热辐射基本定律和辐射特性学习教案

1、会计学1热辐射热辐射(fsh)基本定律和辐射基本定律和辐射(fsh)特特性性第一页，共57页。2 辐射是电磁波传递能量的现象。辐射是电磁波传递能量的现象。 电磁辐射的波长范围很广，从长达数百米的无线电电磁辐射的波长范围很广，从长达数百米的无线电波到小于波到小于10-14米的宇宙射线。米的宇宙射线。 由于由于(yuy)热的原因而产生的电磁辐射称为热辐热的原因而产生的电磁辐射称为热辐射。射。 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 / m可可见见光光X射线射线 射线射线紫外线紫外线红外线红外线无线电波无线电波热辐射热辐射0第1页/共57页第二页，

2、共57页。3 在工业上所遇到的温度范围内（在工业上所遇到的温度范围内（2000K以下），以下），最感兴趣的是波长约从最感兴趣的是波长约从0.38m到到0.76m的可见光的可见光和波长从可见光谱的红端之外延伸到和波长从可见光谱的红端之外延伸到1000m的红的红外线。外线。 有时有时(yush)以波长以波长25m为界，又将红外线区分为界，又将红外线区分为近红外区和远红外区。为近红外区和远红外区。 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 / m可可见见光光X射线射线 射线射线紫外线紫外线红外线红外线无线电波无线电波热辐射热辐射0第2页/共57页第三

3、页，共57页。4 理论理论(lln)(lln)上热辐射的波长范围从零到无穷大，但在日常上热辐射的波长范围从零到无穷大，但在日常生活和工业上常见的温度范围内，热辐射的波长主要在生活和工业上常见的温度范围内，热辐射的波长主要在0.1m0.1m至至100m100m之间之间, ,包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段。包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段。 辐射换热：以热辐射的方式进行的热量交换。辐射换热：以热辐射的方式进行的热量交换。第3页/共57页第四页，共57页。5 只要物体只要物体(wt)(wt)的温度高于的温度高于0K0K，物体，物体(wt)(wt)总是不断总是不断地把热能变化辐射

4、能，向外发出热辐射。地把热能变化辐射能，向外发出热辐射。 同时，物体同时，物体(wt)(wt)也不断地吸收周围物体也不断地吸收周围物体(wt)(wt)投射投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。 辐射换热就是指物体辐射换热就是指物体(wt)(wt)之间相互辐射和吸收的总效之间相互辐射和吸收的总效果。果。 一个物体一个物体(wt)(wt)如果与另一个物体如果与另一个物体(wt)(wt)相互能够看相互能够看得见，那么它们之间就会发生辐射热交换。得见，那么它们之间就会发生辐射热交换。 热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播。热辐射不依靠

5、中间媒介，可以在真空中传播。第4页/共57页第五页，共57页。6辐射换热的主要影响辐射换热的主要影响(yngxing)(yngxing)因素：因素：（1 1）物体本身的温度、表面辐射特性；）物体本身的温度、表面辐射特性；（2 2）物体的大小、几何形状及相对位置。）物体的大小、几何形状及相对位置。第5页/共57页第六页，共57页。7（2 2）物体表面）物体表面(biomin)(biomin)对电磁波的对电磁波的作用作用 当热辐射的能量投射到物体表面上时，会发生吸收、反射当热辐射的能量投射到物体表面上时，会发生吸收、反射(fnsh)(fnsh)和穿透现象。若外界投射到物体表面上的总能量为和穿透现象

6、。若外界投射到物体表面上的总能量为Q Q，一，一部分部分Q Q被物体吸收，一部分被物体吸收，一部分Q Q被物体反射被物体反射(fnsh)(fnsh)，一部分，一部分Q Q穿透物体。按能量守恒定律有：穿透物体。按能量守恒定律有： Q Q Q QQ Q Q Q QQQQ1QQQQQQ第6页/共57页第七页，共57页。8 各部分百分数各部分百分数Q Q /Q /Q 、 Q Q /Q /Q 、Q Q /Q /Q 分别称为该物体对投入辐分别称为该物体对投入辐射的吸收射的吸收(xshu)(xshu)比、反射比和透射比，记为比、反射比和透射比，记为 、 和和 。 于是于是1 实际上，当辐射能进入固体或液体实

