第8章热辐射基本定律和辐射特性

1、第第8 8章章 热辐射基本定律和辐射特性热辐射基本定律和辐射特性8.1 8.1 热辐射现象的基本概念热辐射现象的基本概念8.1.1 8.1.1 热辐射的定义及区别于导热对流的特点热辐射的定义及区别于导热对流的特点热辐射热辐射：由电磁波传递能量；：由电磁波传递能量； （可在真空中传递，能量形式发生变化）（可在真空中传递，能量形式发生变化） 与热运动有关。与热运动有关。 （温度高，热运动剧烈，物体辐射电磁波较强）（温度高，热运动剧烈，物体辐射电磁波较强）辐射传热辐射传热： 微观带电粒子热运动时，发出电磁波，微观带电粒子热运动时，发出电磁波， 将热能转变为将热能转变为辐射能辐射能。 微观带电粒子吸收

2、电磁波，热运动加剧，微观带电粒子吸收电磁波，热运动加剧， 将辐射能转变为热能。将辐射能转变为热能。8.1.2 8.1.2 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1. 1. 传播速率与波长、频率间的关系传播速率与波长、频率间的关系真空中真空中光速光速 ，大气中略低。，大气中略低。sm1038 c热辐射的本质是电磁波：热辐射的本质是电磁波：波速、波长和频率的关系：波速、波长和频率的关系： fc f频率频率， 、 ；1s Hz 波长波长， 、 ；mm2. 2. 电磁波的波谱电磁波的波谱热辐射的波长范围：热辐射的波长范围：m1001 . 0 工业应用：工业应用： ， （红外线）（

3、红外线）m1008 . 0K2000 T 太阳辐射：太阳辐射： ， （可见光）（可见光）m21 . 0K5800 T近红外线近红外线： ，远红外线远红外线：m258 . 0m100253. 3. 物体表面对电磁波的作用物体表面对电磁波的作用（1 1）吸收比、反射比与穿透比之间的一般关系）吸收比、反射比与穿透比之间的一般关系热辐射投射到物体表面上：吸收、反射、穿透热辐射投射到物体表面上：吸收、反射、穿透入射总能入射总能 ：吸收：吸收 、反射、反射 、穿透、穿透Q Q Q Q QQQQ 1 QQQQQQ 1 吸收比吸收比 ： QQ 黑体黑体： ，理想吸收体。，理想吸收体。1 一般：一般： ， 固体

4、、液体在表面吸收，气体在内部吸收。固体、液体在表面吸收，气体在内部吸收。1 反射比反射比 ： QQ 镜体镜体： ，理想反射体。，理想反射体。1 气体：气体： ，0 1 两类反射：两类反射：镜面反射镜面反射：磨光表面，遵循反射定律。：磨光表面，遵循反射定律。漫反射漫反射：一般表面，粗糙度大于波长。：一般表面，粗糙度大于波长。注意：（注意：（a a）漫反射中）漫反射中 ，白体白体； （b b）工业材料表面都为漫反射。）工业材料表面都为漫反射。1 穿透比穿透比 ： QQ 透明体透明体： ，理想透明体。，理想透明体。固体、液体：固体、液体： ，1 0 1 8.1.3 8.1.3 黑体模型及其重要性黑体

5、模型及其重要性黑体：黑体： ，无反射，常为黑色；，无反射，常为黑色； 典型的热辐射模型，典型的热辐射模型， 研究黑体可得到热辐射规律。研究黑体可得到热辐射规律。1 黑体模型：带有空腔的小孔。黑体模型：带有空腔的小孔。 热辐射由小孔射入，热辐射由小孔射入， 空腔吸收全部辐射能，空腔吸收全部辐射能， 从小孔反射出来的能量可忽略。从小孔反射出来的能量可忽略。 此外：空腔内壁热辐射能量由小孔射出，此外：空腔内壁热辐射能量由小孔射出， 在小孔外侧，可测黑体空腔的热辐射。在小孔外侧，可测黑体空腔的热辐射。注意：黑体吸收能力最强，其辐射能力也最强。注意：黑体吸收能力最强，其辐射能力也最强。8.2 8.2 黑

