第8章热辐射的基本定律

1、2022-6-27李琼传热学v主要内容：主要内容：理论基础理论基础稳态导热稳态导热非稳态导热非稳态导热 导热数值解基础导热数值解基础 v导热问题的求解目标和思路：导热问题的求解目标和思路： 问题分析问题分析建立物理模型建立物理模型建立数建立数学模型学模型求解求解v主要任务：主要任务： 求解温度场和热流场求解温度场和热流场 2022-6-27李琼传热学v主要内容：主要内容：对流换热分析（分析法、类比法、实验法）对流换热分析（分析法、类比法、实验法）单相流体对流换热单相流体对流换热凝结与沸腾换热凝结与沸腾换热v基本定律：基本定律： 牛顿冷却定律牛顿冷却定律v主要任务：主要任务： 求解表面换热系数求

2、解表面换热系数h h及换热量及换热量v重点：准则关联式的应用重点：准则关联式的应用2022-6-27传热学 李琼3 2022-6-27李琼传热学2022-6-27李琼传热学2022-6-27李琼传热学2022-6-27李琼传热学太阳能的利用主要有两大方向：转化为热能和转太阳能的利用主要有两大方向：转化为热能和转化为电能。化为电能。2022-6-27李琼传热学2022-6-27李琼传热学辐射干燥机辐射干燥机2022-6-27李琼传热学v机理上本质不同：机理上本质不同：在导热与对流过程中，能量传递依靠介质微观在导热与对流过程中，能量传递依靠介质微观粒子热运动和宏观运动实现；粒子热运动和宏观运动实现

3、；热辐射中，能量的传递依靠电磁波传递实现，热辐射中，能量的传递依靠电磁波传递实现，并伴随有能量形式的转化；并伴随有能量形式的转化；v研究方法不同：研究方法不同： 电磁辐射的物理基础电磁辐射的物理基础热辐射的基本定热辐射的基本定律律理想物体和实际物体的辐射特性理想物体和实际物体的辐射特性物物体间辐射换热量计算体间辐射换热量计算2022-6-27李琼传热学fc1 1、定义和本质：、定义和本质：辐射：以电磁波传递能量的过程。辐射：以电磁波传递能量的过程。热辐射：由于自身温度或热的原因而发生的电磁波热辐射：由于自身温度或热的原因而发生的电磁波传递。传递。 热辐射是电磁波，它就由一般电磁波的共性，即热辐

4、射是电磁波，它就由一般电磁波的共性，即它是以光速在空间传播的。有下列关系成立：它是以光速在空间传播的。有下列关系成立：hfe2022-6-27李琼传热学v式中：式中： 在真空中在真空中c=3.0c=3.010108 8m/s;h=6.63m/s;h=6.631010-34-34JsJsv不同波长、不同频率的电磁波具有不同的能量；不同波长、不同频率的电磁波具有不同的能量；v辐射能即电磁波或光子所运载的能量；辐射能即电磁波或光子所运载的能量；v波粒二重性波粒二重性（电磁波理论和量子理论）；（电磁波理论和量子理论）；v研究方法：研究方法：以量子理论为基础的微观方法（主要用于解释物以量子理论为基础的微

5、观方法（主要用于解释物体的发射与吸收特性）；体的发射与吸收特性）；以能量守恒为基础的宏观方法（主要用于辐射换以能量守恒为基础的宏观方法（主要用于辐射换热计算）。热计算）。fchfe 2022-6-27李琼传热学2022-6-27李琼传热学v热辐射的主要波谱：热辐射的主要波谱：0.10.1100m100m 热效应显著，称为热射线，包括可见光线、部热效应显著，称为热射线，包括可见光线、部分红外和紫外线；分红外和紫外线；v可见光：可见光：0.380.380.76m0.76mv紫外、伦琴射线：紫外、伦琴射线：0.38m0.38mv红外线：红外线：0.760.76100m100mv地球上大部分物体地球上