7、际上，当辐射能进入固体或液体(yt)表面后，在一个极短的距表面后，在一个极短的距离内就吸收完了。故对于固体和液体离内就吸收完了。故对于固体和液体(yt)有有 因而对固体因而对固体(gt)(gt)和液体，吸收能力大的物体其反射本和液体，吸收能力大的物体其反射本领就小。领就小。 1第7页/共57页第八页，共57页。9 由于热射线不能穿过固体由于热射线不能穿过固体(gt)(gt)和液体，于是可以把它们和液体，于是可以把它们的吸收和反射视为一个表面过程，它们自身辐射也应在表面完成的吸收和反射视为一个表面过程，它们自身辐射也应在表面完成。因此，固体。因此，固体(gt)(gt)和液体上的热辐射是表面辐射。

8、和液体上的热辐射是表面辐射。 辐射能投射到气体上时，情况与投射到固体或液体上不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，同。气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反射比， = = 0 0，故有，故有1 气体对热射线的吸收和穿透是在空间中进行的，其自身的辐射气体对热射线的吸收和穿透是在空间中进行的，其自身的辐射(fsh)(fsh)也是在空间中完成的。因此，气体的热辐射也是在空间中完成的。因此，气体的热辐射(fsh)(fsh)是容积是容积辐射辐射(fsh)(fsh)。 第8页/共57页第九页，共57页。10注意：注意： （1 1） 、属于物体的辐

9、射特性，取决属于物体的辐射特性，取决于物体的种类、温度和表面状况，是波长的函数于物体的种类、温度和表面状况，是波长的函数(hnsh)(hnsh)。 , , 不仅取决于物体的性质，还与投射不仅取决于物体的性质，还与投射辐射辐射能的波长分布有关。能的波长分布有关。 （2 2）固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上）固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上属于表面效应。金属：表面层厚度小于属于表面效应。金属：表面层厚度小于1m1m；绝大；绝大多数非金属：表面层厚度小于多数非金属：表面层厚度小于1mm1mm。 （3 3）对于固体和液体，）对于固体和液体， = 0, + =1 = 0, + =1 。第9页/共

10、57页第十页，共57页。11 由于不同物体的吸收由于不同物体的吸收(xshu)(xshu)比、反射比和透射比因具体条件不比、反射比和透射比因具体条件不同差别很大，给热辐射的计算带来很大困难。为了使问题简化，我们定同差别很大，给热辐射的计算带来很大困难。为了使问题简化，我们定义了一些理想物体。义了一些理想物体。 对于对于(duy)(duy)透射比透射比=1=1的物体称为透明体。的物体称为透明体。 反射比反射比=1=1物体称为白体（具有漫反射的表面）或镜体（具有镜反物体称为白体（具有漫反射的表面）或镜体（具有镜反射的表面）。射的表面）。 物体表面是漫反射还是镜反射，这要取决于物体表面相对于辐射波物

11、体表面是漫反射还是镜反射，这要取决于物体表面相对于辐射波长长(bchng)(bchng)的表面粗糙程度。的表面粗糙程度。第10页/共57页第十一页，共57页。12 当表面的不平整尺寸小于投入辐当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，形成镜面反射，此时射的波长时，形成镜面反射，此时入射角等于反射角。高度磨光的金入射角等于反射角。高度磨光的金属板会形成镜面反射。属板会形成镜面反射。 当表面的不平整尺寸大于投入辐当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时形成漫反射。这时从某射的波长时形成漫反射。这时从某一方向一方向(fngxing)投射到物体表面上投射到物体表面上的辐射向空间各方向的辐射向空间各方向(f

12、ngxing)反射反射出去。出去。 1 2 1= 2第11页/共57页第十二页，共57页。13 吸收比吸收比 =1=1的物体，称为绝对的物体，称为绝对(judu)(judu)黑体，简称黑体。黑体，简称黑体。 尽管自然界并不存在黑体，用人工的方法可以制造出十分尽管自然界并不存在黑体，用人工的方法可以制造出十分(shfn)接近于黑体的模型。接近于黑体的模型。 选用吸收比小于选用吸收比小于1 1的材料制造一个的材料制造一个(y (y )空腔空腔，并在空腔壁面上开一个，并在空腔壁面上开一个(y (y )小孔，再设法使小孔，再设法使空腔壁面保持均匀的温度。这时空腔上的小孔就具空腔壁面保持均匀的温度。这时

