热辐射基本定律

1、第八章热辐射(fsh)基本定律和辐射(fsh)特性共七十一页主要(zhyo)内容热辐射的基本概念黑体(hit)辐射基本定律 1、普朗克定律 2、维恩位移定律 3、斯忒藩玻尔兹曼定律（四次方定律） 4、兰贝特定律（朗伯定律）固体和液体的辐射特性实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系 -基尔霍夫定律太阳与环境辐射热辐射基本定律共七十一页8.1 热辐射现象(xinxing)的基本概念2.热辐射的特点(tdin)热辐射可在真空中传播, 不需要任何中间介质 ( 在真空中传递的效率最高)；且辐射能的传播具有直线性b.在发生能量转移的同时还伴有能量形式的转换辐 射: 以电磁波形式传递能量的过程热辐射: 由于热的

2、原因而产生的电磁波辐射辐射传热: 物体间相互辐射和吸收的总效果1. 辐射、热辐射与辐射传热8.1.1 热辐射的定义及特点共七十一页 8.1.2 热辐射的电磁波特性(txng)1.传播速率、波长、频率间的关系共七十一页可见光: 0.380.76 ; 热射线: 0.1100 2.电磁波波谱(bp)波长共七十一页 3.物体(wt)表面对电磁波的作用特例(tl)：固、液：+=1；=0 气体： +=1；=0(1)吸收、反射、穿透及相互关系 Q+Q+Q=Q +=1-穿透率-反射率-吸收率共七十一页 (2)固体表面(biomin)的反射类型镜反射: 从某一方向入射的辐射按反射角等于入射 角的规律反射 (表

3、面的不平整尺寸小于投 入辐射的波长)漫反射: 从某一方向入射的辐射向空间各个向方向 反射出去(ch q) ( 发生于表面的不平整尺寸大于 投入辐射的波长的场合)共七十一页 镜反射(fnsh)漫反射共七十一页 黑体：能吸收所有投射到其表面上的辐射(fsh) 能的物体(即=1的物体)镜体：反射比等于1的物体 (当反射为漫反射时称为白体)透明体：穿透比等于1的物体 1.几个理想(lxing)物体8.1.3 黑体模型共七十一页 2. 黑体(hit)模型共七十一页(3) E与E 的关系：辐射力的概念(ginin)8.2 黑体(hit)辐射的基本定律(1) (全色)辐射力E 单位时间内物体的单位表面积向半

4、球空间的所 有方向辐射出去的全部波长范围内的能量, W/m2。 表征物体表面向外界发射辐射能本领的大小。(2) 单色辐射力E （光谱辐射力） 单位时间内物体的单位表面积向半球空间的所 有方向辐射出去的在包含在内的单位波长内的能 量，W/m3。共七十一页8.2.1 斯忒藩玻耳兹曼定律（四次方定律） 反映(fnyng)黑体的(全色)辐射力与温度的关系其中： 黑体辐射常数(chngsh)(5.6710-8W/m2.K4) C0黑体辐射系数(5.67W/m2.K4)共七十一页8.2.2 普朗克定律(dngl)式中:1.普朗克定律(dngl)反映在一定温度下，黑体的光谱(单 色)辐射力随波长的分布规律：

5、共七十一页规律：(1)T一定时，Eb 与波长有关(为一连续曲线)，在 =0 之间单色辐射力存在一峰值(Eb )max； (2)对应不同的温度，有不同的能量分布曲线：随T 的升高，出现峰值的位置向短波方向移动，同 时 (Eb )max值增大。共七十一页2、维恩位移(wiy)定律（反映出现最大单色辐射力的波 长m与绝对温度T之间的关系）：P362例81：维恩位移定律的应用结果：一般工业高温范围(2000K), m =1.45 m(红外区段) 太阳(tiyng)表面温度(5800K), m=0.50 m (可见光)定律的应用：分析金属在不同温度下的颜色变化。 m T=2.897610-3m.K 2.