6、大部分物体2000K2000K，大部分能量在，大部分能量在0.760.7620m20m，可见光段内热辐射比重不大；，可见光段内热辐射比重不大；v太阳：太阳：5762K5762K，主要能量集中在，主要能量集中在0.20.22m2m，可，可见光段内热辐射很大比重。见光段内热辐射很大比重。2022-6-27李琼传热学2 2、特点：、特点：v不不依赖物体的接触而进行热量传递，可以依赖物体的接触而进行热量传递，可以在真空中传播；在真空中传播；v伴随能量形式的两次转变：伴随能量形式的两次转变：发射：内能发射：内能电磁波电磁波吸收：电磁波吸收：电磁波内能内能v任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0

7、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；2022-6-27李琼传热学2022-6-27李琼传热学当热辐射投射到物体表面上时，当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图所示。反射和穿透，如图所示。11GGGGGGGGGG 2022-6-27李琼传热学1 1、吸收比、反射比和穿透比、吸收比、反射比和穿透比 v称为物体的吸收比，表示投射的总能量中被称为物体的吸收比，表示投射的总能量中被吸收的能量所占份额；吸收的能量所占份额；v称为物体的反射比，表示被反射的能量所占称为物体的反射比，表示被反射的能量所占份额；

8、份额；v 称为物体的穿透比，表示被透射的能量所称为物体的穿透比，表示被透射的能量所占份额；占份额；v如果投射能量是某一波长下的辐射能，上述关如果投射能量是某一波长下的辐射能，上述关系同样适用；系同样适用；v、 、 是物体表面的辐射特性，和物体是物体表面的辐射特性，和物体的性质、温度及表面状况有关。的性质、温度及表面状况有关。2022-6-27李琼传热学对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：1, 01,0对于纯气体（不含颗粒）：对于纯气体（不含颗粒）：2022-6-27李琼传热学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：镜反射镜反射漫反射漫反射镜面反射：入射角镜面反射：入

9、射角= =反射角，表面粗糙度反射角，表面粗糙度 波长波长2022-6-27李琼传热学镜体或白体：镜体或白体：透明体：透明体：111黑体：黑体：v 黑体不是黑色物体；黑体不是黑色物体；v 黑体，镜体和透明体并不存在。黑体，镜体和透明体并不存在。人工可以制造十分接近黑体人工可以制造十分接近黑体( (内表内表面面6%6%的小孔，的小孔，0.996)0.996)的模型。的模型。v 黑体如同不可压流体、可逆循环黑体如同不可压流体、可逆循环等一样，是一种理想化的研究方等一样，是一种理想化的研究方法。法。2 2、理想辐射模型：、理想辐射模型：v镜反射和漫反射。一般工程材料均形成镜反射和漫反射。一般工程材料均

10、形成漫反射。漫反射。v物体的颜色。关键在于是物体本身发射物体的颜色。关键在于是物体本身发射可见光还是物体反射可见光。可见光还是物体反射可见光。v理想辐射模型均是对全波长而言的。理想辐射模型均是对全波长而言的。2022-6-27李琼传热学2022-6-27李琼传热学1 1、 立体角立体角 平面角如图，平面角如图，s s为弧长，为弧长，r r为半径。为半径。 =s/r =s/r （radrad） 立体角如图，一个半球，在球面上取一个小面立体角如图，一个半球，在球面上取一个小面积，在这个面积周边向球心做射线，则这些射线所积，在这个面积周边向球心做射线，则这些射线所包围的空间即为立体角。立体角的度量用

11、球面度。包围的空间即为立体角。立体角的度量用球面度。rs 平面角定义图平面角定义图2022-6-27李琼传热学如图，在半球上割下一块微元面积如图，在半球上割下一块微元面积dAdA2 2，则，则dAdA2 2对应的立体角为微元立体对应的立体角为微元立体角角为清楚起见，将这个立体角放大，为清楚起见，将这个立体角放大， sr)(22rA rad)(rrrssr)(222222 rrrA22rdAd 即：即：半圆：半圆：半球：半球： ddrdrrddAsinsin22 ddrdAdsin22 2022-6-27李琼传热学目的：辐射能按方向分布目的：辐射能按方向分布比较基础：相同的立体角比较基础：相同的