13、空腔上的小孔就具有黑体辐射的特性。有黑体辐射的特性。 第12页/共57页第十三页，共57页。14 若小孔占内壁面积小于若小孔占内壁面积小于0.6%，当内壁吸收比为当内壁吸收比为0.6时，小孔的吸时，小孔的吸收比可大于收比可大于0.996。 黑体将所有投射在它上面的一黑体将所有投射在它上面的一切波长和所有方向切波长和所有方向(fngxing)上上的辐射能全部吸收，在所有物体的辐射能全部吸收，在所有物体之中，它吸收热辐射的能力最强之中，它吸收热辐射的能力最强。第13页/共57页第十四页，共57页。15（1 1）辐射力）辐射力 总辐射力总辐射力 辐射力也称全色辐射力，其定义为单位时间单位辐射面积辐射

14、力也称全色辐射力，其定义为单位时间单位辐射面积(min j)向半球空间辐射出去的一切波长的辐射能量。向半球空间辐射出去的一切波长的辐射能量。dAdQE 式中：式中：E E为辐射为辐射(fsh)(fsh)力，其单位为力，其单位为W/m2W/m2；dQdQ为微元面积为微元面积dAdA向半球向半球空间辐射空间辐射(fsh)(fsh)出去的总辐射出去的总辐射(fsh)(fsh)能。能。第14页/共57页第十五页，共57页。16 单色辐射力（光谱单色辐射力（光谱(gungp)(gungp)辐射力）辐射力） 单色辐射力被定义为单位单色辐射力被定义为单位(dnwi)(dnwi)时间单位时间单位(dnwi)(

15、dnwi)辐射面积向半球空间辐射出去的某一波长范围的辐射能量，用辐射面积向半球空间辐射出去的某一波长范围的辐射能量，用来描述辐射能量随波长的分布特征。来描述辐射能量随波长的分布特征。 EE为物体表面的单色辐射力；为物体表面的单色辐射力；dQdQ为微元面积为微元面积dAdA向半球空间向半球空间(kngjin)(kngjin)辐射出去的某一波长的辐射能；辐射出去的某一波长的辐射能；为热射线的波为热射线的波长，单位为长，单位为mm。dAdQddAdQE2辐射力和单色辐射力之间的关系辐射力和单色辐射力之间的关系 :0dEE第15页/共57页第十六页，共57页。17 方向方向(fngxing)(fngx

16、ing)辐射力（辐射力（定向辐射力）定向辐射力） 方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在半球空间中的分布方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在半球空间中的分布特征，其定义为单位时间单位辐射面积特征，其定义为单位时间单位辐射面积(min j)(min j)向半球空间中某向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。 dd为微元为微元立体角立体角dAdQdE2方向方向(fngxing)辐射力与辐射力之间的关系：辐射力与辐射力之间的关系：2EE d第16页/共57页第十七页，共57页。18立体角是用来衡量空间中的面相对于某一点所立体

17、角是用来衡量空间中的面相对于某一点所张开的空间角度的大小，如图张开的空间角度的大小，如图c所示，其定义所示，其定义为：为：2rdfddf为空间中的微元面积，为空间中的微元面积，r为该面积与发射点为该面积与发射点之间的距离。之间的距离。dAdA dAdfrddQdQ（a）微元表面总辐射）微元表面总辐射 （b）微元表面单色辐射）微元表面单色辐射 （c）微元表面方向辐射）微元表面方向辐射第17页/共57页第十八页，共57页。19第18页/共57页第十九页，共57页。20在球坐标系中，如图所示，按几何关系有在球坐标系中，如图所示，按几何关系有其单位为其单位为W/(m2Sr)，Sr为为球面度球面度,是立

18、体角的单位。是立体角的单位。dddfn球坐标系中的立体角球坐标系中的立体角rrdrddfsinddrdfdsin2dAddQdEsin2由于半球面积为由于半球面积为2r2,故半球面对球心所张开故半球面对球心所张开的立体角的立体角=2Sr。第19页/共57页第二十页，共57页。21 辐射强度辐射强度 由于处于不同的空间位置所能看见的辐射面积由于处于不同的空间位置所能看见的辐射面积是变化的，也就是随着是变化的，也就是随着角的增大，辐射面积角的增大，辐射面积在该方向上的可见面积（投影面积）就越小在该方向上的可见面积（投影面积）就越小。dAcosdAnd辐射强度的定义图辐射强度的定义图定义定义辐射强度