6、910-3m.K共七十一页3、普朗克定律(dngl)与斯忒藩玻耳兹曼定律的关系共七十一页4、黑体(hit)辐射能按波段的分布 (即黑体的波段辐射力Eb的确定)a. 黑体辐射(fsh)函数Fb(0)的概念定义：共七十一页b.黑体(hit)的波段辐射力Eb由辐射(fsh)函数的定义可得:所以：共七十一页平面角：8.2.3 兰贝特定律(dngl) -(反映黑体辐射能按空间方向的分布规律)1.立体角共七十一页立体角：共七十一页 2.定向辐射强度 I 定义(dngy)：单位时间内、单位可见辐射面积、单位 立体角的辐射能量称为定向辐射强度即：共七十一页3. 兰贝特定律(余弦定律)： -黑体辐射的定向(dn

7、 xin)辐射强度等于常量,与方向无关故由式(8-15b)又有： 即：Ip=Im=In=I表明:黑体单位面积辐射出去的能量在空间不同(b tn)方 向的分布按纬度角的余弦规律变化.共七十一页4. 兰贝特定律与斯忒藩玻耳兹曼定律间的关系(gun x) 即定向辐射强度I与辐射力E之间的关系对于(duy)服从兰贝特定律的辐射，有：即:共七十一页(3) E与E 的关系(gun x)： 1. 辐射力的概念(ginin)8.2 黑体辐射基本定律(1) (全色)辐射力E(2) 单色辐射力E （光谱辐射力）2. 斯忒藩玻耳兹曼定律（四次方定律） 反映黑体的(全色)辐射力与温度的关系共七十一页3.普朗克定律反映

8、在一定温度下，黑体(hit)的光谱(单 色)辐射力随波长的分布规律规律(gul)：(1)T一定时，Eb 与波长有关(为一连续曲线)，在 =0 之间单色辐射力存在一峰值(Eb )max； (2)对应不同的温度，有不同的能量分布曲线：随T 的升高，出现峰值的位置向短波方向移动，同 时 (Eb )max值增大。共七十一页4、维恩位移定律（反映出现最大单色辐射力的波 长m与绝对温度(juduwnd)T之间的关系）： m T=2.897610-3m.K 2.910-3m.K5、普朗克定律(dngl)与斯忒藩玻耳兹曼定律的关系6. 黑体的波段辐射力Eb共七十一页7. 兰贝特定律(反映(fnyng)黑体辐射

9、能按空间方向的分布规律)(1)立体角与定向(dn xin)辐射强度的概念(2) 兰贝特定律(余弦定律) -黑体辐射的定向辐射强度等于常量,与方向无关 即：Ip=Im=In=I表明:黑体单位面积辐射出去的能量在空间不同方向 的分布按纬度角的余弦规律变化.(3) 兰贝特定律与斯忒藩玻耳兹曼定律间的关系:对于服从兰贝特定律的辐射，有：共七十一页8.3 实际(shj)固体和液体的辐射特性共七十一页特征：在相同(xin tn)温度下，实际物体的辐射力总是小 于黑体的辐射力两者的差别(chbi)用发射率(黑度)表示共七十一页 反映(fnyng)物体发射辐射能的能力大小，对于一定的物体表面，其数值与温 度有

10、关（具体关系由实验测定）8.3.1 实际(shj)物体的辐射力E(全色辐射力) 与发射率定义: 实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之为 实际物体的发射率(黑度), 用表示： 则实际物体的辐射力为: 共七十一页 黑度与单色黑度 间的关系：8.3.2 实际物体(wt)的光谱辐射力E与光谱发射率()定义: 实际物体的光谱辐射力与同温度下黑体在同一 波长下的光谱辐射力之比称为实际物体的光谱 发射率(光谱黑度), 用()表示： 一般, 实际物体的黑度(hi d)除与表面性质有关外,还与温度存在依变关系.共七十一页8.3.3 实际物体(wt)的定向辐射强度I()与定向发射率定义: 实际物体在某一方向的

