第六热辐射的基本定律

1、School of Energy & Power Engineering Heat Transfer 主讲教师：徐志祥School of Energy & Power Engineering School of Energy & Power Engineering 第一章 绪 论 第二章 导热基本定律和稳态导热 第三章 非稳态导热第四章 对流换热原理第五章 单相流体对流换热特征数关联式第六章 热辐射基本定律第七章 辐射换热计算School of Energy & Power Engineering School of Energy & Power Eng

2、ineering 热辐射热辐射是三种基本的热量传递方式之一，它的传热机理与热传导、热对流热传导、热对流有着根本的不同。 热传导热传导是依靠分子、原子以及自由电子等微观粒子的热运动而进行的热量传递的现象，热对热对流流靠的是流体的宏观运动，而辐射辐射靠的是电磁波的运动。因此，它的研究方法也有着自身的特点。 School of Energy & Power Engineering 任何物体只要温度高于绝对零度，它就能源源不断地以热辐射热辐射的方式向外界辐射能量，同时它也不断地吸收投射到自己身上的热辐射。 因此，热辐射热辐射是一种非常普遍的热量传递现象，辐射传热问题也在工程领域和科学研究中普遍

3、存在，尤其是高温物体传热、红外加热技术、航空航天工程、辐射采暖等领域中占有非常重要的地位。 School of Energy & Power Engineering 取取 暖暖School of Energy & Power Engineering 冶金过程中的热辐射冶金过程中的热辐射School of Energy & Power Engineering 太阳辐射太阳辐射School of Energy & Power Engineering 太阳能热水器太阳能热水器School of Energy & Power Engineering 热像图热像图

4、School of Energy & Power Engineering 便携式红外摄像仪便携式红外摄像仪School of Energy & Power Engineering 第六章第六章 热辐射的基本定律热辐射的基本定律 6.1 6.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 6.2 6.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 6.36.3 基尔霍夫定律基尔霍夫定律School of Energy & Power Engineering 6.1.1 6.1.1 热辐射的定义和特点热辐射的定义和特点、基本概念、基本概念辐射辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式：物体通过电

5、磁波来传递能量的方式。热辐射热辐射: :由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。辐射传热辐射传热: :物体之间相互辐射和吸收的总效果。物体之间相互辐射和吸收的总效果。 School of Energy & Power Engineering 、特点、特点 不需要物体直接接触。热辐射不需中间介质，可以在真不需要物体直接接触。热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。 在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。

6、量形式的转化。辐射：辐射体内热能辐射：辐射体内热能辐射能；辐射能；吸收：辐射能吸收：辐射能受射体内热能受射体内热能 只要温度大于零就有能量辐射。不仅高温物体向低温只要温度大于零就有能量辐射。不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。 物体的辐射能力与其温度性质有关，与绝对温度的四物体的辐射能力与其温度性质有关，与绝对温度的四次方成正比。次方成正比。 School of Energy & Power Engineering 6.1.2 6.1.2 从电磁波的角度描述热辐射的特性从电磁波的角度描述热辐射的特性电磁波的传播速

7、度：电磁波的传播速度： C = f C = f 式中：式中：f f 频率，频率，s s-1-1; ; 波长，波长，mm1 1、传播速率与波长、频率间的关系、传播速率与波长、频率间的关系School of Energy & Power Engineering 2 2、电磁波的波谱、电磁波的波谱热辐射热辐射：0.1100m ，包括可见光线、部分紫外线，包括可见光线、部分紫外线和红外线和红外线 0 0.38 .38 图图1 1 电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱0 0.76 .76 School of Energy & Power Engineering 红外辐射的应用红外辐射的应用

8、以波长以波长4 4mm为界，分为近红外线和远红外线为界，分为近红外线和远红外线1 1、2020世纪世纪7070年代发展的远红外线加热技术年代发展的远红外线加热技术2 2、微波：、微波：1mm1mm1 1m m 3 3、 1 1m m的电磁波广泛应用于无线电技术中。的电磁波广泛应用于无线电技术中。School of Energy & Power Engineering 科学家首次观察到光的波粒二象性的统一科大 郭光灿院士School of Energy & Power Engineering 当热辐射投射到物件上时，遵循着可见光的规律，其中当热辐射投射到物件上时，遵循着可见光的规