19、辐射强度，用以，用以表示表示单位时间在某一辐射方向单位时间在某一辐射方向上的上的单位可见辐射面积单位可见辐射面积向向该方向单位立体角内辐射该方向单位立体角内辐射的所有波长的辐射能。的所有波长的辐射能。第20页/共57页第二十一页，共57页。22dAcosdAnd辐射强度的定义图辐射强度的定义图dAdQdIcos2单位为单位为W/(m2Sr)，式中，式中 为给定方向上的可见辐射面积，为给定方向上的可见辐射面积，也就是垂直于该方向的流通面也就是垂直于该方向的流通面积。积。 dAcos辐射强度与方向辐射力的关系辐射强度与方向辐射力的关系 :cosIE与辐射力之间的关系与辐射力之间的关系 : 2020

20、sincosddIE第21页/共57页第二十二页，共57页。23（2 2）黑体）黑体(hit)(hit)辐射基本定律辐射基本定律 普朗克定律普朗克定律(dngl)(dngl)普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分布普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分布规律，给出了黑体的单色辐射力与热力学温度规律，给出了黑体的单色辐射力与热力学温度T、波长波长 之间的函数之间的函数(hnsh)关系，由量子理论得关系，由量子理论得到的数学表达式为：到的数学表达式为：c1为第一辐射常数，为第一辐射常数，c1=3.74210-16Wm2；c2为第二辐射常数，为第二辐射常数，c2=1.4388 10-2mK1)(

21、512TcbecE第22页/共57页第二十三页，共57页。24图中给出了在温度为参变量下的单色辐射力随图中给出了在温度为参变量下的单色辐射力随波长变化的一组曲线。单色辐射力随着波长的波长变化的一组曲线。单色辐射力随着波长的增加而增加，达到某一最大值后又随着波长的增加而增加，达到某一最大值后又随着波长的增加而慢慢减小。增加而慢慢减小。 在同一波长下黑体温度在同一波长下黑体温度越高，对应的单色辐射越高，对应的单色辐射力越大。力越大。 T1T2T1T2 d E 第23页/共57页第二十四页，共57页。25E Ebb0 0T T1 1T T2 2T T3 3T T5 5黑体单色辐射力随波长和温度变化黑

22、体单色辐射力随波长和温度变化T T4 4随着温度的升高黑体辐随着温度的升高黑体辐射能的分布在向波长短射能的分布在向波长短的方向集中，也就是高的方向集中，也就是高温辐射中短波热射线含温辐射中短波热射线含量大而长波热射线含量量大而长波热射线含量相对少。相对少。 维恩位移定律维恩位移定律 第24页/共57页第二十五页，共57页。26Eb 最大处的波长最大处的波长 m也随温度不同而变也随温度不同而变化。令化。令 0bEKm109 . 2Km108976. 233Tm可见可见 m与与T成反比，成反比，T越高，越高， 则则 m越小，这一越小，这一规律为维恩（规律为维恩（Wien）位移定律，历史上先发现）位

23、移定律，历史上先发现的是的是维恩位移定律维恩位移定律。第25页/共57页第二十六页，共57页。27例例7-1：试分别计算温度：试分别计算温度(wnd)为为2000K和和5800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长 m 。解：解：按按Km109 . 23Tm计算计算(j sun)：当当T=2000K时，时， m1045. 1K2000Km109 . 263m当当T=5800K时，时， m105 . 0K5800Km109 . 263m可见工业上一般高温辐射可见工业上一般高温辐射(fsh)（2000K内），黑体内），黑体最大光谱辐射最大光谱辐射(fsh)力的波长位

