋了為什麼火災在初期輻射並不顯眼，一旦室內上層熱煙層溫度拉高，輻射就迅速成為向下方可燃物與鄰棟建築物傳熱的主角，也是室內火災轉入最盛期時火勢急速擴大的能量來源之一。

另一組要並列記的是幾何關係：對點熱源而言，接收面所受的輻射熱強度與距離的平方成反比，距離加倍則強度降為四分之一；此外受熱面與輻射方向的夾角、兩個表面之間的形狀因數，也會影響實際接收到的熱通量。這一組是平方反比，與溫度的四次方分屬不同變數，不要混為一談。

延伸考點：輻射與對流常被合併命題，判斷關鍵在於「有沒有介質在移動」——濃煙上升帶熱是對流，隔著玻璃把對面的窗簾烤到起火是輻射，鋼樑一端受熱另一端變燙是傳導。