第8章 热辐射备份

1、2022-5-1841-12022-5-1841-22022-5-1841-3主要特点：主要特点：，定义定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量2022-5-1841-4电磁辐射包含了多种形式，工业上有实际意义的热辐射电磁辐射包含了多种形式，工业上有实际意义的热辐射区域一般为区域一般为0.1100 m。电磁波的传播速度：电磁波的传播速度： c = f c =3108m/s; f -频率，频率，s-1; -波长，波长，m，常用，常用 m2022-5-1841-5当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现

2、象，即吸收、反射和穿透。即吸收、反射和穿透。11QQQQQQQQQQ吸收比吸收比反射比反射比投射比投射比2022-5-1841-6反射分镜反射和漫反射两种反射分镜反射和漫反射两种1, 0通常，固体及液体通常，固体及液体: :1,0通常通常, , 气体气体: :1的物体称的物体称透明体透明体1的物体称为的物体称为黑体黑体1的物体称的物体称镜体镜体（漫反射时称（漫反射时称白体白体）固体表面的两种反射固体表面的两种反射2022-5-1841-7 黑体黑体：是指能吸收投入到：是指能吸收投入到其表面上的所有热辐射能的其表面上的所有热辐射能的物体。是一种科学假想的物物体。是一种科学假想的物体，现实生活中是

3、不存在的。体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的但却可以人工制造出近似的人工黑体。人工黑体。人工黑体空腔内壁面温度须维持均匀人工黑体空腔内壁面温度须维持均匀人工黑体空腔内壁面人工黑体空腔内壁面即为即为的辐射，的辐射，自身辐射与反射辐射之和自身辐射与反射辐射之和2022-5-1841-82022-5-1841-9：发射体：发射体内内向向所所发射的发射的能量能量2mWE表示，单位是用符号辐射力从辐射力从总体上总体上表征物体发射辐射能能力表征物体发射辐射能能力：发射体：发射体内内向向所发射的所发射的包含某给定波长包含某给定波长)的能量的能量某波长某波长的辐射能力称为的辐射能力称为光谱辐射

4、力光谱辐射力3mWE 表示，单位是用符号0dEE黑体一般采用下标黑体一般采用下标b表示，如黑体的表示，如黑体的辐射力辐射力为为Eb，黑体的黑体的光谱辐射力光谱辐射力为为Eb2022-5-1841-10 1)(512TcbecE-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 (1)普朗克（普朗克（Planck）定律：）定律：( (黑体辐射的第一个基本定律黑体辐射的第一个基本定律) )KmTm3108976. 2Planck 定律的图示定律的图示m与与 T 的

5、 关 系 由 维 恩的 关 系 由 维 恩（Wien）位移定律给出：）位移定律给出：2022-5-1841-11( (黑体辐射的第二个基本定律黑体辐射的第二个基本定律) )40)(51012TdecdEETcbb= 5.6710-8 w/(m2 K4)，是，是Stefan-Boltzmann常数常数，也，也称称黑体辐射常数黑体辐射常数。C0=5.67 W/m2K4为为黑体辐射系数黑体辐射系数40100TCEb为计算高温辐射方便，上式可改写为：为计算高温辐射方便，上式可改写为：2022-5-1841-12黑体辐射函数黑体辐射函数：自：自0至波长至波长间黑体辐射占同温度黑间黑体辐射占同温度黑体辐射

6、力的百分数，记为体辐射力的百分数，记为f(T)TbbbTdTETdEFTf0540)0()()(黑体在波长黑体在波长1和和2区段内所区段内所发射的辐射力：发射的辐射力：2121()bbEEd2022-5-1841-13)()(1112)0()0(00440)(1212212121TfTfFFdEdETdETdEdEFbbbbbbbb黑体辐射函数表见黑体辐射函数表见p360某波段区间黑体辐射能占同温度黑体辐射力的百分数为：某波段区间黑体辐射能占同温度黑体辐射力的百分数为：给定波段区间内，单位时间黑体单位面积所辐射能量：给定波段区间内，单位时间黑体单位面积所辐射能量：bbbEFE)()(21212

7、022-5-1841-14定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：单位：sr(球面度球面度)，ddsindsinrddd22rrrAc(3) 兰贝特（兰贝特（Lambert） 定律定律 (黑体辐射的第黑体辐射的第 三个基本定律三个基本定律)2022-5-1841-15定义定义：内，物体在内，物体在（垂直发射垂直发射方向的单位面积）方向的单位面积）上，在上，在发射的发射的（一切（一切波长的能量）波长的能量）。 d ( )( )d cosdIA( )constantII2022-5-1841-16兰贝特（兰贝特（Lambert） 定律定律 (余弦定