9、律，其中部分被物体吸收，部分被反射，其余则透过物体。部分被物体吸收，部分被反射，其余则透过物体。 11QQQQQQQQQQ3. 3. 物体表面对电磁波的作用物体表面对电磁波的作用 物体对热辐射的吸收反射和穿透物体对热辐射的吸收反射和穿透（1 1）吸收比、反射比和穿透比之间的一般关系）吸收比、反射比和穿透比之间的一般关系吸收比吸收比 反射比反射比 穿透比穿透比School of Energy & Power Engineering 对于对于大多数的固体和液体大多数的固体和液体：1,01,0对于对于不含颗粒的气体不含颗粒的气体：固体和液体对投入辐射的吸收和反射特性，具有在固体和液体对投入辐

10、射的吸收和反射特性，具有在物体表面上进行的特点，而不涉及物体内部。物体表面上进行的特点，而不涉及物体内部。气体的辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状气体的辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状况无关紧要。况无关紧要。School of Energy & Power Engineering （2 2）固体表面的两种反射）固体表面的两种反射镜面反射：入射角镜面反射：入射角= =反射角，表面粗糙度反射角，表面粗糙度 波长波长一般工程材料均形成漫反射。一般工程材料均形成漫反射。图图3 3 漫反射漫反射图图2 2 镜反射镜反射School of Energy & Power Engin

11、eering 为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型：为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型：黑黑 体：体： =1 =0 =0；白白 体：体： =0 =1 =0；透明体透明体: =0 =0 =1 自然界和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白自然界和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白体和透明体虽然并不存在，但和它们相象的物体却是有的。体和透明体虽然并不存在，但和它们相象的物体却是有的。例如，煤炭的吸收比达到例如，煤炭的吸收比达到0.960.96，磨光的金子反射比几乎等，磨光的金子反射比几乎等于于0.980.98，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。6.1.

12、3 6.1.3 黑体模型及其重要性黑体模型及其重要性School of Energy & Power Engineering 具有一个小孔的等温空腔表面，若有外部投射辐射从小孔具有一个小孔的等温空腔表面，若有外部投射辐射从小孔进入空腔内，必将在其内表面经历无数次的吸收和反射，进入空腔内，必将在其内表面经历无数次的吸收和反射，最后能够从小孔重新选出去的辐射能量必定微乎其微。认最后能够从小孔重新选出去的辐射能量必定微乎其微。认为几乎全部入射能量都被空腔吸收殆尽。从这个意义上讲，为几乎全部入射能量都被空腔吸收殆尽。从这个意义上讲，小孔非常接近黑体的性质小孔非常接近黑体的性质。黑体具有最大的吸

13、收力黑体具有最大的吸收力(=1)，同时亦具有最大的辐射力，同时亦具有最大的辐射力(=1)。在实际物体中不存在绝对黑体，为此引出人工黑体。在实际物体中不存在绝对黑体，为此引出人工黑体。School of Energy & Power Engineering 6.1.4 两个重要的辐射参数 1辐射力辐射力 定义：定义：单位时间内，物体每单位表面积向表面上半球空间所有方向发射的全部波长的电磁波能量的总和 ，用 E 表示，单位 。2/W m 很明显辐射力的数值表征了物体发射辐射能的本领。下面我们会讲到，它不是一个常数，对于某一个物体，不同的温度，其辐射能力也是不同的。 黑体辐射力：黑体辐射力：

14、EbSchool of Energy & Power Engineering 2. 单色辐射力单色辐射力 定义：定义：单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的包含波长在内的单位波长内的能量称为单色辐射力： 由 的定义可知，E 与 存在着积分关系，辐射力是各种波长的单色辐射力沿波长的积分：E3/dEEWmdEE20/EEdW mSchool of Energy & Power Engineering 物体发射出的是 这一波段的辐射能 又是多少呢？ 1212E21212/EEdW mSchool of Energy & Power Engineering 本

15、节我们着重讨论黑体辐射的两个基本定律，即斯蒂芬玻尔兹曼定律，普朗克定律，这两个定律分别给出了黑体辐射的总能量的计算方法以及其按波长的分布。 School of Energy & Power Engineering 6.2.1 斯蒂芬玻尔兹曼定律（四次方定律）（四次方定律）1定义式定义式式中 称为黑体辐射系数 T 为黑体的热力学温度； 为黑体在某温度的辐射力； 称为黑体辐射常数 bEbbc4bbET42/100bTcW m8245.67 10/bWmK245.67/bcWmK 由此可见，Eb 是与黑体绝对温度的四次方成正比的。School of Energy & Power En