11、定向辐射强度与同温 度下黑体的定向辐射强度之比称为实际物体 的定向发射率(定向黑度), 用 表示：式中: 辐射方向与辐射面法线方向之间的夹角; 方向上的定向辐射强度 同温度下黑体的定向辐射强度共七十一页1. 定向(dn xin)发射率 随角的变化规律共七十一页共七十一页2. 定向发射率与半球平均(pngjn)发射率间的关系简化式(工程计算中黑度的实用处理(chl)方法)：式中: 为法向发射率(见P369表8-2)共七十一页金属表面(表面高度磨光时取上限) M=1.21.3, 即=(1.21.3) n(2) 非导体, M=0.951.0(3) 实用中，对于工程材料(高度磨光表面除外)，一 般可取

12、M1.0，即n (实际情况: 有光滑表面的物体(wt)， =0.95n 粗糙的物体， =0.98n) 即: 大部分工程材料的定向发射率可近似取为定 值, 故可作漫射体处理(4) 非金属材料，当缺乏资料时，可近似取=0.9共七十一页P370 例8-5、8-6* 本节中，还有几点需要注意将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常 复杂很难理论确定，实际上是一种权宜之计；2.服从Lambert定律的表面称为漫射表面。虽然实际物 体的定向发射率并不完全符合Lambert定律，但仍然 近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律，这有 许多原因；3.影响物体表面发射率的因素: 物质种类、表面温度和

13、表面状况。 这说明发射率只与发射辐射(fsh)的物体本身 有关，而不涉及外界条件。共七十一页2、光谱吸收比(单色吸收比) () 物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分比8.4.1 实际物体的吸收比 表示物体表面(biomin)对辐射能的吸收特性8.4 实际物体对辐射能的吸收(xshu)与辐射的关系 一般，()与波长有关(物体对辐射能吸收 的选择性）见P372图8-17、图8-181、投入辐射G 单位时间内从外界投射到物体单位表面积上的 各种波长能量的总和，称为对该表面的投入辐 射. 单位 W/m2.共七十一页共七十一页温室效应：利用了玻璃对辐射能吸收(xshu)的选择性 （对3m的辐射能穿透比

14、很大， 对3m的辐射能穿透比很小）物体(wt)的颜色变化：取决于物体(wt)表面对可见光的选择 性吸收特性选择性吸收和穿透实例：温室效应、物体的颜色等共七十一页3、吸收比 物体对投入辐射(fsh)所吸收的百分比. (表征物体表面对外来能量的反应) 的数值取决于： (1) 吸收辐射(fsh)物体本身的状况(表面1的性质和温度); (2) 投入辐射的特性(能量按波长的分布) (即表面2的性 质和温度)。即：共七十一页对于(duy)来自黑体的辐射 ，有： 对于给定的物体，对黑体(hit)辐射的吸收比则只 是温度T1、T2的函数（见P375图8-19）共七十一页规律：T1一定时，非导电 体对黑体辐射的

15、吸 收比 随温度(wnd)T2 的增加而减小 (2) T1一定时，导电体 对黑体辐射的吸收 比 随温度 T2的 增加(zngji)而增大共七十一页 物体(wt)颜色对吸收比的影响情况： 对可见光呈强烈的选择性； 对红外辐射几乎无选择性。共七十一页 8.4.2 灰体 光谱吸收(xshu)比()与波长无关的物体即对于灰体有： ()=常数，故有： 与黑体类似，灰体也是一种(y zhn)理想物体。实用中，大多数工程材料均可作灰体处理（工业上的热辐射范围绝大部分在红外区段的0.7610 m之间, 此时 一般不随波长作显著变化）共七十一页 物体的选择性吸收特性，在实际生产中利用的例 子很多，但也给工程中辐

