Kirchhoffs strålingslov

Kirchhoffs strålingslov sier at et stoffs evne til å sende ut elektromagnetisk stråling av en viss bølgelengde og retning er like stor som dets evne til å absorbere stråling med samme bølgelengde og retning. Når strålingen er i termisk likevekt med stoffet, følger loven direkte fra energibevarelse. I praksis benyttes den også for stoffer og materialer som ikke er i slik likevekt.
Loven ble funnet av Gustav Kirchhoff i 1859 da han kunne forklare de mørke fraunhoferlinjene ved absorpsjon av lys i solatmosfæren som skyldes stoffer som kan emittere lys ved nøyaktig de samme bølgelengdene. På den tiden hadde man ikke kjennskap til atomfysikk og visste derfor heller ikke hvordan stålingen var forbundet med materialet som skapte den eller absorberte den. Dette ble først forstått nesten 60 år senere da Albert Einstein brukte Bohrs atommodell sammen med enkle, termodynamiske argument til å beregne Einsteins strålingskoeffisienter som beskriver sammenhengen mellom emisjon og absorpsjon av stråling.
Et ugjennomsiktig stoff reflekterer den delen av strålingen som det ikke absorberer. Kirchhoffs lov sier derfor at et sterkt reflekterende materiale vil emittere tilsvarende lite  stråling. Det er grunnen for at en termosflaske er inni dekket med reflekterende materiale slik at en kald væske i flasken blir minst mulig oppvarmet ved utsendelse av varmestråling fra veggene. Tilsvarende vil dette også redusere varmetapet fra en varme væske i termosen. På samme måte brukes en sterkt reflekterende folie ved redningsaksjoner til å pakke inn folk som er blitt nedkjølte og ikke bør miste mer varme.

Varmestråling

Strålingen er synlig som lys hvis den inneholder bølgelengder i den optiske delen av det elektromagnetiske spektrumet. Inneholder strålingen mye lengre bølgelengder, kalles den infrarød og registreres som varmestråling.Den fremkommer ved å varme opp et stoff eller legeme slik at det avgir varme. Ved romtemperatur  inneholder denne så lange bølgelengder at den ikke er synlig. Fortsetter man oppvarmingen til høyere temperaturer, blir strålingen infrarød og kan etterhvert sees. Kommer temperaturen opp i flere tusen grader, vil legemet gløde med en varmestråling som er dominert av synlig lys.
Når denne strålingen er i termisk likevekt med et material eller stoff med en viss temperatur, kan også strålingen sies å ha samme temperatur. Ved bruk av termodynamiske betraktninger viste Kirchhoff at egenskapene til varmestrålingen er uavhengig av stoffet den er i likevekt med og er den samme overalt i rommet. Egenskapene avhenger bare av bølgelengden λ og temperaturen T. Det betyr at intensiteten til strålingen er gitt ved en universell funksjon Bλ(T) som Kirchhoff ikke hadde mulighet til å beregne. Det ble først gjort av Max Planck 40 år senere. Hans  utledning av Plancks strålingslov representerer begynnelsen på kvantefysikken.

Svart legeme og stråling

Kirchhoffs strålingslov sier at et legeme som absorberer mye stråling av en bestemt bølgelenge, vil også emittere tilsvarende mye av samme stråling. Da absorpsjonskoeffisienten  ikke kan være større enn en, betyr det at ikke noe legeme kan stråle ut mer av en viss bølgelengde enn et legeme eller stoff som absorberer all slik stråling. 
Noen måneder etter det første arbeidet sitt om disse forholdene, offentliggjorde Kirchhoff et nytt arbeide hvor han tenkte seg et legeme som kan absorbere all stråling uansett  bølgelengde og retning. Det vil derfor ha en absorbsjonskoeffisient aλ(T, n) = 1. Ikke noe annet legeme kan stråle kraftigere enn dette med en emisjonsfunksjon Eλ(T, n) = Bλ(T). Kirchhoff kallte dette for et svart legeme. Hans funksjon Bλ(T)  beskriver derfor emisjonen fra et slikt legeme som er den samme i alle retninger. Men da varmestrålingen fra alle andre legemer er identisk med den fra dette spesielle legemet, kalles varmestråling ofte for svart stråling. 
Ingen vanlige materialer kan brukes til å lage et slikt svart legeme som absorberer fullstendig alle bølgelengder. Kirchhoff selv foreslo at man i stedet kunne lage et hulrom av et vanlig materiale med en liten åpning. Alle stråling som kommer inn i hulrommet gjennom denne, vil ha liten eller ingen mulighet til å komme ut igjen. Denne åpningen virker derfor som overflaten av et svart legeme. Av denne grunn navnet «Hohlraumstrahlung» benyttet på tysk for svart stråling. De eksperimentene som senere ledet Planck frem til en forklaring av strålingens egenskaper, benyttet et svart legeme laget på denne måten.
Noen stoff eller materialer kan approksimativt beskrives som «grå legemer». De er definert å ha en absorbsjonskoeffisient som er mindre enn en og med samme verdi for alle bølgelengder.  Virkelige stoff har absorbsjonskoeffisienter som varierer sterkt med bølgelengden, noe som derfor også emissiviteten vil gjøre. Glass er gjennomsiktig for sollys, men absorberer infrarød varmestråling. Det benyttes til å varme opp drivhus. På samme måte vil luft en klar dag ikke absorbere sollys, men drivhusgasser i atmosfæren absorberer infrarød stråling fra Jorden. Når disse gassene så emitterer samme stråling, vil temperaturen på jordkloden øke.
En husvegg som er malt hvit, vil reflektere det meste av sollyset slik at den i liten grad blir oppvarmet. Snø er også hvit fordi den reflekterer storparten av sollyset slik at lite blir absorbert. Derimot kan snø absorbere infrarød stråling. Det forklarer at snø nær en husvegg smelter raskere på grunn av infrarød stråling fra veggen, enn snø som kun er utsatt for direkte sollys. Iskappen over Polhavet i Arktis reflekterer storparten av sollyset. Når denne brytes opp eller smelter, kommer det mørke havvannet frem og absorberer en større del av dette lyset og bidrar igjen til en oppvarming av Jorden.