24、于红外线区段，而太力的波长位于红外线区段，而太阳辐射阳辐射(fsh)（5800K）对应的最大光谱辐射）对应的最大光谱辐射(fsh)的波长则位于可见光区段。的波长则位于可见光区段。第26页/共57页第二十七页，共57页。28 斯忒藩波尔兹曼定律斯忒藩波尔兹曼定律(dngl) (dngl) 在黑体辐射的研究在黑体辐射的研究(ynji)中，斯忒藩（中，斯忒藩（Stefan）于）于1879年年由实验确定黑体的辐射力与热力学温度之间的关系，其后由实验确定黑体的辐射力与热力学温度之间的关系，其后由波尔兹曼（由波尔兹曼（Boltzmann）于）于1884年从热力学关系式导出。年从热力学关系式导出。 Eb为黑

25、体的辐射力（为黑体的辐射力（W/m2）；）；T为黑体的绝对温度为黑体的绝对温度(juduwnd)（K）；）；0为斯忒藩波尔兹曼常数，其值为斯忒藩波尔兹曼常数，其值为为5.6710-8W/(m2K4);C0为黑体辐射系数（为黑体辐射系数（5.67 W/(m2K4)）40400/510b10012TCTdeCdEETCb第27页/共57页第二十八页，共57页。29例例7-2：一黑体置于室温为一黑体置于室温为27的厂房中，试求的厂房中，试求在热平衡条件下黑体表面的辐射力。如果将黑在热平衡条件下黑体表面的辐射力。如果将黑体加热到体加热到327，它的辐射力又是多少？，它的辐射力又是多少？解：解：在热平衡

26、条件下，黑体温度与室温相同，在热平衡条件下，黑体温度与室温相同，辐射力为：辐射力为：244424101W/m459K10027327KmW67. 5100TcEb327黑体的辐射力为黑体的辐射力为244424202W/m7350K100273327KmW67. 5100TcEb第28页/共57页第二十九页，共57页。30 兰贝特定律兰贝特定律(dngl) (dngl) （LambertLambert）（余弦定律）（余弦定律(dngl)(dngl)）黑体辐射黑体辐射(fsh)的辐射的辐射(fsh)强度与方向无关，即强度与方向无关，即 .constIdAdQdIcos2因为因为(yn wi) 故对

27、于服从兰贝特定律的辐射有：故对于服从兰贝特定律的辐射有：cos)(2IdAddQ即单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同方即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的能量的数值不相等，其值正比于向单位立体角的能量的数值不相等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦。所以兰贝该方向与辐射面法线方向夹角的余弦。所以兰贝特定律又称特定律又称余弦定律余弦定律。第29页/共57页第三十页，共57页。31 2020sincosddIEbbIIE因此，对遵守兰贝特定律的辐射，辐射力在数因此，对遵守兰贝特定律的辐射，辐射力在数值上等于辐射强度的值上等于辐射强度的 倍。倍。第30页/共57页第三

28、十一页，共57页。321. 1. 实际实际(shj)(shj)物体的辐射力物体的辐射力实际物体实际物体(wt)表面的表面的热辐射性能均弱于黑体热辐射性能均弱于黑体表面。表面。实际物体实际物体(wt)的光谱的光谱辐射力往往随波长作不辐射力往往随波长作不规则的变化。规则的变化。黑体黑体 E 实际实际物体物体图为同温度下黑体辐射和实际物体辐射的单色辐射力随图为同温度下黑体辐射和实际物体辐射的单色辐射力随波长变化的曲线。波长变化的曲线。第31页/共57页第三十二页，共57页。33 实际表面实际表面(biomin)的辐射力与同温度下黑体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值，称为黑度（发射率）。辐射力的比值

29、，称为黑度（发射率）。 黑度仅仅与物体表面自身的辐射特性相关黑度仅仅与物体表面自身的辐射特性相关(xinggun)，也就是与物体的种类和它的表面，也就是与物体的种类和它的表面特征相关特征相关(xinggun)以及和物体的温度相关以及和物体的温度相关(xinggun)，而与物体外部的情况无关。，而与物体外部的情况无关。 总发射率总发射率bEE第32页/共57页第三十三页，共57页。34实际表面实际表面(biomin)的单的单色辐射力与同温度下黑体色辐射力与同温度下黑体表面表面(biomin)的单色辐的单色辐射力之比射力之比 单色发射率（光谱单色发射率（光谱(gungp)(gungp)发射率）发射

