thumb|Aallonpituusjakauman huippukohta ja lähtevän säteilyn kokonaismäärä riippuvat lämpötilasta Wienin siirtymälain mukaisesti. Vaikka kaavio esittää vain jokseenkin korkeita lämpötiloja, sama laki pätee alhaisissakin lämpötiloissa absoluuttiseen nollapisteeseen saakka. Näkyvän valon aallonpituus on 380 ja 750 nm:n välillä. thumb|Tämän kuuman metalliesineen lämpösäteilystä osa on näkyvää valoa. Sen infrapunainen osuus on näkymätön ihmissilmälle ja sille kameralle, jolla tämä kuva otettiin, mutta infrapunakamera toisi sen näkyviin. (Katso termografia). Lämpösäteily on sähkömagneettista säteilyä, jonka saa aikaan aineessa olevien varattujen hiukkasten lämpöliike. Kaikki aine, jonka lämpötila poikkeaa absoluuttisesta nollapisteestä, lähettää lämpösäteilyä. Kun kappaleen lämpötila on korkeampi kuin absoluuttinen nollapiste, atomien välisisissä törmäyksissä atomien tai molekyylien liike-energia muuttuu. Tämä saa aikaan varausten kiihtyvää liikettä ja/tai dipolien värähtelyjä, joiden tuloksena syntyy sähkömagneettista säteilyä, ja säteilyn laaja spektri kuvastaa sitä laajaa energian ja kiihtyvyyksien jakaumaa, joka samassakin lämpötilassa esiintyy.
Huoneenlämpötilassa olevien kappaleiden lämpösäteily on näkymätöntä infrapunasäteilyä, mutta yli 500 C°:n lämpötilassa osa siitä on näkyvää valoa, vielä korkeammassa lämpötilassa jopa ultraviolettisäteilyä. Esimerkiksi hehkulamppujen ja tulenliekkien lähettämästä lämpösäteilystä merkittävä osa on näkyvää valoa. Sen sijaan infrapunasäteily on näkymätöntä, mutta se voidaan havaita infrapunakameralla.
Lämpösäteily on konvektion ja johtumisen ohella lämmön kolmas siirtymistapa. Esimerkiksi lähellä suurta nuotiota oleva henkilö tuntee tulenliekeistä lähtevän säteilyn lämmittävän vaikutuksen, vaikka ympäröivä ilma olisi hyvinkin kylmää.
Auringon valo on Auringon kuuman plasman lähettämää lämpösäteilyä. Myös Maa lähettää lämpösäteilyä, mutta paljon pienemmällä intensiteetillä ja spektrijakaumalla; niinpä Maan säteily on käytännöllisesti katsoen kokonaan infrapunasäteilyä, koska Maan lämpötila on alempi. Auringon säteilyn absorboituminen ja Maan avaruuteen lähettämä lämpösäteily ovat keskeisimmät prosessit, jotka määräävät Maan lämpötilan ja ilmaston.
Jos säteilevä kappale täyttää mustan kappaleen määritelmän mukaiset ehdot termodynaamisessa tasapainossa, sen lähettämää säteilyä sanotaan mustan kappaleen säteilyksi. Planckin laki kuvaa mustan kappaleen säteilyn spektriä, joka riippuu vain kohteen lämpötilasta. Wienin siirtymälaki osoittaa säteilyn aallonpituusjakauman huippukohdan, ja Stefanin–Boltzmannin laki säteilyn intensiteetin.
Yleiskuvaus Lämpösäteily on sähkömagneettisia aaltoja, joita kaikki aine lähettää, kun sen lämpötila on absoluuttista nollapistettä korkeampi. Sen syntyessä lämpöenergia muuttuu sähkömagneettiseksi energiaksi. Lämpöenergia on aineen atomien ja molekyylien sattumanvaraiseen liikkeeseen liittyvää liike-energia. Kaikki aine koostuu hiukkaisista, joilla on liike-energiaa, ja ne vuorovaikuttavat keskenään. Atomeissa ja molekyyleissä on varauksellisia hiukkasia, protoneja ja elektroneja, ja hiukkasten kineettiset vuorovaikutukset johtavat varausten kiihtyviin liikkeisiin ja dipolivärähtelyihin. Se vuorostaan saa aikaan toisiinsa kytkeytyviä sähkö- ja magneettikenttiä, joiden tuloksena syntyy fotoneja, joista kappaleen pinnalta säteilevä energia koostuu. Sähkömagneettinen säteily, esimerkiksi valo, ei edellytä väliaineen läsnäoloa edetäkseen, vaan se etenee avaruuden tyhjiössäkin kuinka kauas tahansa, ellei tiellä ole esteitä.