12、立体角 相同的可见表面积相同的可见表面积 定义：定义：在某给定辐射方向上，单位时间、在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见单位可见辐射面积辐射面积、单位立体角内所发射全部波长的能量。用、单位立体角内所发射全部波长的能量。用I I表示，单位：表示，单位： W/(mW/(m2 2Sr)Sr)srW/(mcos),(),(I2ddAdddAd cosdAdA 为可见辐射面积。为可见辐射面积。 其中：其中：2 2、定向辐射强度、定向辐射强度( (Intensity of radiationIntensity of radiation) ) ： 2022-6-27李琼传热学可见辐射面积的重要性可见辐射面

13、积的重要性2022-6-27李琼传热学光谱定向辐射强度：光谱定向辐射强度：指在某给定方向上，单位时间、单位可见辐射面积，指在某给定方向上，单位时间、单位可见辐射面积，在波长在波长附近的单位波长间隔内、单位立体角所发射附近的单位波长间隔内、单位立体角所发射的能量，称为光谱定向辐射强度（单色定向辐射强度）的能量，称为光谱定向辐射强度（单色定向辐射强度），符号为，符号为I I，单位为单位为W/(mW/(m2 2m Sr )m Sr )。0,dIIddII2022-6-27李琼传热学3 3、辐射力、辐射力定向辐射力定向辐射力E E：在某给定方向上，：在某给定方向上，单位辐射面积单位辐射面积、在单位立体

14、角内所发射全波长的能量，称为定向辐在单位立体角内所发射全波长的能量，称为定向辐射力，符号为射力，符号为E E，单位为，单位为W/(mW/(m2 2sr)sr)。dAddE),(cosIE nnIE 时，法线方向o0 2022-6-27李琼传热学辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积向半球单位时间内，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。空间发射的所有波长的能量总和。 (W/m(W/m2 2) )；dEE0光谱辐射力光谱辐射力E E： 22cos dIEddEEdEE或光谱定向辐射力光谱定向辐射力E E，： 20,ddEE2022-6-27李琼传热学黑体：黑体：是指能吸收

15、投入到其是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物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，现实生活中是不存在体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。近似的人工黑体。 黑体模型黑体模型2022-6-27李琼传热学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，1.4391.4391010-2-2 W W K K； Planck 定律

16、的图示定律的图示2022-6-27李琼传热学KmTm 6 .2897vPlanckPlanck定律揭示了黑体辐射光谱的变化规定律揭示了黑体辐射光谱的变化规律；律；v在某一波长上，黑体光谱辐射力会达到一在某一波长上，黑体光谱辐射力会达到一个峰值，对应波长称为峰值波长；个峰值，对应波长称为峰值波长；v曲线与横坐标围成的面积表示黑体辐射力曲线与横坐标围成的面积表示黑体辐射力的大小；的大小；vmm与与T T 的关系由的关系由WienWien位移定律给出：位移定律给出：2022-6-27李琼传热学式中，式中，b b= 5.67= 5.671010-8-8 w/(m w/(m2 2 K K4 4) )，是

17、，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。24 W/mTbv针对黑体发射的能量对半球空间所有方针对黑体发射的能量对半球空间所有方向及全部波长范围而言；向及全部波长范围而言；v描述黑体辐射力描述黑体辐射力E Eb b随随T T的变化规律；的变化规律；v依据：依据：18791879年，年，StefanStefan实验；实验； 18841884年，年，BoltzmannBoltzmann热力学理论；热力学理论； 现可直接由现可直接由PlankPlank定律导出。定律导出。2022-6-27李琼传热学 21 dEEbb黑体在波长黑体在波长11和和22区段内所发射的