30、率） bEEb0bEdE发射率与单色发射率之间发射率与单色发射率之间的关系的关系(gun x)为为 第33页/共57页第三十四页，共57页。35 物体表面在某方向上的方向辐射力与同温度物体表面在某方向上的方向辐射力与同温度(wnd)黑体辐射在该方向上的方向辐射力之比，亦黑体辐射在该方向上的方向辐射力之比，亦可表示为物体在某方向上的辐射强度与同温度可表示为物体在某方向上的辐射强度与同温度(wnd)黑体辐射在该方向上的辐射强度之比黑体辐射在该方向上的辐射强度之比 方向方向(fngxing)(fngxing)发射率发射率( (定向发射定向发射率）率） bbbIIIIEEcoscos 如果实际物体的方

31、向辐射力遵守如果实际物体的方向辐射力遵守(znshu)兰贝特兰贝特定律，该物体表面称为漫射表面。黑体表面就是漫射定律，该物体表面称为漫射表面。黑体表面就是漫射表面。表面。第34页/共57页第三十五页，共57页。36如果实际物体是漫射表面如果实际物体是漫射表面(biomin)，则其方向辐射率应，则其方向辐射率应等于常数，而与角度无关。等于常数，而与角度无关。事实上实际物体不是漫发射体，即辐射强度在空间各个事实上实际物体不是漫发射体，即辐射强度在空间各个方向的分布不遵循兰贝特定律，是方向角的函数。方向的分布不遵循兰贝特定律，是方向角的函数。 对于非金属表面在很大范围内对于非金属表面在很大范围内方向

32、黑度为一个常数值，表现方向黑度为一个常数值，表现出等强辐射的特征，而在出等强辐射的特征，而在60之后之后(zhhu)方向黑度急剧减小方向黑度急剧减小 第35页/共57页第三十六页，共57页。37对于金属表面在一个小的对于金属表面在一个小的角范围内亦有等强辐射角范围内亦有等强辐射的特征的特征(tzhng)，方向黑度可视为不变，然后随着，方向黑度可视为不变，然后随着角增大而急剧增大，直到角增大而急剧增大，直到接近接近90才有减小。才有减小。 第36页/共57页第三十七页，共57页。38例例7-3：试计算温度处于：试计算温度处于(chy)1400的碳化硅涂料的碳化硅涂料表面的辐射力。表面的辐射力。解

33、：由表查得对解：由表查得对10101400，碳化硅，碳化硅 n =0.820.92，故可取对应，故可取对应1400的的 n为为0.92，即，即 = n =0.92，辐射力为：，辐射力为： 23444240W/m10409K1002731400KmW67. 592. 0100TcE第37页/共57页第三十八页，共57页。39 实际物体发射率数值大小实际物体发射率数值大小(dxio)(dxio)取决于材料的种类取决于材料的种类、温度和表面状况，通常由实验测定。对绝大多数实际工程、温度和表面状况，通常由实验测定。对绝大多数实际工程材料来说，可以近似地认为半球总发射率等于法向总发射率材料来说，可以近似

34、地认为半球总发射率等于法向总发射率，即，即 n n金属表面金属表面M M取取1-1.31-1.3，非导体，非导体M M取取0.95-1.00.95-1.0。除了高度磨光的。除了高度磨光的表面外，工程计算中一般表面外，工程计算中一般(ybn)(ybn)取取M=1M=1，一般，一般(ybn)(ybn)工程手册上给出的工程手册上给出的物体发射率常为法向发射率，物体发射率常为法向发射率，将物体表面间的辐射传热看作将物体表面间的辐射传热看作漫射体。漫射体。第38页/共57页第三十九页，共57页。40实际实际(shj)(shj)物体的发射率具有以下特点：物体的发射率具有以下特点：（1 1）金属表面发射率偏

35、小，且随波长的增大而减小）金属表面发射率偏小，且随波长的增大而减小, ,一般随温度升高而增大；一般随温度升高而增大；（2 2）非金属表面发射率较高，且随着波长的增大而）非金属表面发射率较高，且随着波长的增大而增大，一般还随温度升高而减小；增大，一般还随温度升高而减小；（3 3）法向发射率随温度的变化规律与光谱法向发射）法向发射率随温度的变化规律与光谱法向发射率随波长的变化规律有关，因为温度越高，短波辐射率随波长的变化规律有关，因为温度越高，短波辐射的比例越大。的比例越大。（4 4）材料的表面状况（粗糙度、氧化程度等）是影）材料的表面状况（粗糙度、氧化程度等）是影响发射率大小的重要因素。响发射率