Lämpösäteilyn ominaisuudet riippuvat monista sitä lähettävän pinnan ominaisuuksista kuten sen lämpötilasta, sen absorptiokyvystä ja spektraalisesta emissiokyvystä kuten Kirchhoffin lämpösäteilylaki osoittaa. Säteily ei ole monokromaattista, toisin sanoen sillä ei kauttaaltaan ole sama taajuus, vaan siinä eri fotoneilla on eri suuri energia, ja niiden energia- ja taajuusjakauma muodostaa säteilyä luonnehtivan spektrin. Jos säteilevä kappale ja sen pinta ovat termodynaamisessa tasapainossa ja pinnan absorptiokyky on täydellinen kaikilla aallonpituuksilla, sitä sanotaan mustaksi kappaleeksi. Musta kappale on myös täydellinen säteilyn lähettäjä eli emittoija. Sellaisten täydellisten lähettäjien säteilyä sanotaan mustan kappaleen säteilyksi. Kappaleen lähettämän säteilymäärän suhdetta samassa lämpötilassa olevan mustan kappaleen säteilymäärään sanotaan kappaleen emissiivisyydeksi, ja näin ollen mustan kappaleen emissiivisyys on 1.
Kaikkien kappaleiden absorptio-, emissio- ja heijastuskyky riippuvat säteilyn aallonpituudesta. Kappaleen lähettämän sähkömagneettisen säteilyn aallonpituusjakauma taas riippuu sen lämpötilasta. Esimerkiksi tuore lumi, joka heijastaa hyvin näkyvää valoa (heijastavuus noin 0,90), nähdään valkoisena siitä heijastuvan auringonvalon vaikutuksesta, jonka aallonpituusjakauman huippu on noin 0,5 mikrometrin kohdalla. Kun sen lämpötila on –5 °C, sen oman lämpösäteilyn aallonpituusjakauman huippu on 12 mikrometrin kohdalla, ja tällä aallonpituudella lumen emissiivisyys on noin 0,99.
Mustan kappaleen lähettämän säteilyn tehon taajuusjakaumaa kuvaa Planckin laki. Kussakin lämpötilassa on tietty taajuus fmax, jonka kohdalla säteilyteho on suurimmillaan. Wienin siirtymälain mukaan tämä taajuus, jonka kohdalla jakauman huippu on, on suoraan verrannollinen kappaleen absoluuttiseen lämpötilaan T. Auringon fotosfäärin, jonka lämpötila on noin 6 000 K, lähettämästä säteilystä suurin osa on näkyvän valon taajuusalueella. Maan ilmakehä päästää lävitseen suuren osan näkyvästä valosta, ja Maan pinnalle saapuvasta valosta osa absorboituu, osa heijastuu. Maan pinta vuorostaan lähettää lämpösäteilyä ja käyttäytyy kutakuinkin sellaisen mustan kappaleen tavoin, jonka lämpötila on 300 K, jota sitäkin vastaa tietty taajuusjakauman huippukohta. Näillä pienemmillä taajuuksilla ilmakehä läpäisee säteilyä huonommin, ja suurin osa Maan lähettämästä säteilystä absorboituu ilmakehään tai siroaa siinä. Vain pieni osa säteilystä pääsee ilmakehän läpi avaruuteen saakka. Tämä ilmakehän läpäisykyvyn riippuvuus säteilyn taajuudesta saa aikaan kasvihuoneilmiön. Jos ilmakehän koostumus pysyy muuttumattomana, tämä ilmiö osaltaan pitää ilmaston vakaana, mutta jos kasvihuonekaasujen pitoisuudet muuttuvat, seurauksena voi olla ilmastonmuutos: niiden pitoisuuden kasvaessa (kuten nykyisin on tapahtumassa) ilmasto voi lämmetä maailmanlaajuisesti.
Hehkulampun säteilyn spektri on osittain päällekkäinen sekä Auringon että Maan säteilyspektrin kanssa. Osa volframilangan lähettämistä fotoneista vastaa mustan kappaleen 3 000 kelvinin lämpötilassa lähettämää säteilyä, ja ne ovat näkyvää valoa. Suurin osa energiasta poistuu lampusta kuitenkin fotoneina, joiden aallonpituus on suurempi; ne eivät mahdollista näkemistä, mutta lämmittävät lampun ympärillä olevaa tilaa. Aina kun sähkömagneettinen säteily ensin emittoituu ja sitten absorboituu, lämpöä siirtyy. Tähän perustuvat myös esimerkiksi mikroaaltouunit ja laserleikkaus.
Toisin kuin lämmön johtumisessa ja kuljettumisessa (konvektiossa), lämpösäteilyssä siirtyvä lämpö voidaan linssien tai peilien avulla keskittää pienelle alueelle. Tähän perustuukin keskitetty aurinkovoima. Periaatteessa tähän käy mikä tahansa kupera linssi, mutta vain Fresnelin linssi on käytännöllinen, kun linssin on oltava hyvin suuri. Sekä linssien että koverien peilien avulla vesi voidaan saada höyrystymään auringon valossa hyvinkin nopeasti. Esimerkiksi PS10-aurinkovoimalaa kuumennetaan peileistä heijastuvalla auringon valolla, ja päiväsaikaan se voi kuumentaa veden jopa 285 °C:n lämpötilaan.