16、gineering 2实际物体的辐射力实际物体的辐射力 实际物体的辐射力也同温度有关，但从各个试验结果发现，实际物体的辐射力并不严格的同热力学温度的四次方成正比，而且对于不同的物体是多少次方也不是一定的，这在计算时极不方便。为此，人们定义了发射率这一概念。 发射率（黑度）发射率（黑度） ： 任一物体的辐射力 E 与同温度下黑体的辐射力 Eb 之比称之为该物体的发射率，即： bE ESchool of Energy & Power Engineering 有了黑度的定义，我们就可以将斯蒂芬玻尔兹曼定律近似的用于实际物体的计算，即： 42/bbEETW m说明：说明： 发射率的值介于01之

17、间，具体数值由实验测定，它表征了物体辐射力接近同温度下黑体辐射力的程度。 School of Energy & Power Engineering 物体的发射率是受温度影响的 ；氧化铝表面氧化铝表面 50 500 0.20.3 表面状况对发射率也有很大的影响 ； 大部分非金属材料和表面氧化的金属材料的发射率都较高，一般为0.750.95，且与表面状况关系不大 。黄铜表面黄铜表面 无光泽 0.220.05磨光 School of Energy & Power Engineering 6.2.2 普朗克定律 物体的辐射力在各个波长上分布是不均匀的，也就是说物体发射不同热射线的能力也

18、有所不同。揭示黑体辐射能量按波长的分布规律。揭示黑体辐射能量按波长的分布规律。 1定义式定义式251,1bcTcEfTe式中 称为第一辐射常数； 称为第二辐射常数；16213.742 10cW m221.439 10cm KSchool of Energy & Power Engineering 普朗克定律的图示普朗克定律的图示 单色辐射单色辐射力先随波长增力先随波长增加而增大，过加而增大，过峰值后随波长峰值后随波长增加而减小。增加而减小。School of Energy & Power Engineering 维恩位移定律 ： 根据维恩位移定律，利用光学仪器测得某黑体表面最大

19、光谱辐射力的波长后，可以算出该黑体表面的温度。如：如：已知太阳 ，可得出太阳表面 T = 5795.2 K。max0.5mmax2897.6Tm KSchool of Energy & Power Engineering 随着温度的升高，辐射力中可见光的份额逐渐增多，热物体的亮度逐渐发生变化。School of Energy & Power Engineering 分析：分析： 黑体发射的光谱是一系列的连续光谱 ；bE 某温度下的黑体辐射力等于该温度对应的曲线下的面积，温度越高，辐射力越大温度越高，辐射力越大。斯蒂芬斯蒂芬玻尔玻尔兹曼定律兹曼定律4200/bbbEE ddTW

20、mSchool of Energy & Power Engineering 【解解】应用维恩位移定律应用维恩位移定律T=2000K时时 max=2.9 103/2000=1.45 mT=5800K时时 max=2.9 103/5800=0.50 m常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区【例例】试分别计算温度为试分别计算温度为2000K和和5800K的黑的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长。体的最大光谱辐射力所对应的波长。School of Energy & Power

21、 Engineering 2黑体辐射函数黑体辐射函数 定义：定义：在 的波长范围内黑体发出的辐射能在其辐射力中所占的份额。 0 0004bbbbbE dEFET225101040511cTTbcTbbcdceFdTTTe由普朗克定律可得：由此可见，黑体辐射函数是波长与温度乘积黑体辐射函数是波长与温度乘积 的函数的函数。TSchool of Energy & Power Engineering 黑体波段辐射函数2112122100004bbbbbbbbE dE dEFFFET121221()()(0)(0)()bbbbbbEFEFFE在实际中，有时需求出某一特定波在实际中，有时需求出某一

22、特定波长的辐射能量。如图中的在长的辐射能量。如图中的在 1 1和和 2 2之间的线下面积。黑体在波长之间的线下面积。黑体在波长1 1和和2 2区段内所发射的辐射力区段内所发射的辐射力：21dEEbb特定波长区段内的黑体辐射力特定波长区段内的黑体辐射力=School of Energy & Power Engineering 、Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律定律：确定黑体辐射力：确定黑体辐射力、PlanckPlanck定律定律：黑体辐射能量按波长分布规律：黑体辐射能量按波长分布规律维恩位移定律维恩位移定律：确定黑体的光谱辐射力峰值所对应的最大：确定黑

23、体的光谱辐射力峰值所对应的最大波长。波长。黑体辐射基本定律小结黑体辐射基本定律小结 School of Energy & Power Engineering 6.3.1 实际物体的辐射、吸收特性 辐射方面：辐射方面： 实际物体的单色辐射力 随着波长和温度的变化是不规则的； E 单色发射率bEE 实际物体的单色辐射力与同温度下黑体的单色辐射力之比。 12School of Energy & Power Engineering 实际物体的单色发射率实际物体的单色发射率1School of Energy & Power Engineering 投入辐射投入辐射：单位时间内投射