36、大小的重要因素。第39页/共57页第四十页，共57页。41第40页/共57页第四十一页，共57页。42第41页/共57页第四十二页，共57页。43实际物体表面对热辐射的吸收实际物体表面对热辐射的吸收(xshu)是针对投入辐是针对投入辐射而言的。射而言的。实际物体对入射辐射实际物体对入射辐射(fsh)吸收的百分数称之吸收的百分数称之为该物体的吸收比。为该物体的吸收比。 物体表面的吸收特性就不仅仅与物体表面的吸收特性就不仅仅与物体的物质结构、物体的物质结构、表面特征以及温度状况有关表面特征以及温度状况有关，而且还与，而且还与投入辐射投入辐射的辐射能随波长和温度的变化的辐射能随波长和温度的变化密切相

37、关。密切相关。 （1 1）实际物体的吸收比实际物体的吸收比第42页/共57页第四十三页，共57页。44辐射源温度对吸收比的影响是因为实际物体辐射源温度对吸收比的影响是因为实际物体(wt)的单色吸收比不等于常数的缘故。的单色吸收比不等于常数的缘故。 假定投入辐射假定投入辐射(fsh)来自黑体表面来自黑体表面2，那么吸，那么吸收表面收表面1对其的吸收比可以定义为：对其的吸收比可以定义为： )()()()()()(420021020211TdTETdTEdTETbbb为物体为物体(wt)表面对黑体辐射的单色吸收表面对黑体辐射的单色吸收比（光谱吸收比）比（光谱吸收比） ),(1T下面给出了实验得出的一

38、些材料对黑体辐射的单下面给出了实验得出的一些材料对黑体辐射的单色吸收比随黑体温度的变化关系。色吸收比随黑体温度的变化关系。 第43页/共57页第四十四页，共57页。45第44页/共57页第四十五页，共57页。46物体表面的单色吸收率随波长变化的特性称为物体表面的单色吸收率随波长变化的特性称为物体表物体表面对波长（光谱）的选择性面对波长（光谱）的选择性。 暖房暖房：当太阳光照射到玻：当太阳光照射到玻璃上时，玻璃对波长小于璃上时，玻璃对波长小于3 3 m m的辐射能吸收比很小，的辐射能吸收比很小，从而使大部分太阳能可以从而使大部分太阳能可以进入到暖房内。暖房中的进入到暖房内。暖房中的物体温度低，辐

39、射能绝大物体温度低，辐射能绝大部分位于红外区，而玻璃部分位于红外区，而玻璃对于波长大于对于波长大于3 3 m m的辐射的辐射能吸收比很大，阻止了辐能吸收比很大，阻止了辐射能向暖房外的散失。射能向暖房外的散失。第45页/共57页第四十六页，共57页。47墨镜：焊接工人工作墨镜：焊接工人工作(gngzu)时带一黑色眼镜是为了时带一黑色眼镜是为了让对人体有害的紫外线能被特种玻璃所吸收。让对人体有害的紫外线能被特种玻璃所吸收。五颜六色的世界：五颜六色的世界：当阳光照射到一个物体表面时，如果该物体几乎全部当阳光照射到一个物体表面时，如果该物体几乎全部吸收各种可见光，它就是黑色；吸收各种可见光，它就是黑色

40、；如果几乎全部反射可见光，它就是白色；如果几乎全部反射可见光，它就是白色；如果几乎均匀吸收各色可见光并均匀地反射各色可见如果几乎均匀吸收各色可见光并均匀地反射各色可见光，它就是灰色；光，它就是灰色；如果只反射了一种波长的可见光而几乎全部吸收了其如果只反射了一种波长的可见光而几乎全部吸收了其它可见光，则它就呈现被反射的这种辐射线的颜色。它可见光，则它就呈现被反射的这种辐射线的颜色。第46页/共57页第四十七页，共57页。48如果如果(rgu)投入辐射不是来自黑体，则必须研投入辐射不是来自黑体，则必须研究物体表面单色吸收率随投入辐射波长变化的究物体表面单色吸收率随投入辐射波长变化的规律。规律。 如