18、辐射力，如区段内所发射的辐射力，如图所示：图所示：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（黑体辐射函数（计算某一波段的辐射能计算某一波段的辐射能）2022-6-27李琼传热学黑体辐射函数：黑体在黑体辐射函数：黑体在0 0波长范围内的辐射能波长范围内的辐射能在其辐射力中所占的份额。在其辐射力中所占的份额。)(104b00)T0(TfdETdEdEFbbbb 例例8-2；8-3)F(FEET)b(T)b(b)b(122100 某一波段内辐射能份额：某一波段内辐射能份额：2022-6-27李琼传热学试分别计算温度为试分别计算温度为1000K1000K、1400K1400K

19、、3000K3000K、6000K6000K时时可见光和红外辐射在黑体总辐射中所占的份额可见光和红外辐射在黑体总辐射中所占的份额。所 占 分 额温 度K可 见 光红 外 线100014003000600099.999.8888.543.0辐射与颜色的关系：辐射与颜色的关系： 夏天穿白色衣服凉快，因为我们吸收的是太阳夏天穿白色衣服凉快，因为我们吸收的是太阳辐射辐射(0.2-2 (0.2-2 例题：例题：2022-6-27李琼传热学v描述黑体辐射能量沿半球空间方向的变化规律；描述黑体辐射能量沿半球空间方向的变化规律；v漫表面：既是漫辐射又是漫反射。漫表面：既是漫辐射又是漫反射。漫辐射：物体发射的辐

20、射强度与方向无关的性漫辐射：物体发射的辐射强度与方向无关的性质；质；漫反射：反射的辐射强度与方向无关的性质；漫反射：反射的辐射强度与方向无关的性质；漫表面的性质：发射和反射辐射强度与方向无漫表面的性质：发射和反射辐射强度与方向无关；关；vLambert Lambert 定律：定律：nIKII212022-6-27李琼传热学表明：表明：v单位辐射面积上发出的辐射能落到空间不同单位辐射面积上发出的辐射能落到空间不同方向单位立体角内的能量是不等的，其值正方向单位立体角内的能量是不等的，其值正比于该方向与辐射面法线夹角的余弦；比于该方向与辐射面法线夹角的余弦；v法线方向的定向辐射力最大，切线方向最小，

21、法线方向的定向辐射力最大，切线方向最小，但其定向辐射强度却相同；但其定向辐射强度却相同；v除黑体外，只有漫辐射表面才遵守兰贝特定除黑体外，只有漫辐射表面才遵守兰贝特定律。律。EIIEnncoscoscos 2022-6-27李琼传热学漫辐射表面的辐射力是任意方向定向辐射强度的漫辐射表面的辐射力是任意方向定向辐射强度的倍。倍。该定律描述了黑体及漫辐射表面定向辐射力按空间该定律描述了黑体及漫辐射表面定向辐射力按空间方向的分布变化规律。方向的分布变化规律。2022-6-27李琼传热学v暖气取暖时与方向有关，太阳辐射与方向暖气取暖时与方向有关，太阳辐射与方向有关，是否与有关，是否与LambertLam

22、berts Law s Law 相矛盾？（黑相矛盾？（黑体在任何方向上的定向辐射强度与方向无体在任何方向上的定向辐射强度与方向无关）关） 答：将定向辐射强度定义变形得辐射能：答：将定向辐射强度定义变形得辐射能： 人与暖气的距离不变时，人与暖气的距离不变时，d=constd=const，dA=constdA=const，I=constI=const，角度不同，角度不同，coscos不同，当不同，当=0=0时，辐射面获得的能量最多。时，辐射面获得的能量最多。故故I I与方向无关，而与方向无关，而dd（）与方向有关。）与方向有关。cos)(dAdId2022-6-27李琼传热学v思路分析：思路分析：

