射基本概念 2 着重掌握热辐射基本定律本章难点：热辐

1、 我们知道，作为热量传递的一种重要方式我们知道，作为热量传递的一种重要方式-热辐射在过程的机理上与导热、对流换热是根本热辐射在过程的机理上与导热、对流换热是根本不同的。在导热与对流换热部分，我们研究的是不同的。在导热与对流换热部分，我们研究的是由于物体的宏现运动和微观粒子的热运动所造成由于物体的宏现运动和微观粒子的热运动所造成的能量转移，而在热辐射中我们所关心的是由于的能量转移，而在热辐射中我们所关心的是由于物质的电磁运动所引起的热能的传递，因而其研物质的电磁运动所引起的热能的传递，因而其研究方法与思路都与手段及外流换热部分的讨论有究方法与思路都与手段及外流换热部分的讨论有很大的区别很大的区别

2、. . 1. 1. 热辐射特点热辐射特点及辐射换热的本质及辐射换热的本质(1) (1) 定义定义：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。热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。激发出来的。(2) (2) 特点特点：a a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K0 K，就会不停地，就会不停地向周围空间发出热辐射；向周围空间发出热辐射；b b 可以在真空中传播可以在真空中传播, ,本质本质: :（不（不必借助于介质）热能必借助于介质）热能-辐射能辐射能-热能热能；c c

3、 物体的绝对温物体的绝对温度度T T越高，则辐射能力就越强。越高，则辐射能力就越强。d d 有实际意义的热射线波有实际意义的热射线波长在长在0.1-1000.1-100mm2. 2. 电磁波谱电磁波谱 电磁辐射包含了多种形式，如图电磁辐射包含了多种形式，如图8-18-1所示，而所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为区域一般为0.1-1000.1-100mm。电磁波的传播速度：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，mm图图8-18-1 辐射换热是指物体之间辐射换

4、热是指物体之间相互辐射和换热的总效果相互辐射和换热的总效果。当。当物体与环境处于热平衡时，其表面上的热辐射仍在不停进物体与环境处于热平衡时，其表面上的热辐射仍在不停进行，但其辐射换热量等于零。行，但其辐射换热量等于零。 微波炉是利用远红外线来加热物体的微波炉是利用远红外线来加热物体的。远红外线可以。远红外线可以穿透塑料、玻璃及陶瓷制品，但却会被像水那样具有极性穿透塑料、玻璃及陶瓷制品，但却会被像水那样具有极性分子的物体吸收，在物体内部产生内热源，从而使物体比分子的物体吸收，在物体内部产生内热源，从而使物体比较均匀地得到加热。各类食品中的主要成分是水，因而远较均匀地得到加热。各类食品中的主要成分

5、是水，因而远红外线加热是一种比较理想的加热手段。红外线加热是一种比较理想的加热手段。 当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，也发生吸收、反射和穿透现象。如图在外界投射到物体表也发生吸收、反射和穿透现象。如图在外界投射到物体表面上的总能量面上的总能量Q Q中，一部分中，一部分 被物体吸收，另一部分被物体吸收，另一部分 被被物体反射，其余部分物体反射，其余部分 穿透过物体。按照能量守恒定律有穿透过物体。按照能量守恒定律有如图如图8-28-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ3. 3. 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

6、和穿透 QQQ图图8.2 8.2 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 可以认为固体和液体不允许热辐射穿透，可以认为固体和液体不允许热辐射穿透， 辐射能投射到气体上时，情况与投射到固体或液体上不同。辐射能投射到气体上时，情况与投射到固体或液体上不同。气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反射比气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反射比 0 0，即即 。 黑体黑体 白体白体 透明体透明体111111反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时，形成漫反射。当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时，形成漫反射。一般工程材料的表面都形成漫

7、反射。一般工程材料的表面都形成漫反射。图图8-3 镜反射镜反射图图8-4 漫反射漫反射 黑体：黑体：是指能吸收投入到是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。出近似的人工黑体。图图8-5 8-5 黑体模型黑体模型黑体概念：黑体概念：辐射力辐射力E E： 单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。射的所有波长的能量总和。 (W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力E E：特定波

8、长：单色辐射力特定波长：单色辐射力 单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内( (包含某一给定包含某一给定波长波长) )，物体的单位表面积向半球空间发射的，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。能量。 (W/m3)；1. 1. 热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法8-2 黑体热辐射的基本定律黑体热辐射的基本定律E E、E E关系关系: :显然，显然， E E和和E E之间具有如下关系：之间具有如下关系：dEE0黑体一般采用下标黑体一般采用下标b b表示，如黑体的辐射力表示，如黑体的辐射力为为E Eb b，黑体的，黑体的光谱辐射力光谱辐射力为为E Ebb2. 黑体辐射的三个基本定

