第8章 热辐射的基本定律

1、传热学传热学 1 n主讲教师主讲教师： 李志生李志生 n广东工业大学广东工业大学 土木与交通工程学院土木与交通工程学院 传热学（第五版）传热学（第五版） Heat Transfer 第第8 8章章 热辐射的基本定律热辐射的基本定律 传热学传热学 3 本章主要内容本章主要内容 n1、基本概念 n2、热辐射的基本定律 传热学传热学 4 第一节第一节 基本概念基本概念 n1-1热辐射的本质和特点热辐射的本质和特点 n 热辐射热辐射：物体通过发射：物体通过发射电磁波电磁波传递热量传递热量 n 热射线热射线：=0.1100m，包括可见光、部分紫外，包括可见光、部分紫外 n 线和红外线，线和红外线，投射到

2、物体上能产生热效应投射到物体上能产生热效应。 n 传热学传热学 5 第一节第一节 基本概念基本概念 传热学传热学 6 n热辐射的特点热辐射的特点： n（1）所有温度大于所有温度大于0K的物体都具有辐射能力，的物体都具有辐射能力， 温度温度 越高，辐射能力越强。越高，辐射能力越强。 n（2）热辐射）热辐射不依靠中间介质不依靠中间介质，可以在真空中传，可以在真空中传 播。播。 n（3）物体间以热辐射方式进行的热量传递是）物体间以热辐射方式进行的热量传递是双双 向向的，的，并且伴随着能量形式的转换并且伴随着能量形式的转换 。 传热学传热学 7 n1-2吸收、反射和透 射 当热辐射投射到物体当热辐射投

3、射到物体 表面上时，一般会发表面上时，一般会发 生三种现象，即吸收、生三种现象，即吸收、 反射和穿透，如图所反射和穿透，如图所 示。示。 图图8-2 8-2 热射线的吸收、反射和透射热射线的吸收、反射和透射 传热学传热学 8 n吸收率(吸收比)n反射率(反射比)n透射率(透射比) 1 1 Q Q Q Q Q Q QQQQ 传热学传热学 9 黑体：黑体：物体能吸收全部的外来射线，物体能吸收全部的外来射线，=1 白体：白体：物体能反射全部外来射线，物体能反射全部外来射线，=1 透明体：透明体：物体能被外来射线所全部透射，物体能被外来射线所全部透射，=1 对于对于固体、液体：固体、液体：可认为可认为

4、=0，1 对于对于气体：气体：可认为可认为=0，1 传热学传热学 10 1-3 辐射强度和辐射力辐射强度和辐射力 辐射能的分布辐射能的分布 按按空间空间方向分布方向分布 按按波长波长分布分布 一、定向辐射强度一、定向辐射强度 立体角立体角：空间角度空间角度。单位单位为为sr（球面度）。（球面度）。 以立体角的角端为中心，作半径为以立体角的角端为中心，作半径为r的半球，将半的半球，将半 球表面上被立体角所切割的面积球表面上被立体角所切割的面积A除以半径的平方除以半径的平方 r2，即得到立体角的，即得到立体角的量度量度： 半球的立体角半球的立体角2 2 2 r A 传热学传热学 11 n微元立体角

5、 n n dd r drrd r dA d sin sin 2 2 2 图图8-3a dA1上某点对上某点对dA2所张的立体角所张的立体角 图图8-3b 定向辐射强度定向辐射强度 面积面积 dA=长长x 宽宽 传热学传热学 12 n定向辐射强度定向辐射强度(简称辐射强度）：简称辐射强度）：在某给定辐射在某给定辐射 方向上，单位时间、方向上，单位时间、单位可见单位可见辐射面积、在单位辐射面积、在单位 立体角内所发射全部波长的能量。立体角内所发射全部波长的能量。所谓可见辐射所谓可见辐射 面积，面积，是指站在给定辐射方向上是指站在给定辐射方向上所看到的（？）所看到的（？） 发射辐射能物体的表面积。发

6、射辐射能物体的表面积。 22 2 d,d, W/(msr) d dd d cos I AA n单位：单位：W/(m2.sr) 传热学传热学 13 光谱定向辐射强度（单色辐射强度）光谱定向辐射强度（单色辐射强度） ：在某给定辐射方在某给定辐射方 向上，单位时间、单位可见辐射面积，在波长向上，单位时间、单位可见辐射面积，在波长 附近附近 的的单位波长单位波长间隔内，单位立体角所发射的能量，称为光间隔内，单位立体角所发射的能量，称为光 谱定向辐射强度，又称为单色定向辐射强度。谱定向辐射强度，又称为单色定向辐射强度。 0 , dII 单位：单位：W/(m2.sr.m) 光谱定向辐射强度光谱定向辐射强度