6、体热辐射的基本定律黑体热辐射的基本定律8.2.1 8.2.1 斯忒藩斯忒藩- -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律关于热辐射：关于热辐射： 物体表面向空间发射、吸收辐射能物体表面向空间发射、吸收辐射能半球空间半球空间； 物体热辐射各种波长的辐射能，但强度不同。物体热辐射各种波长的辐射能，但强度不同。辐射力辐射力 ： 单位时间、单位面积上辐射的总能量。单位时间、单位面积上辐射的总能量。 注意：包括全部波长、半球空间所有方向。注意：包括全部波长、半球空间所有方向。E 2mW黑体辐射力：黑体辐射力：404100 TCTEb 黑体辐射系数黑体辐射系数： 420KmW67. 5 C8.2.2 8.2.2 普朗克定

7、律普朗克定律1.1.光谱辐射力光谱辐射力 ： E mmW2 单位时间，单位表面积，单位时间，单位表面积，包含包含 的单位波长范围的辐射能。的单位波长范围的辐射能。 表明波长表明波长 的电磁波的辐射能力。的电磁波的辐射能力。 2.2.普朗克定律普朗克定律：由量子理论推得：由量子理论推得 黑体光谱辐射力黑体光谱辐射力 1251 TcecE 第一辐射常量第一辐射常量 2161mW107419. 3 c第二辐射常量第二辐射常量 Km104388. 122 c维恩位移定律维恩位移定律： 黑体的光谱辐射力存在峰值黑体的光谱辐射力存在峰值 0dd EKm109 . 23 Tm 最大光谱辐射力的波长最大光谱辐

8、射力的波长； 温度升高，温度升高， 向短波移动。向短波移动。 （一般物体类似）（一般物体类似） m m 3.3.普朗克定律与普朗克定律与 斯忒藩斯忒藩- -玻耳兹曼定律的关系玻耳兹曼定律的关系 40dTEEbb m 4. 4. 黑体辐射能按波段的分布黑体辐射能按波段的分布 在在 波长范围内辐射能：波长范围内辐射能： 0 d00 bbEE 黑体辐射函数黑体辐射函数： TfTEEEFbbbb 4000d即：在即：在 内的辐射能所占的百分比。内的辐射能所占的百分比。 0 在在 波长范围内辐射能：波长范围内辐射能：21 bbbbbbEFFEFE12212100 8.2.3 8.2.3 兰贝特定律兰贝特

9、定律1. 1. 立体角立体角 ： 电磁波沿直线传播，电磁波沿直线传播，在同一锥体内，不同面积上的辐射能相同。在同一锥体内，不同面积上的辐射能相同。2drdAc 单位：空间度单位：空间度sr 是垂直是垂直 的面积；的面积； 半球空间半球空间 。cAdr 2 在球坐标系中：在球坐标系中： dsinddrrAc ddsind 纬度角纬度角经度角经度角2. 2. 定向辐射强度定向辐射强度可见辐射面积可见辐射面积：对辐射面积：对辐射面积 ，法线方向法线方向可见辐射面积最大可见辐射面积最大 方向方向可见辐射面积可见辐射面积AdAdp cosdAnp Ad cosdA定向辐射强度定向辐射强度 ：（表示某一方

10、向辐射强度）：（表示某一方向辐射强度） 在某一方向上，单位时间内，在某一方向上，单位时间内， 单位可见辐射面积单位可见辐射面积上辐射出去的，上辐射出去的， 落在落在单位立体角单位立体角内的辐射能。内的辐射能。I在与辐射面法向成在与辐射面法向成 角的方向上：角的方向上： dcosdd AI单位：单位： srmW2 3. 3. 兰贝特定律（余弦定律）兰贝特定律（余弦定律）实验测定表明：黑体的定向辐射强度是个常量。实验测定表明：黑体的定向辐射强度是个常量。 IA dcosdd余弦定律：余弦定律： cosdddIA 即：从单位辐射面积上发出的辐射能，即：从单位辐射面积上发出的辐射能， 在空间各个方向上