9、律及相关性质黑体辐射的三个基本定律及相关性质1)(512TcbecE式中，式中， 波长，波长，m m ； T T 黑体温度，黑体温度，K K ； c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2； c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.43881.43881010-2-2 W W K K； (1)Planck(1)Planck普朗克定律普朗克定律( (第一个定律第一个定律) )：根据量子理论而得到的普朗克根据量子理论而得到的普朗克定律它揭示了黑体辐射能按照定律它揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律或者说它给出波长的分布规律或者说它给

10、出了黑体光谱辐射力与波长和温了黑体光谱辐射力与波长和温度的依变关系，即度的依变关系，即的具体函数形式的具体函数形式。右图所示就是按普朗克定。右图所示就是按普朗克定律描绘出的不同温度下黑体的律描绘出的不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化情况。光谱辐射力随波长的变化情况。 ),(TfEbbE分析：分析：图图8-6 Planck 8-6 Planck 定律的图示定律的图示(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律( (第二个定律第二个定律) )：40)(51012TdecdEETcbb式中，式中，= 5.67= 5.671010-8-8 w/(m w/(m

11、2 2 K K4 4) )， 是是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。 图图8-68-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。波长和温度的依变关系。m m与与T T 的关系由的关系由WienWien维维恩位移定律给出：恩位移定律给出：KmTm3108976. 221dEEbb(3)(3)黑体辐射函数黑体辐射函数黑体在波长黑体在波长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，如图如图7-77-7所示：所示：图图7-7 7-7 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黑体辐射函数黑体

12、辐射函数: :2211212121()40400(0)(0)2111()()bbbbbbbbE dFE dTE dE dE dTFFfTfT定义：定义：球面面积除以球半径的平方称为立球面面积除以球半径的平方称为立体角，体角，单位：单位：sr(sr(球面度球面度) )，如图如图8-88-8和和8-98-9所示：所示：ddsindd2rAc(4)(4)立体角立体角图图7-8 7-8 立体角定义图立体角定义图图图7-9 7-9 计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几何关系定义：定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波单位面积上，

13、在单位立体角内发射的一切波长的能量，长的能量，参见图参见图8-108-10。 dcosd),(d),(AI(5) (5) 定向辐射强度定向辐射强度L L( ( , , ) )：图图8-10 8-10 定向辐射强定向辐射强 度的定义图度的定义图(6) Lambert (6) Lambert 兰贝特定律兰贝特定律( (黑体辐射的第三个基本定律黑体辐射的第三个基本定律) )cosdd),(dIA 它说明黑体的定向辐射力随天顶角它说明黑体的定向辐射力随天顶角 呈余弦规律变化，因此，呈余弦规律变化，因此， LambertLambert定律也定律也称为余弦定律。称为余弦定律。 上式表明，单位辐射面积发出的

14、辐射能，落上式表明，单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同方向单位立体角内的能量的数值不到空间不同方向单位立体角内的能量的数值不等，其正比于该方向与辐射面发线方向夹角的等，其正比于该方向与辐射面发线方向夹角的余弦，所以兰贝特定律又称为余弦定律。余弦余弦，所以兰贝特定律又称为余弦定律。余弦定律表明，黑体的辐射能在空间不同方向的分定律表明，黑体的辐射能在空间不同方向的分布不均匀：法线方向最大，切线方向为零。布不均匀：法线方向最大，切线方向为零。 理论上可以证明，黑体辐射的定向辐射强度与理论上可以证明，黑体辐射的定向辐射强度与方向无关，即方向无关，即常量 LL)(定向强度与方向无关的规律即为兰贝特定

15、律。定向强度与方向无关的规律即为兰贝特定律。1 发射率发射率l前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；射的能力最强，包括所有方向和所有波长；l真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；l因此，定义了发射率因此，定义了发射率 ( (也称为黑度也称为黑度) ) ：相同温度下，：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比: :4TEEEb上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实上面公式只是针对方向

16、和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。表面的发射能力是随方向和光谱变化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)因此，我们需要定义因此，我们需要定义方向光谱发射率方向光谱发射率，对，对于某一指定的方向于某一指定的方向( ( , , ) ) 和波长和波长 T, T, T, blackbody, emitted actual, , LL)()T,( T, T, T,0blackbody, 0emitted actual, TLLdLdLb对上面公式在所有波长范围内积分，可得到对上面公式在所有波长范围内积分