8、律余弦定律)d( )cosddIA上式说明黑体的上式说明黑体的随天顶角随天顶角 呈余弦规律变化，因此，呈余弦规律变化，因此， 兰贝特定律也称为兰贝特定律也称为余弦定律余弦定律。Lambert定律图示定律图示d ( )d cosdIA2022-5-1841-17上式两端乘上式两端乘d，然后在半球空间积分，可得辐，然后在半球空间积分，可得辐射力射力E:上式表明遵守兰贝特定律的辐射，其半球辐射力数上式表明遵守兰贝特定律的辐射，其半球辐射力数值上等于定向辐射强度的值上等于定向辐射强度的倍倍d ( )cosd dIA22d ( )cosdbEIdAddsind22200cos sinsincosbEId

9、 dId dI 2022-5-1841-18小结小结1.黑体辐射力由斯忒藩黑体辐射力由斯忒藩-玻耳兹曼定律确定，辐射力玻耳兹曼定律确定，辐射力与热力学温度四次方成正比与热力学温度四次方成正比;2.黑体辐射能量按波长分布服从普朗克定律黑体辐射能量按波长分布服从普朗克定律;3.黑体辐射能量按空间分布服从兰贝特定律黑体辐射能量按空间分布服从兰贝特定律;4. 黑体单色辐射辐射力存在峰值，峰值对应的波长黑体单色辐射辐射力存在峰值，峰值对应的波长m由由维恩位移定律确定，随温度升高，维恩位移定律确定，随温度升高，m逐渐减小。逐渐减小。P362P362例题例题2022-5-1841-192022-5-1841

10、-20bEE； 发射率发射率 (也称黑度也称黑度) ：相同温度下，实际物体的辐射：相同温度下，实际物体的辐射力与黑体辐射力之比力与黑体辐射力之比:4TEEb2022-5-1841-21bEE)( 相同温度下，实际物体相同温度下，实际物体的光谱辐射力的光谱辐射力E与黑体与黑体的光谱辐射力的光谱辐射力Eb之比之比:0044()bbE dEdEETT 实际物体的实际物体的发射率发射率 与光谱发射率关系与光谱发射率关系:2022-5-1841-22 实际物体辐射并不完全符合兰贝特定律。实际物体辐射并不完全符合兰贝特定律。 相同温度下，实际物体在与辐射面成相同温度下，实际物体在与辐射面成角的方向上的定角

11、的方向上的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比:( )( )( )( )bbIIII 注：黑体定向辐射强度与注：黑体定向辐射强度与无关。无关。2022-5-1841-23特点特点：自：自0开始，一定角度内定向发射率几乎不变；开始，一定角度内定向发射率几乎不变；随后随随后随 增加而急剧增大。而在增加而急剧增大。而在90的极小范围内又减的极小范围内又减小（未标出）小（未标出）()() ( ) (t=150)2022-5-1841-243）非导电体材料定向发射率）非导电体材料定向发射率 ( ) (t=093.3)0 60：定向发射率：定向发射率 ( )逐渐减小，逐渐

12、减小，90时为时为0特点：特点：2022-5-1841-25漫发射漫发射：服从兰贝特定律定向辐射强度与方向无：服从兰贝特定律定向辐射强度与方向无关，即表面的关，即表面的。满足上述规律的表面称为满足上述规律的表面称为漫发射面漫发射面。大多数实际表。大多数实际表面可近似认为漫发射面。面可近似认为漫发射面。实验表明：实验表明：高度光滑金属表面为高度光滑金属表面为1.2； 其它光滑表面约其它光滑表面约0.95；粗；粗糙表面约糙表面约0.98如果不考虑定向辐射强度的细节，大多数实际表面可如果不考虑定向辐射强度的细节，大多数实际表面可近似认为服从兰贝特定律。近似认为服从兰贝特定律。金属发射率与表面状况密切

13、相关；金属发射率与表面状况密切相关；非金属非金属 发射率与表面状况关系不大发射率与表面状况关系不大2022-5-1841-26本节中，有几点需要注意本节中，有几点需要注意1. 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；2. 服从服从Lambert定律的表面为漫射表面。实际物体的定向定律的表面为漫射表面。实际物体的定向发射率并不完全符合发射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地认为定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从大多数工程材料服从Lambert定律；定

14、律；3. 物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明况。这说明，而不，而不涉及外界条件。涉及外界条件。(是物性参数是物性参数）作业：作业：3，10，11P370 例题例题2022-5-1841-272022-5-1841-28 上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那上一节简单介绍了实际物体的发射情况，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情况又是如何呢？本节将对对投入辐射吸收的情况又是如何呢？本节将对其作出解答。其作出解答。Semi-transparent medium2