23、A A1 1AA2 2辐射，求投入辐射能。辐射，求投入辐射能。 cos)(1AIGbEI4TEbb22lA0求得求得G A1A2l2022-6-27李琼传热学A1A2xld偏移偏移x距离距离 1cos5 . 0AIGG222cosxlAcos)(22xll22222122221)(cosxllAAIxlAAIGx=0.19m 2022-6-27李琼传热学v黑体辐射力黑体辐射力E Eb b由四次方定律确定由四次方定律确定，v黑体辐射能量按波长分布服从黑体辐射能量按波长分布服从, ,按空间方向分布则服从按空间方向分布则服从v黑体的光谱辐射力黑体的光谱辐射力E Ebb有峰值，对应的波长有峰值，对应的

24、波长maxmax由由确定。随温度确定。随温度T T升高升高,maxmax向短波移动。向短波移动。24 W/mTEbb 2022-6-27李琼传热学v辐射特性：漫射体性质辐射特性：漫射体性质向半球空间各个方向发射的辐射强度是向半球空间各个方向发射的辐射强度是均匀的；辐射能随均匀的；辐射能随coscos变化；变化；在规定的温度下，黑体发射的辐射能按在规定的温度下，黑体发射的辐射能按波长分布不均匀；波长分布不均匀；和其他任何物体比较，以黑体发射的辐和其他任何物体比较，以黑体发射的辐射能最多；射能最多；v吸收特性吸收特性吸收率：表示物体吸收投射辐射的能力吸收率：表示物体吸收投射辐射的能力黑体黑体1 1

25、1 bbbb2022-6-27李琼传热学1 1、 发射率发射率v前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发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；射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；v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；v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：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比射力之比: :4TEEEb 2022-6-27李琼传热学上面公式只是针对方向和波长平均的情况，但

26、实际上面公式只是针对方向和波长平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随方向和波长变化的。上，真实表面的发射能力是随方向和波长变化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)2022-6-27李琼传热学因此，我们需要定义因此，我们需要定义光谱定向发射率光谱定向发射率，对于某一指，对于某一指定的方向定的方向( ( , , ) ) 和波长和波长 ,b , ,EE bb ,EE dE dE 0,0对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率，即发射率，即实际物体的实际物体的定向发射率定向

27、发射率：2022-6-27李琼传热学 b EE 对于指定波长，而在方向上对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了半球平均的情况，则定义了半球光谱光谱发射率发射率，即，即实际物体的实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比射力之比E如果已知某物体的发射率如果已知某物体的发射率，则该物体的辐射力，则该物体的辐射力为：为：4100 TEEbb2022-6-27李琼传热学漫发射漫发射的概念：表面的定向发射率的概念：表面的定向发射率 与方向无与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律关，即定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的的

28、表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。一种很好的近似。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)(t=150)2022-6-27李琼传热学几种非导电体材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)(t=093.3)2022-6-27李琼传热学但从图中可以看出，金属在但从图中可以看出，金属在=0-400-40o o、非金属在、非金属在=0-60=0-60o o的单色的单色发射率基本为常数，所以较为粗发射率基本为常数，所以较为粗糙的实际物体表面可作为漫射表糙的实际物体表面可作为漫射表

29、面处理，但其发射率应做如下修面处理，但其发射率应做如下修正：正：（非金属）（非金属）（磨光金属表面）（磨光金属表面）2022-6-27李琼传热学各朝向辐射同性的表面称为漫辐射表面，各朝向辐射同性的表面称为漫辐射表面， f()f()；f()f()符合兰贝特余弦定律；符合兰贝特余弦定律；定向吸收比与空间方向无关。定向吸收比与空间方向无关。辐射力符合四次方定律：辐射力符合四次方定律：E=EE=Eb b=E Eb b一般较为粗糙的实际物体表面可作为漫射表面处理。一般较为粗糙的实际物体表面可作为漫射表面处理。2022-6-27李琼传热学v实际材料表面的光谱辐射力不遵守普朗克定律，实际材料表面的光谱辐射力