7、和和定向辐射强度定向辐射强度的关系的关系 2 , d W/(msr m) d I I 传热学传热学 14 二、辐射力二、辐射力 定向辐射力：在定向辐射力：在某给定辐射方向上，某给定辐射方向上，单位时间内，物体单单位时间内，物体单 位辐射面积、在单位位辐射面积、在单位立体角立体角内所发射全波长的能量，称为内所发射全波长的能量，称为 定向辐射力定向辐射力 。 dAd d E ),( 2 单位：单位：W/(m2.sr) E cos IE nn IE 当（当（=0）时）时 因为因为定向辐射力定向辐射力是以发射辐射能物体的单位面积作为计算依据，而是以发射辐射能物体的单位面积作为计算依据，而 定向辐射强度

8、定向辐射强度是站在给定辐射方向所是站在给定辐射方向所看到的（相当于投影面积）看到的（相当于投影面积）单单 位面积，所以二者之间存在以下关系：位面积，所以二者之间存在以下关系： 传热学传热学 15 辐射力：辐射力：单位时间内，物体的单位时间内，物体的每单位辐射面积向每单位辐射面积向 半球空间半球空间所发射的所发射的全部波长全部波长的总能量。的总能量。 2 cos dIE 20 cosddIE E 单位：单位： W/m2 辐射力辐射力与与定向辐射强度定向辐射强度的关系的关系 辐射力辐射力与与单色辐射强度单色辐射强度的关系的关系 2 dEE 辐射力辐射力与与定向辐射力定向辐射力的关系的关系 传热学传

9、热学 16 0 dEE d dE E 光谱辐射力（单色辐射力）：光谱辐射力（单色辐射力）：单位时间内，物体的每单单位时间内，物体的每单 位面积，在波长位面积，在波长附近的附近的单位波长间隔单位波长间隔内，向半球空间所内，向半球空间所 发射全波长的能量。发射全波长的能量。 E单位：单位：W/(m2.m) 传热学传热学 17 20 , ddEE dd dE E 光谱定向辐射力（单色定向辐射力）：光谱定向辐射力（单色定向辐射力）：单位时间单位时间 内，物体的每内，物体的每单位面积单位面积、向半球空间的某给定辐、向半球空间的某给定辐 射方向上，在射方向上，在单位立体角单位立体角内所发射在波长内所发射在

10、波长附近附近 的的单位波长间隔内单位波长间隔内的能量。的能量。 , E 单位：单位：W/(m2.sr.m) cos , IE 传热学传热学 18 第二节 热辐射的基本定律 本节有本节有4个定律个定律， 用用黑体黑体来讨论，来讨论， 黑体用角标黑体用角标“b” 表示表示 图图8-4 人工黑体模型人工黑体模型 1.黑体概念黑体概念 黑体：黑体：是指能吸收投入到其面是指能吸收投入到其面 上的所有热辐射能的物体，是上的所有热辐射能的物体，是 一种科学假想的物体，现实生一种科学假想的物体，现实生 活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人 工制造出近似的人工黑体。工制造出近似的人工黑体。 传热

11、学传热学 19 第二节 热辐射的基本定律 一、普朗克定律一、普朗克定律 从量子理论出发，得出了黑体从量子理论出发，得出了黑体单色辐射力单色辐射力和和波长、波长、 热力学温度热力学温度之间的函数关系。之间的函数关系。 1 2 5 1 T C b e C E Km101.439C/m;mW10743. 3 4 2 48 1 C 式中，式中， 波长，波长，m ； T 黑体温度，黑体温度，K ； c1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.74210-16 W m2； c2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.438810-2 W K； 传热学传热学 20 图图8-5a 普朗克定律揭示的关系普朗克定律揭示的关系

12、 Eb=f (，T) 传热学传热学 21 图图8-5b Eb与与 T的函数关系的函数关系 传热学传热学 22 二、维恩位移定律二、维恩位移定律 Km6 .2897 max T 1891年，维恩（年，维恩（Wien)用热力学理论退出，黑体辐射的峰值用热力学理论退出，黑体辐射的峰值 波长波长 与热力学温度与热力学温度T之间的函数关系，可以用下式来表示。之间的函数关系，可以用下式来表示。max 传热学传热学 23 例题例题8-1 n例例8-1 ：测得对应于太阳最大光谱辐射力峰值：测得对应于太阳最大光谱辐射力峰值 的波长约为的波长约为0.503微米，若太阳可近似看成是微米，若太阳可近似看成是 黑体看待