41、果物体表面如果物体表面(biomin)的单色吸收比为常的单色吸收比为常数数 .const)()()()()()(420021020211TdTETdTEdTETbbb那么它的吸收那么它的吸收(xshu)比也就为常数比也就为常数 。把把灰体灰体定义为单色吸收比为常数的物体定义为单色吸收比为常数的物体。 灰体也是一种理想的辐射表面，实际表面在一灰体也是一种理想的辐射表面，实际表面在一定条件下可以认为其具有灰体的特性。定条件下可以认为其具有灰体的特性。第47页/共57页第四十八页，共57页。49灰体是从物体表面对投入辐射的吸收特性上去灰体是从物体表面对投入辐射的吸收特性上去定义的，如果再在其发射特性

42、上给予等强辐射定义的，如果再在其发射特性上给予等强辐射的假设，即认为是漫射表面，也就是漫射灰表的假设，即认为是漫射表面，也就是漫射灰表面，简称面，简称漫灰表面漫灰表面。漫射灰表面的方向发射率和方向吸收比与方向漫射灰表面的方向发射率和方向吸收比与方向无关，单色发射率和单色吸收比与波长无关，无关，单色发射率和单色吸收比与波长无关，所以它对于来自任何方向和任何波长的入射辐所以它对于来自任何方向和任何波长的入射辐射的吸收比均为常数，同时其发射的辐射也等射的吸收比均为常数，同时其发射的辐射也等于对任何方向和任何波长的黑体辐射的一个固于对任何方向和任何波长的黑体辐射的一个固定份额。定份额。 第48页/共5

43、7页第四十九页，共57页。50（2 2）实际物体辐射）实际物体辐射(fsh)(fsh)与吸收之间的关系与吸收之间的关系T T1 1T2EEb Eb(1- )Eb实际物体实际物体(wt)的辐射和吸收之间有联系的辐射和吸收之间有联系，这就是基尔霍夫定律。，这就是基尔霍夫定律。假定两块平行平板距离假定两块平行平板距离(jl)很近，从一很近，从一块板发出的辐射能全部落到另一块板上。块板发出的辐射能全部落到另一块板上。若板若板1为黑体表面，板为黑体表面，板2为任意物体的表为任意物体的表面。面。两者的辐射力、吸收比和表面温度分别为两者的辐射力、吸收比和表面温度分别为Eb、 b(=1)、T1、E、 和和T2

44、。第49页/共57页第五十页，共57页。51板板2发出的辐射能发出的辐射能E全部被板全部被板1吸收，而板吸收，而板1发发出的辐射能出的辐射能Eb只被板只被板2吸收吸收 Eb ，对板，对板2能量能量收支为：收支为：bEEq当体系处于热平衡时当体系处于热平衡时T1=T2，q=0,所以有所以有bEEqbEEbEE或或T1T2EEb Eb(1- )Eb第50页/共57页第五十一页，共57页。52基尔霍夫定律的基尔霍夫定律的两种数学表达式两种数学表达式。在热平衡条件下，任何物体的辐射力和它对在热平衡条件下，任何物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收比的比值恒等于同温度来自黑体辐射的吸收比的比值恒等于同温度

45、下黑体的辐射力。下黑体的辐射力。热平衡时任意物体对黑体投入辐射的吸收比热平衡时任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。等于同温度下该物体的发射率。bEEbEE或或第51页/共57页第五十二页，共57页。53基尔霍夫定律基尔霍夫定律(dngl)是在物体与黑体投入辐射处于热平是在物体与黑体投入辐射处于热平衡条件下得出的。衡条件下得出的。对于灰体，由于其单色吸收比不随波长变化，所以对于灰体，由于其单色吸收比不随波长变化，所以灰体的吸收比等于其发射率，与投射源的温度无关，灰体的吸收比等于其发射率，与投射源的温度无关，那么不论物体与外界是否处于热平衡状态，也不论那么不论物体与外界是否处于热平衡状态，也不论投入投入(tur)辐射是否来自黑体，都存在辐射是否来自黑体，都存在灰体无条件满足灰体无条件满足(mnz)基尔霍夫定基尔霍夫定律。律。 第52页