11、是不同的。在空间各个方向上是不同的。4. 4. 兰贝特定律与斯忒藩兰贝特定律与斯忒藩- -玻耳兹曼定律间的关系玻耳兹曼定律间的关系对半球空间，黑体辐射力：对半球空间，黑体辐射力： 2ddAEb ddsincosdcos22 bbII 2020dsincosd bI bbIE （单位时间，单位面积辐射能）（单位时间，单位面积辐射能）P363例题例题8-3 试分别计算温度为试分别计算温度为1000K、1400K、3000K、6000K、时可见光和红外线辐射在黑体总辐射中所占的份额。时可见光和红外线辐射在黑体总辐射中所占的份额。解解：以：以 时，黑体辐射可见光为例：时，黑体辐射可见光为例：K3000

12、可见光波长范围可见光波长范围m76. 0m38. 0Km1140300038. 011 T %14. 010 bFKm2280300076. 022 T %7 .1110 bF %64.11122100 bbbFFF）（m76. 038. 0 ）（m100076. 0 P364例题例题8-4 如图所示，有一个微元黑体面积如图所示，有一个微元黑体面积dAb=10-3m2，与该黑，与该黑体表面相距体表面相距 0.5m 处另有三个微元面积处另有三个微元面积dA1、dA2、dA3，面积均为，面积均为10-3m2，该三个微元面积的空间方位如图中所示。试计算从，该三个微元面积的空间方位如图中所示。试计算从

13、dAb发发出分别落在出分别落在dA1、dA2与与dA3对对dAb所张的立体角中的辐射能量。所张的立体角中的辐射能量。解解： 立体角：立体角：2o1130cosddrA 2o220cosddrA sr1000. 43 bdA1dA2dA3dAro60o45o30sr1046. 33 sr1000. 43 2o330cosddrA srmW70002 IbdA1dA2dA3dAro60o45o30 辐射能：辐射能：1o1d60cosdd bAI 2o2d0cosdd bAI 3o3d45cosdd bAI srmW70002 IW1021. 12 W1080. 22 W1098. 12 8.3 8

14、.3 固体和液体的辐射特性固体和液体的辐射特性8.3.1 8.3.1 实际物体的辐射力实际物体的辐射力固体与液体热辐射特性相似，与气体辐射相差很大。固体与液体热辐射特性相似，与气体辐射相差很大。bEE 实际物体的辐射力实际物体的辐射力 与同温度下的黑体不同。与同温度下的黑体不同。定义，定义，发射率发射率（黑度黑度）：）：注意：注意： 表明物体的辐射特性，与环境无关。表明物体的辐射特性，与环境无关。 E实际物体：实际物体：4TEEb 8.3.2 8.3.2 实际物体的光谱辐射力实际物体的光谱辐射力实验发现：实际物体的光谱辐射力实验发现：实际物体的光谱辐射力 与黑体不同，与黑体不同， 但总的变化趋

15、势但总的变化趋势定性关系基本一致。定性关系基本一致。 E定义，定义，光谱发射率光谱发射率（单色黑度单色黑度）：）： bEE 光谱发射率与发射率关系：光谱发射率与发射率关系： 40dTEEEbb 注意：实验发现注意：实验发现 与温度有关。与温度有关。 8.3.3 8.3.3 实际物体的定向辐射强度实际物体的定向辐射强度实际物体的定向辐射强度实际物体的定向辐射强度 ，在不同方向发生变化。，在不同方向发生变化。 I定义，定义，定向发射率定向发射率（定向黑度定向黑度） ： bII 与辐射面法线的夹角与辐射面法线的夹角 1. 1. 定向发射率随定向发射率随 角的变化规律角的变化规律 黑体：黑体： 定向辐