13、，求太阳的表面温度。黑体看待，求太阳的表面温度。 传热学传热学 24 n解：太阳表面可近似看成黑体，解：太阳表面可近似看成黑体，则可则可 利用维恩定律，太阳表面温度为：利用维恩定律，太阳表面温度为： KT5761 503. 0 6 .28977 .2896 max 传热学传热学 25 二、维恩位移定律二、维恩位移定律 讨论讨论：利用维恩定律，可根据黑体的峰值波长求黑体温度，它：利用维恩定律，可根据黑体的峰值波长求黑体温度，它 可作为光谱测温的基础。可作为光谱测温的基础。 例如，可以解释金属加热时的颜色变化。在例如，可以解释金属加热时的颜色变化。在5000C以下，金属以下，金属 发出的基本都是红

14、外线，没有可见光，因此金属呈原色。在发出的基本都是红外线，没有可见光，因此金属呈原色。在 6000C，随着温度升高，金属相继呈现暗红、红、黄，温度超，随着温度升高，金属相继呈现暗红、红、黄，温度超 过过13000C时，开始发白。就是金属辐射发出的时，开始发白。就是金属辐射发出的可见光及可见光可见光及可见光 短波段的能量逐渐增加的缘故。短波段的能量逐渐增加的缘故。 传热学传热学 26 22 斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬玻尔兹曼定律 斯蒂芬玻尔兹曼定律表达式：斯蒂芬玻尔兹曼定律表达式： 24 0 5 1 0 W/m 1 2 Td e C dEE b T C bb 黑体辐射常数黑体辐射常数 24 W/m

15、) 100 ( T CE bb 黑体辐射系数黑体辐射系数 传热学传热学 27 T T c b b b b b Tb bbbb TfTd eT c T dE E E F EEdEE 0 5 1 4 0 )0( )0( )0()0()( )()( ) 1()( 2 12 2 1 21 工程上常计算某一工程上常计算某一波段范围内黑体的辐射能波段范围内黑体的辐射能及其及其在在 辐射力中所占的百分数辐射力中所占的百分数。 黑体辐射函数黑体辐射函数 见表见表8-1 )( Tf 传热学传热学 28 n表表8-1 ，黑体辐射函数表，黑体辐射函数表 n 表示波长从表示波长从0 的辐射能的辐射能 占到了百分之多少

16、！占到了百分之多少！ )0(Tb F 传热学传热学 29 例题例题8-3 n已知某太阳能集热器的透光玻璃在波长已知某太阳能集热器的透光玻璃在波长 =0.35微米到微米到 =2.7微米范围内的穿透比为微米范围内的穿透比为 85%，在此范围之外是不透射的。，在此范围之外是不透射的。试计算太试计算太 阳辐射对该玻璃的穿透比。阳辐射对该玻璃的穿透比。把太阳辐射作为把太阳辐射作为 黑体看待，它的表面温度为黑体看待，它的表面温度为5762K。 1 2 传热学传热学 30 传热学传热学 31 n解：解：利用黑体辐射函数表利用黑体辐射函数表8-1，计算某个波，计算某个波 长范围内的辐射能量。计算：长范围内的辐

17、射能量。计算： KmT7 .2016576235. 0 1 n查表查表8-1，可得，可得 %96. 60696. 0 )0( 1 Tb F 传热学传热学 32 n同样，同样，计算：计算： KmT4 .1555757627 . 2 2 n查表查表8-1，可得，可得 %17.979717. 0 )0( 2 Tb F 传热学传热学 33 n因此，透射在玻璃上的太阳辐射从波长因此，透射在玻璃上的太阳辐射从波长0.35微米微米 到到2.7微米范围内的能量，微米范围内的能量，占总能量的百分数为：占总能量的百分数为： %21.90%96. 6%17.97 )0()0( ) ( 12 12 TbTb TT b