Ilmiöt kappaleiden pinnalla Vaaleat ja valkoiset pinnat sekä metallit absorboivat vähemmän näkyvää valoa ja lämpenevät siten vähemmän kuin muut pinnat, mutta muutoin kappaleen väri ei paljonkaan vaikuta siihen, minkä verran se lämpenee muiden lähellä olevien tavanomaisissa lämpötiloissa olevien kappaleiden vaikutuksesta tai itse lämmittää niitä, sillä tällaisten kappaleiden lähettämän säteilyn taajuusjakauman huippu on infrapuna-alueella kaukana näkyvän valon taajuusalueelta. Kappaleiden emissiivisyydellä näillä taajuuksilla ei ole juuri mitään tekemistä sen kanssa, minkä väriseltä se näyttää; itse asiassa tällä kaukoinfrapunan alueella useimmilla kappaleilla on suuri emissiivisyys. Niinpä vaatteiden väri ei muulloin kuin suorassa auringon paisteessa juuri vaikuta siihen, kuinka lämpimiltä ne tuntuvat, eikä myöskään rakennusten ulkoseinien värillä ole suurta lämpötaloudellista vaikutusta muulloin kuin auringon paistaessa suoraan niihin.
Poikkeuksena edellisestä ovat kiiltävät metallipinnat, joilla on pieni emissiivisyys sekä näkyvillä että kaukoinfrapunasäteilyn taajuuksilla. Sellaisten pintojen avulla voidaan siis vähentää lämmön siirtymistä kumpaankin suuntaan. Esimerkiksi avaruusalukset eristetään tavallisesti tällaisella monikerroseristyksellä.
Myös rakennusten ikkunat on yritetty tehdä sellaisiksi, että ne lähettäisivät ulkoilmaan mahdollisimman vähän säteilyä. Tämä kuitenkin edellyttää jo kehittyneempää teknologiaa, sillä vaikka tällaisilla ikkunoilla tuleekin olla pieni emissiivisyys, niiden tulee kuitenkin päästää näkyvä valo lävitseen.
Nanostruktuureilla, joilla on spektrin suhteen selektiiviset lämpöeminanssiominaisuudet, on monia teknisiä sovelluksia energian tuotannossa ja tehokkaassa käytössä, esimerkiksi valokennojen ja rakennusten jäähdytyksessä. Näissä sovelluksissa tarvitaan suurta emitanssia niillä aallonpituusalueilla, jotka vastaavat ilmakehän läpinäkyvyysikkunaa 8 ja 13 mikrometrin välillä. Selektiivinen emitteri, joka säteilee voimakkaasti tällä aallonpituusalueella, asetetaan täten selkeän taivaan alle, jolloin se käyttää hyvin kylmää ulkoavaruutta lämpönieluna.
Ominaisuudet Lämpösäteilyä luonnehtivat seuraavat neljä perusominaisuutta: Kaikissa lämpötiloissa kappaleen lämpösäteily sisältää taajuuksia laajalta alueelta. Ideaalisen säteilijän taajuusjakauman antaa Planckin laki mustan kappaleen säteilystä. Se aallonpituus, jolla lähtevää säteilyä on eniten, on kääntäen verrannollinen kappaleen absoluuttiseen lämpötilaan. Tätä sanotaan Wienin siirtymälaiksi. Tarpeeksi korkeissa lämpötiloissa tämä huippukohta on näkyvän valon alueella, ja tällöin valon havaittu väri riippuu säteilyn taajuudesta ja sitä kautta kappaleen lämpötilasta. Niinpä punahehkuinen kappale lähettää infrapunasäteilyn ohella pääasiassa vain pitkäaaltoista (punaista ja oranssia) valoa. Jos sitä kuumennetaan edelleen, se alkaa lähettää myös vihreää ja sinistä valoa, ja kun sen säteily sisältää kaikkia näkyvän valon taajuuksia, näemme sen valkoisena; kappale on tällöin valkohehkuinen. Vielä 2000 kelvinin lämpötilassakin, jossa kappaleet ovat valkohehkuisia, noin 99 % niiden säteilyn energiasta on yhä infrapuna-alueella. Kaaviossa jokaisen käyrän huippu siirtyy vasemmalle lämpötilan kasvaessa. Lämpötilan noustessa kappaleen lähettämän säteilyn kokonaisteho kasvaa voimakkaasti, sillä se on verrannollinen kappaleen absoluuttisen lämpötilan neljänteen potenssiin. Tätä sanotaan Stefanin–Boltzmannin laiksi. Esimerkiksi keittiön uunin absoluuttinen lämpötila (600 K) on noin kaksi kertaa niin korkea kuin huoneilman (noin 300 K), ja näin ollen se lähettää pinta-alayksikköä kohti 16 kertaa niin paljon säteilyä. Hehkulampun hehkulangan lämpötila on noin 3 000 K eli noin 10 kertaa niin korkea kuin huoneilman, ja niinpä se lähettää pinta-alayksikköä kohti noin 10 000 kertaa niin paljon säteilyä. Kaaviossa kunkin käyrän alle jäävän alueen pinta-ala kasvaa voimakkaasti lämpötilan kohotessa.