15、022-5-1841-29投入辐射投入辐射：单位时间内自外界投射到物体单位表面：单位时间内自外界投射到物体单位表面积上的辐射能积上的辐射能 )(投入辐射投入的能量吸收的能量一、实际物体的吸收比一、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份额。通常：物体对投入辐射所吸收的份额。通常用用 表示表示，即，即1. 光谱吸收比（光谱吸收比（也叫也叫单色吸收比单色吸收比）：物体对某一特定：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的份额。波长的辐射能所吸收的份额。能量投入的某一特定波长的吸收的某一特定波长的 能量),(1T2022-5-1841-30 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

16、收比同波长的关系() 光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性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。吸收的特性。2022-5-1841-31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()2022-5-1841-322.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：实际物体对投入辐射的吸收能力根据：实际物体对投入辐射的吸收能力根据投入辐射波长的不同而不同投入辐射波长的不同而不同温室温室：花房、塑料大棚、玻璃窗等：花房、塑料大棚、玻璃窗等（温室效应）（温室效应）着装着装：夏浅冬深：夏浅冬深太阳能集热器太阳能集热器：选择性涂

17、层：选择性涂层军事军事：武器涂层：武器涂层2022-5-1841-33物体的物体的吸收比吸收比除除与自身表面性质与自身表面性质和和温度温度有关外，还与有关外，还与投入辐射按波长的能量分布投入辐射按波长的能量分布有关。物体有关。物体1为研究对象、为研究对象、物体物体2产生投入辐射，则物体产生投入辐射，则物体1的吸收比为的吸收比为:1122201222012( ,)( ,)()d( ,)()d( ,12)bbTT ETT ETf T T 吸收的总能量投入的总能量表面 的性质， 表面 的性质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，则上式可变为变为:1),(2Tb112211

18、2001220011204212( , )( ,)( )d( , )( )d( )d( )d( , )( )d( , 1 )bbbbbbTT ETT ETETETT ETTf T T 表面 的性质吸收比不是吸收比不是物性参数物性参数2022-5-1841-342022-5-1841-35 物体的选择性吸收特性给工程中辐射换热的计算带物体的选择性吸收特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，引入一种来巨大麻烦，对此，引入一种理想物体灰体理想物体灰体: ，光谱吸收比光谱吸收比， 即即 = ( ) = const。 对于大部分工程问题所涉及的波长范围来讲，灰对于大部分工程问题所涉及的波长范围来讲

19、，灰体假设带来的误差是可以容忍的体假设带来的误差是可以容忍的.在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者之间具有什么样的联系来看一下二者之间具有什么样的联系。二、灰体概念及其工程应用二、灰体概念及其工程应用2022-5-1841-36bbEEEE三、吸收比与发射率的关系三、吸收比与发射率的关系-基尔霍夫基尔霍夫(Kirchhoff)定律定律两块相距很近的平行（或无限大）平板，板两块相距很近的平行（或无限大）平板，板1是黑体，是黑体，板板2是任意物体，参数分别为是任意物体，参数分别为Eb, T1 以及以及E, , T2，则，则当系统处于热

20、平衡时当系统处于热平衡时(T1=T2)，有：，有： 此即此即Kirchhoff 定律表达式之一。该式定律表达式之一。该式说明：在说明：在下，任何物体的辐下，任何物体的辐射与它对来自黑体辐射的吸收比的比值，射与它对来自黑体辐射的吸收比的比值，等于等于黑体的辐射力黑体的辐射力板板2吸收的辐射能与发射的辐射能相等，即吸收的辐射能与发射的辐射能相等，即2022-5-1841-37注意：注意：为了将为了将Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们定律推向实际的工程应用，人们推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式。的表达式。bbEEEE1）整个系

21、统处于热平衡状态）整个系统处于热平衡状态2) 投射辐射源必须是投射辐射源必须是同温度同温度下的下的黑体黑体。Kirchhoff 定律另一种表达式。该式说明：在定律另一种表达式。该式说明：在下，任何物体的辐射对来自黑体的投入辐射的吸收下，任何物体的辐射对来自黑体的投入辐射的吸收比，等于比，等于该物体的发射率。该物体的发射率。2022-5-1841-38层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向光谱，半球光谱，半球全波段，半球全波段，半球无条件，无条件， 为纬度角（天顶角）为纬度角（天顶角）漫射表面漫射表面与黑体处于热平衡与黑体处于热平衡或漫灰表面或漫灰表面),(),(TT),(),(TT)()(TT不同条件下基尔霍夫定律表达式不同条件下基尔霍夫定律表达式, p377表表8-3注：注：1) 漫射表面漫射表面：指发射或反射的：指发射或反射的定向辐射强度与空定向辐射强度与空间方向无关间方向无关，即符合，即符合Lambert定律的物体表面；定律的物体表面；2) 灰体灰体：指：指光谱吸收比与波长无关光谱吸收比与波长无关的物体，其吸收辐的物体，其吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。的比例。2022-5-1841-39漫射表面发射定向辐射强度与空间方向无关，即漫射表面发射定向辐射强