17、，可得到方向方向总发射率总发射率，即即实际物体的定向辐射强度实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：与黑体的定向辐射强度之比：T, T, T, T, T, blackbody, emitted actual, bEEEE 对于指定波长，而在方向上平均的情况，对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了则定义了半球光谱发射率半球光谱发射率，即即实际物体的光实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比这样，前面定义的这样，前面定义的半球总发射率半球总发射率则可以写为：则可以写为： )(E)( T, T, T, Tbemitted actual0blackbody

18、, 0blackbody, TTEdEdE 半球总发射率是对所有方向和所有波长半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均下的平均 对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力E Eb b，光谱辐射力，光谱辐射力E Eb b 和定向和定向辐射强度辐射强度L L，分别引入了三个修正系数，即，发射，分别引入了三个修正系数，即，发射率率 ，光谱发射率，光谱发射率 ( ( ) )和定向发射率和定向发射率 ( ( ) )，其，其表表达式和物理意义达式和物理意义如下如下40)(TdEEEbb实际物体的辐射力与黑体辐射力之比实际物体的辐射力与黑体辐射力之比: :bbLLLL)()()()( 实际物体的光谱辐射力与黑体

19、的光谱实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：辐射力之比：bEE)( 实际物体的定向辐射强度与黑体的定向实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：辐射强度之比： 漫发射漫发射的概念：的概念：表面的方向发射率表面的方向发射率 ( ( ) ) 与方向无关与方向无关，即，即定向辐射强度与方定向辐射强度与方向无关向无关，满足上诉规律的表面称为漫发射满足上诉规律的表面称为漫发射面面，这是对大多数实际表面的一种很好的，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。近似。图图7-15 几种金属导体在不同方向上的定向发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率 ( )(t=150)图图7-16 几种非导电体材

20、料在不同方向上的定向发射率几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率 ( )(t=093.3) 前面讲过，黑体、白体等都是理想物体，前面讲过，黑体、白体等都是理想物体，而实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体而实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同，比如，相同，比如，(1)(1)实际物体的辐射力与黑体和灰实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图体的辐射力的差别见图8-148-14；(2)(2) 实际物体的辐实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；(3)(3) 实际物体的定向辐射强度也不严格遵守实际物体的定向辐射强度也不严格遵守La

21、mbertLambert定律，等等。所有这些差别全部归于上面的系数，定律，等等。所有这些差别全部归于上面的系数，因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能很因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能很复杂。在工程上一般都将真实表面假设为漫发射复杂。在工程上一般都将真实表面假设为漫发射面。面。图图7-14 实际物体、黑体实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱和灰体的辐射能量光谱本节中，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；常复杂，很难理论确定，实际上是一种权宜之计； 服从服

22、从LambertLambert定律的表面成为漫射表面。虽然实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际物体的定向发射率并不完全符合LambertLambert定律，定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从但仍然近似地认为大多数工程材料服从LambertLambert定律；定律；1.1.物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和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，而不涉及外界条件。身有关，而不涉及外界条件。 上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的上一节简单介绍了实际物体

23、的发射情况，那么当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？本节将对其作出解答。情况又是如何呢？本节将对其作出解答。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with what happens to _, while emissivity deals with _1. 1. 投入辐射投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能总辐射能 2. 2. 选择性吸收选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐

24、射的吸收能力也根据其波此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸收长的不同而变化，这叫选择性吸收首先介绍几个概念：首先介绍几个概念：3. 3. 吸收比吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用常用 表示表示，即，即)(投入辐射投入的能量吸收的能量4. 4. 光谱吸收比光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随吸收的百分数，也叫单色吸收比。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。波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。能量投入的某一特定波长的能

25、量吸收的某一特定波长的),(1T图图7-177-17和和7-187-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。收比同波长的关系。图图7-17 金属导电体的光谱吸收比同波长的关系金属导电体的光谱吸收比同波长的关系图图7-18 7-18 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系灰体灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比 都是同都是同一个常数。一个常数。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

26、表面物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关布有关。设下标。设下标1 1、2 2分别代表所研究的物体和产生分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体投入辐射的物体，则物体1 1的吸收比为的吸收比为)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图图7-187-18给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。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

27、变为1),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性质表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb图图7-19 7-19 物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系 灰体法灰体法，即将光谱吸收比，即将光谱吸收比 ( ( ) ) 等效为常等效为常数，即数，即 = = ( ( ) = const) = const。并将。并将 ( ( ) )与与波长无关的物体称为灰体波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；忍的； 谱带模型法谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。设。发射辐射与吸收辐射二者之间的联系发射辐射与吸收辐射二者之间的联系： 最简单的推导是用两块无限大平板间最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图的热力学平衡方法。如图8-208-20所示，板所示，板1 1时黑体，板时黑体，板2 2是任