30、不遵守普朗克定律，或者说不同波长下光谱发射率随波长的变化比或者说不同波长下光谱发射率随波长的变化比较大，并且不规则。较大，并且不规则。v某一温度下，实际物体的单色辐射力随波长的某一温度下，实际物体的单色辐射力随波长的变化是不规则的。但工程上，实际物体一般可变化是不规则的。但工程上，实际物体一般可用用灰体灰体近似替代。近似替代。2022-6-27李琼传热学v灰体：是指物体光谱辐射力与同温度黑体光谱灰体：是指物体光谱辐射力与同温度黑体光谱辐射力随波长的变化曲线相似，或它的单色发辐射力随波长的变化曲线相似，或它的单色发射率不随波长变化，即：射率不随波长变化，即： f()f()；f()f()v辐射是连

31、续的光谱：辐射是连续的光谱：E E=E Eb,b,v辐射力符合四次方定律：辐射力符合四次方定律：E=EE=Eb b=E Eb b一般实际物体表面在红外线一般实际物体表面在红外线波长范围内，可以近似作为波长范围内，可以近似作为灰体处理。灰体处理。 2022-6-27李琼传热学(1)(1)实际物体的辐射力与黑体和实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图；灰体的辐射力的差别见图；(2)(2)实际物体的辐射力并不完全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；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实际物体的定向辐射强度也不严格遵守不严格遵守LambertLamb

32、ert定律，定律，实际物体、黑体和灰体的实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱辐射能量光谱因此，他们一般需要实验来确定，形因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能很复杂。在工程上一般都将式也可能很复杂。在工程上一般都将真实表面假设为真实表面假设为漫射表面漫射表面。实际物体。实际物体在红外波段范围内可近似视为在红外波段范围内可近似视为灰体灰体。2022-6-27李琼传热学1.1.将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常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；复杂，很难理论确定，实际上是一种权宜之计；2.2.服从服从LambertLambert定律的表

33、面成为漫射表面。虽然实际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物体的定向发射率并不完全符合LambertLambert定律，但定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从仍然近似地认为大多数工程材料服从LambertLambert定律，定律，这有许多原因；这有许多原因；3.3.物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表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身有面状况。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。关，而不涉及外界条件。2022-6-27李琼传热学 上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当上一节简单介

34、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，该物体对投入辐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？本节将对其作出解答。射吸收的情况又是如何呢？本节将对其作出解答。Semi-transparent medium2022-6-27李琼传热学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总辐：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能。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，因此，：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不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。

35、同而变化，这叫选择性吸收。3.3.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，即，即)(投入辐射投入的能量吸收的能量2022-6-27李琼传热学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：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数。光谱吸收比随波长的变化所吸收的百分数。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。体现了实际物体的选择性吸收的特性。能能量量投投入入的的某某一一特特定定波波长长的的能能量量吸吸收收的的某某一一特特定定波波长长的的 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

36、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。2022-6-27李琼传热学根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面根据前面的定义可知，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。设下标布有关。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TTfTE

37、TTETTbb2022-6-27李琼传热学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),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性质表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb2022-6-27李琼传热学2022-6-27李琼传热学如图所示，板如图所示，板1 1是黑体，板是黑体，板2 2是任意物体，参数分是任意物体，参数分别为别为E Eb b, , T T1 1 以及以及E E, , , T, T2 2，则当系统处于热平衡，则当系统处于热平衡时，有时，有 bbEEE

38、E 平行平板间的辐射平行平板间的辐射换热换热2022-6-27李琼传热学(1)(1)整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；(2)(2)如物体的吸收比和发射率与温度有关，则二者如物体的吸收比和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；只有处于同一温度下的值才能相等；(3)(3)投射辐射源必须是同温度下的黑体。投射辐射源必须是同温度下的黑体。为了将为了将Kirchhoff Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式，见下表。同层次上的表达式，见下

39、表。2022-6-27李琼传热学层层 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，半球全波段全波段. .定向定向全波段，半球全波段，半球无条件，无条件， 为天顶角为天顶角漫射表面漫射表面灰表面灰表面与黑体处于热平衡或对与黑体处于热平衡或对漫灰表面漫灰表面)()(,TT)()(TT)()(TT(1)(1)漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合间方向无关，即符合LambertLambert定律的物体表面；定律的物体表面；(2)(2)灰体：指单色吸收率与波长无关的物体，其发灰体：指单色吸收率与波长无关的物体，