16、射强度为常量，定向辐射强度为常量， 1 漫射体漫射体： 定向辐射强度为常量，定向辐射强度为常量， 1 0 . 10 . 1 黑体黑体漫射体漫射体， 开始增大开始增大 金属导体：理论分析与实验基本一致（极坐标）金属导体：理论分析与实验基本一致（极坐标） 常常量量 o40 ， o40 0 o90 ， 开始减小开始减小 常常量量 o60 ， o60 0 o90 ， 非导电体：非导电体：1-1-潮湿的冰潮湿的冰2-2-木材木材3-3-玻璃玻璃4-4-纸纸5-5-粘土粘土6-6-氧化铜氧化铜7-7-氧化铝氧化铝定向辐射强度定向辐射强度 ： 指从单位可见面积发射出去的，指从单位可见面积发射出去的， 落在空

17、间任意方向的单位立体角中的能量。落在空间任意方向的单位立体角中的能量。2. 2. 定向发射率定向发射率 与半球平均发射率与半球平均发射率 间的关系间的关系 I bbIdIEE 2 22ddbbII说明：说明： 理论和实验表明：理论和实验表明： 在大半个半球空间基本为常量在大半个半球空间基本为常量 nM ， 修正系数修正系数M 实验测定：实验测定： 金属金属 （高度磨光取上限）（高度磨光取上限） 非金属非金属 （粗糙表面取上限）（粗糙表面取上限）3 . 10 . 1 M0 . 195. 0 M工程计算中：工程计算中： ，0 . 1 Mn 因此：工程中一般给出法向发射率，并看成是漫射体。因此：工程

18、中一般给出法向发射率，并看成是漫射体。3. 3. 影响物体发射率的因素影响物体发射率的因素 物质种类；物质种类； 表面温度；表面温度； 表面状况表面状况P370例题例题8-6 实验测得实验测得2500K钨丝的法向一单色发射率如图所示，试钨丝的法向一单色发射率如图所示，试计算其辐射力及发光效率。计算其辐射力及发光效率。解解： 发射率：发射率：bbEEEEE 220dd bbbEEE 220dd 20202201dd2121 bbbbbbFFEEEE 6337. 020 bFP P360360表表8-18-1 322. 01202021 bbFF 2540mW1013. 7100 TCEEb Km

19、5000K2500m2 T 可见光范围可见光范围m76. 038. 0由图得发射率由图得发射率45. 0 Km950250038. 01 T 0003. 038. 00 bFKm1900250076. 02 T 0521. 076. 00 bF 4038007600100TCFFEE.b.bb %27. 70727. 0 EE 8.4 8.4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系8.4.1 8.4.1 实际物体的吸收比实际物体的吸收比黑体：黑体： ， ， ；1 b 1 b bb 实际物体：实际物体： ， ，1 1 ? 投入辐射投入辐射 ：单位时间，外界投入到物体

20、上单位面积的辐射能。：单位时间，外界投入到物体上单位面积的辐射能。Q吸收比吸收比 ：物体对投入辐射所吸收的百分比。：物体对投入辐射所吸收的百分比。 取决于两因素：取决于两因素： 吸收物体的特性：种类、表面温度、表面状况；吸收物体的特性：种类、表面温度、表面状况； 投入辐射的特性：波长范围、能量分布。投入辐射的特性：波长范围、能量分布。 1. 1. 光谱吸收比光谱吸收比实验表面：实际物体对不同波长的辐射能，其吸收不同。实验表面：实际物体对不同波长的辐射能，其吸收不同。 指对所有波长的辐射能吸收的平均值。指对所有波长的辐射能吸收的平均值。光谱吸收比光谱吸收比 ：物体吸收某一特定波长辐射能的百分比。