18、 FFF n因此，该玻璃的太阳辐射穿透比为：因此，该玻璃的太阳辐射穿透比为： %68.76 1 %21.9085. 0 1 21 能量波长范围内透过玻璃的从 入射到玻璃上的辐射能 透过玻璃的辐射能 传热学传热学 34 n讨论讨论：一般集热器表面的温度不超过：一般集热器表面的温度不超过1000C（373K)， 因此集热器表面发出的长波辐射能无法穿透玻璃。因此集热器表面发出的长波辐射能无法穿透玻璃。因此，因此， 玻璃对短波透过、长波射线阻挡。玻璃对短波透过、长波射线阻挡。 n问题问题1、如果用这种玻璃作为房屋的窗户，又会如何？如果用这种玻璃作为房屋的窗户，又会如何？ n问题问题2、如果集热器表面与

19、玻璃之间保持真空或非真空，、如果集热器表面与玻璃之间保持真空或非真空， 集热器的散热损失又有什么变化？集热器的散热损失又有什么变化？ 传热学传热学 35 23 兰贝特余弦定律兰贝特余弦定律 把物体发射的定向辐射强度与方向无关的特性成为漫发射，把物体发射的定向辐射强度与方向无关的特性成为漫发射， 而反射的定向辐射强度与方向无关的性质称为漫反射，若而反射的定向辐射强度与方向无关的性质称为漫反射，若 某物体既有漫发射性质，又有漫反射性质，称为漫射表面。某物体既有漫发射性质，又有漫反射性质，称为漫射表面。 黑体在半球空间各方向上的辐射强度相等（黑体在半球空间各方向上的辐射强度相等（兰贝特兰贝特 余弦定

20、律）。余弦定律）。 n III 21 coscoscos nn EIIE 这是兰贝特定律的另外一个表达式，说明这是兰贝特定律的另外一个表达式，说明法线方向法线方向 的定向辐射力最大。的定向辐射力最大。 黑体的黑体的定向辐射力定向辐射力为：为： 传热学传热学 36 IddIdIE 2/ 0 2 02 sincoscos 黑体的黑体的定向辐射力定向辐射力随方向角按随方向角按余弦余弦规律变化，法向的规律变化，法向的 定向辐射力最大。定向辐射力最大。 除了黑体以外，只有除了黑体以外，只有漫辐射漫辐射表面才遵循兰贝特定律。表面才遵循兰贝特定律。 漫辐射漫辐射表面的辐射力为：表面的辐射力为： 说明：当物体

21、遵守兰伯特定律时，它在任何方向上的定向辐射强度说明：当物体遵守兰伯特定律时，它在任何方向上的定向辐射强度 都等于辐射力都等于辐射力E除以圆周率除以圆周率，即，即I=E/。 传热学传热学 37 24 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 一、实际物体的辐射发射率一、实际物体的辐射发射率 物体的物体的发射率发射率：实际物体的辐射力与同温度下的黑：实际物体的辐射力与同温度下的黑 体的辐射力之比。体的辐射力之比。 传热学传热学 38 Tb T T bb bb E E E E E E E E E E , , , , , , T 时单色定向发射率温度为 单色定向发射率定向发射率 单色发射率发射率 44 ) 100 (

22、 T CTEE bbb 实际物体的辐射力实际物体的辐射力 n n 对非金属表面对非金属表面 = =（0.950.951.01.0） 对磨光金属表面对磨光金属表面 = =（1.01.01.21.2） n 传热学传热学 39 灰体：灰体：物体物体单色辐射力单色辐射力与同温度黑体单色辐射力与同温度黑体单色辐射力 随波长的随波长的变化曲线相似变化曲线相似，或它的，或它的单色发射率不随单色发射率不随 波长变化波长变化。 常数 灰体也是理想化的物体灰体也是理想化的物体 传热学传热学 40 图图8-9 实际物体在各个方向上发射率的变化实际物体在各个方向上发射率的变化 （a）非导体；（）非导体；（b）导电体）

23、导电体 1融冰；融冰；2玻璃；玻璃；3黏土；黏土；4氧化亚铜；氧化亚铜；5铋；铋；6铝青铜；铝青铜；7铁（钝化）铁（钝化） 传热学传热学 41 本节中，还有几点需要注意本节中，还有几点需要注意 将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂， 很难理论确定，实际上是一种权宜之计；很难理论确定，实际上是一种权宜之计； 服从服从LambertLambert定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的 定向发射率并不完全符合定向发射率并不完全符合LambertLambert定律，但仍然近似地认定律，但仍然近似地认 为大多数工程材料服从为大多数工程材料服从LambertLambert定律，这有许多原因；定律，这有许多原因； 1.1.物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。 这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外 界条件。界条件。 传热学传热学 42 二、