40、其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。小了一个相同的比例。)()(TT2022-6-27李琼传热学v基本概念：基本概念： 黑体、漫射表面、灰体、漫黑体、漫射表面、灰体、漫- -灰表面、发灰表面、发射率、吸收比、辐射强度、辐射力射率、吸收比、辐射强度、辐射力v基本定律基本定律普朗克定律普朗克定律斯蒂芬斯蒂芬- -玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律兰贝特余弦定律兰贝特余弦定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律2022-6-27李琼传热学例题例题1 1：=与与=的区别是什么？的区别是什么？答：区别在于答：区别在于=的适用条件为灰体的适用条件为灰体表面

41、，而表面，而=的适用条件为漫射表面。的适用条件为漫射表面。2022-6-27李琼传热学例题例题2 2、应用维恩定律解释金属加热过程的、应用维恩定律解释金属加热过程的颜色变化。颜色变化。答：维恩定律维恩定律maxmaxT=2897.6 T=2897.6 m mK K表明，表明，物体随着温度物体随着温度T T的升高，的升高，maxmax向波长减小向波长减小的方向移动。金属发射的能谱中可见光的方向移动。金属发射的能谱中可见光部分的份额越来越多，其可见光中的短部分的份额越来越多，其可见光中的短波部分也越来越多，因而感觉到金属加波部分也越来越多，因而感觉到金属加热过程随着热过程随着T T升高颜色由黑逐渐

42、变为暗红、升高颜色由黑逐渐变为暗红、橘红、鲜红，甚至白亮色。橘红、鲜红，甚至白亮色。2022-6-27李琼传热学例题例题3 3、试从热辐射观点分析，用电炉来烘烤、试从热辐射观点分析，用电炉来烘烤某一工件，把工件放在电炉的正上方热得某一工件，把工件放在电炉的正上方热得快还是放在电炉的边沿热得快？为什么？快还是放在电炉的边沿热得快？为什么？答：虽然不论是放在上方，还是放在边沿，虽然不论是放在上方，还是放在边沿，工件被辐射照射面积相同，所张立体角也工件被辐射照射面积相同，所张立体角也相同，但一个是法向，一个是成相同，但一个是法向，一个是成角的偏角的偏向，而向，而E E=E=En ncoscos，所以

43、工件放在电炉正，所以工件放在电炉正上方上方( (即法向即法向) )得到的辐射热多，热得快。得到的辐射热多，热得快。2022-6-27李琼传热学例题例题4 4、实际物体表面的发射率和吸收比主、实际物体表面的发射率和吸收比主要受哪些因素影响？要受哪些因素影响？答：发射率答：发射率与物体本身的性质与物体本身的性质( (种类种类) )、表面状况、温度及方向有关。吸收比表面状况、温度及方向有关。吸收比与物体的种类、表面状况及温度有关，与物体的种类、表面状况及温度有关，而且与入射的波长有关。而且与入射的波长有关。2022-6-27李琼传热学例题例题5 5、何谓、何谓“漫漫灰表面灰表面”？ 有何实际意义？有何实际意义？答：答：1 1）“漫漫灰表面灰表面”是研究实际物体表面时建是研究实际物体表面时建立的理想体模型。立的理想体模型。 2 2）漫辐射、漫反射指物体表面在辐射、反射）漫辐射、漫反射指物体表面在辐射、反射时各方向相同。灰表面是指在同一温度下表面时各方向相同。灰表面是指在同一温度下表面的辐射光谱与黑体辐射光谱相似，吸收比也取的辐射光谱与黑体辐射光谱相似，吸收比也取定值。定值。 3 3）“漫漫灰表面灰表面”的实际意义在于将物体的的实际意义在于将物体的辐射、反射、吸收等性质理想化，可应用热辐辐射、反射、吸收等性质理想化，可应用热辐射的基本定律了。