21、：物体吸收某一特定波长辐射能的百分比。 非导体的光谱吸收比：非导体的光谱吸收比： 波长小于波长小于 时，光谱吸收比小于时，光谱吸收比小于 ； 波长大于波长大于 时，光谱吸收比高达时，光谱吸收比高达 。m2m52 . 09 . 02. 2. 实际物体的吸收具有选择性实际物体的吸收具有选择性选择性吸收选择性吸收：指物体的光谱吸收比随波长变化。：指物体的光谱吸收比随波长变化。实际当中，大量存在：实际当中，大量存在： 温室效应温室效应 温室玻璃对太阳辐射温室玻璃对太阳辐射 穿透比高，辐射能进入温室；穿透比高，辐射能进入温室； 玻璃对室内红外辐射玻璃对室内红外辐射 穿透比低，阻止热量散失。穿透比低，阻止

22、热量散失。 m3 m3 物体颜色物体颜色 太阳光照射到物体上时，吸收不同，颜色不同：太阳光照射到物体上时，吸收不同，颜色不同： 全部吸收全部吸收黑色；全部反射黑色；全部反射白色；白色； 均匀吸收并反射均匀吸收并反射灰色；只反射一种波长灰色；只反射一种波长单色。单色。3. 3. 实际物体吸收的选择性对辐射传热计算所造成的困难实际物体吸收的选择性对辐射传热计算所造成的困难 表面表面 1 1 吸收表面吸收表面 2 2 的辐射的辐射表面表面 2 2 辐射：辐射： 22,TETEb 表面表面 1 1 吸收：吸收： ETE 1, 02202211d,d, TETTETTEEbb）表表面面表表面面2, 1,

23、(21TTf 1T2T 表面表面 1 1 吸收黑体的辐射吸收黑体的辐射 42021d,TTETb 1,2 T bEE ）表表面面1,(21TTf 简化：实际中测物体简化：实际中测物体 对黑体的吸收比。对黑体的吸收比。8.4.2 8.4.2 灰体的概念及其工程应用灰体的概念及其工程应用为简化吸收的计算，提出灰体的概念。为简化吸收的计算，提出灰体的概念。灰体灰体：光谱吸收比与波长无关，即：光谱吸收比与波长无关，即 1 常常数数 注意：注意： 灰体的吸收与辐射物体无关，只与自身性质有关；灰体的吸收与辐射物体无关，只与自身性质有关； 工业上热辐射物体工业上热辐射物体 ，可当作灰体处理。，可当作灰体处理

24、。K2000 8.4.3 8.4.3 吸收比与发射率的关系吸收比与发射率的关系基尔霍夫定律基尔霍夫定律1. 1. 实际物体吸收比和发射率间的关系实际物体吸收比和发射率间的关系设：表面设：表面 1 1 为黑体，辐射力为黑体，辐射力 ，吸收比，吸收比 表面表面 2 2 为实物，辐射力为实物，辐射力 ，吸收比，吸收比bE1 b E1 对实际物体对实际物体 2 2 ： 辐射热量辐射热量 热平衡时热平衡时 ，bEEq 0 q21TT bEE 注意：注意： 是与黑体的吸收比。是与黑体的吸收比。 bEE 条件：热平衡；黑体投入辐射。条件：热平衡；黑体投入辐射。 定律表明：物体辐射能力大，其吸收能力也强。例如黑体。定律表明：物体辐射能力大，其吸收能力也强。例如黑体。 2. 2. 漫射灰体吸收比和发射率间的关系漫射灰体吸收比和发射率间的关系漫射灰体漫射灰体（漫灰表面漫灰表面）：）：漫射体：漫射体： ，辐射与空间方向，辐射与空间方向 无关。无关。 常常量量 灰体：灰体： ，吸收与投入辐射无关。，吸收与投入辐射无关。 常常量量 因此：漫灰表面的辐射与吸收，因此：漫灰表面的辐射与吸收，与外界环境无关与外界环境无关，与自身有关。，与自身有关。 漫灰表面与黑体，达到热平衡：漫灰表面与黑体，达