24、到单位表面积上的总辐射能：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 实际物体的吸收比实际物体的吸收比吸收比吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用 表示表示)(投入辐射投入的能量吸收的能量实际物体吸收率不仅与实际物体吸收率不仅与物体本身的情况物体本身的情况有关，还取决于投射有关，还取决于投射辐射的特性。辐射的特性。 物体本身的情况物体本身的情况：物质种类、物体温度和表面状况。：物质种类、物体温度和表面状况。School of Energy & Power Engineering ( ) 吸收的某一特定波长的能量投入的某一特定波长的能量1 1、单色

25、吸收比、单色吸收比：物体吸收某一特定波长的辐射能的百分：物体吸收某一特定波长的辐射能的百分数称为单色吸收比，也叫光谱吸收比。光谱吸收比随波长数称为单色吸收比，也叫光谱吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。金属导电体金属导电体非导电体材料非导电体材料实际物体光谱吸收比同波长的关系实际物体光谱吸收比同波长的关系School of Energy & Power Engineering 物体的光谱吸收比随波长而异的这种特性称为物体的光谱吸收比随波长而异的这种特性称为物体的吸收具物体的吸收具有选择性有选择性。2 2、实际物体的吸收

26、具有选择性、实际物体的吸收具有选择性工程应用：塑料膜大棚、暖房、焊接时工程应用：塑料膜大棚、暖房、焊接时生活中的例子：颜色生活中的例子：颜色School of Energy & Power Engineering 温温 室室 效效 应应School of Energy & Power Engineering 思考题：思考题：火星与地球离太阳的距离相当，为什么与地球相比，火星上的昼夜温差要大的多？ School of Energy & Power Engineering 答案：答案：因为地球表面的大气层起到了温室效应的作用，而火星表面没有大气层，因此昼夜温差较大。Scho

27、ol of Energy & Power Engineering 根据前面的定义可知，根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质和温物体的吸收比除与自身表面性质和温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标。设下标1 1、2 2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1 1的的吸收比为吸收比为)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性质表面的性质，表面投入的总能量吸收的总能量TTfTETTETTbb实际物体吸收的选择性对辐射传热计算造成的困难实际物体吸收

28、的选择性对辐射传热计算造成的困难School of Energy & Power Engineering 如果投入辐射来自黑体，由于如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为，则上式可变为1),(2Tb12212001222001204212( , )( ,)( )d( , )( )d( ,)( )d( )d( , )( )d( ,1)bbbbbbbTT ETT ETT ETETT ETTf T T 表面的性质 School of Energy & Power Engineering 由于 是随着波长不断变化的，因此一个表面的总吸收率 除了与物体自身的性质物体自身的性质有关，还

29、取决于投射辐射投射辐射，取决于投射辐射按波长的分布投射辐射按波长的分布，这就给实际物体的辐射换热计算带来了很大的困难，而基尔霍夫定律的提出就为这一困难的解决奠定了基础。 School of Energy & Power Engineering 6.3.2 基尔霍夫定律 黑黑体体1实实际际表表面面2bEEbE1bE 由于板1、板2温度相等，所以系统处于一个热平衡状态，板2发射的辐射能与吸收的辐射能应该相等，即： TTbEEbEESchool of Energy & Power Engineering 发射率发射率 描述为：描述为：热平衡条件下，任何物体的辐射力与它热平衡条件下，任

30、何物体的辐射力与它对来自同温度黑体辐射的吸收比的比值，与物性无关，对来自同温度黑体辐射的吸收比的比值，与物性无关，仅取决于温度，恒等于同温度下黑体的辐射力。仅取决于温度，恒等于同温度下黑体的辐射力。 推论推论1：同温度下，一切物体的辐射力以黑体的辐射：同温度下，一切物体的辐射力以黑体的辐射 力最大；力最大； 推论推论2：物体的辐射力越大，其吸收比越大。：物体的辐射力越大，其吸收比越大。bEESchool of Energy & Power Engineering 在热平衡条件热平衡条件下，任意物体对黑体的吸收比对黑体的吸收比等于同温度下该物体的发射率。 语言描述：语言描述：6.3.3 6.3.3 灰体灰体 定义：定义：单色吸收率与波长无关单色吸收率与波长无关，即 的物体。 constSchool of Energy & Power Eng