16、射换热的计算带来巨大麻烦。 对此，一般有两种处理方法，即 (1)灰体法： 即将光谱吸收比()等效为常数，=()=const， 将物体作为灰体处理。误差在允许范围内； (2)谱带模型法: 即将所关心的连续分布(fnb)的谱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 体假设。共七十一页 8.4.3 吸收(xshu)比与发射率之间的关系 基尔霍夫(Kirchhoff)定律1、实际物体(wt)吸收比与发射率之间的关系式(8-25a)成立的条件：热平衡 (1)基尔霍夫定律的表述 在热平衡条件下，任何物体的辐射力与对黑 体辐射的吸收比之比恒等于同温度下黑体的辐射 力。即：共七十

17、一页基尔霍夫定律的另一表述： 在热平衡条件下，任意物体对黑体辐射的吸收比恒等于同温度下该物体的发射率。即结论同温度下，物体(wt)的辐射力越大，吸收比也就越大同温度下，所有物体中黑体的辐射力最大 (2)定律(dngl)的证明（见P377）共七十一页2. 特例漫射灰体吸收(xshu)比与发射率之间的关系(1)由灰体的定义=()=常数，有=()=常数(2)对于灰体，不论对于来自何处的辐射(fsh)，也不论是 否处于热平衡，恒有=结论: 在灰体层面上, 善于辐射的物体必善于吸收共七十一页 关于基尔霍夫定律及灰体假设(jish)的几点说明1、基尔霍夫定律在不同(b tn)层次上有不同(b tn)的表达

18、式 （详见P377表8-3）2、在常见的温度范围内，大多数工程材料均可作 灰体处理（漫灰表面）3、由定律可得出结论：物体的辐射能力越大，其 吸收能力也越大（善于辐射必善于吸收） 条件：灰体4、上述处理方法不适用于对太阳辐射的吸收 （大多数物体对可见光有强烈的选择性）共七十一页层 次数学表达式成立条件光谱，定向光谱，半球全波段，半球无条件，为纬度角漫射表面与黑体处于热平衡或对漫灰表面表8-3 Kirchhoff 定律(dngl)的不同表达式共七十一页8.4.4 温室效应(wn sh xio yn)温室(wnsh): 位于太阳照耀下的封闭的空间 (小轿车、暖房等)原理: 利用玻璃对太阳辐射的强烈的

19、选择性 见P378图8-21 （对3m的热辐射有很高的穿透比， 对3m的热辐射的穿透比则很小）吸收性气体温室气体(二氧化碳、多种CFC制冷剂如冰箱制冷剂R12)共七十一页P378 例8-7:已知：煤层温度2000K，可作黑体；炉墙为温射表面(biomin)， 内表面温度500K，光谱发射率如图。求：炉墙内表面的发射率与对煤层辐射(fsh)的吸收比共七十一页解：(1)先求发射率。由发射率的定义(dngy)可得： 其中： 1、2、3已 知，Fb(01)、Fb(12)及Fb(2)可根据(gnj)T1值从黑体辐射函数表查得。代入数据后可得：(T1)=0.61共七十一页(2)再求对煤层(micng)辐射

20、的吸收比由对黑体辐射的吸收(xshu)比的定义式(7-23b)可得： 其中： 1、2、3已 知，Fb(01)、Fb(12)及Fb(2)可根据T2值从黑体辐射函数表查得。代入数据后可得：(T1、T2)=0.395 (T1)共七十一页1、太阳辐射的光谱分布特点： 近似于5762K（5800K）的黑体辐射 最大能量对应(duyng)波长： max=0.50m, 99%能量集中区域： =0.2m3m8.5 太阳与环境(hunjng)辐射8.5.1 太阳常数共七十一页共七十一页共七十一页式中：f地日距离修正系数，0.971.03 天顶角(dn jio)（太阳射线与地面法线之间的夹角） Sc太阳常数（日地

21、平均距离处，大气层外缘 与太阳射线相垂直的单位(dnwi)表面积所接受到 的太阳辐射能，其值为(13706)W/m2大气层外缘水平面上单位面积接受到的太阳辐射能(8-26)2. 太阳常数故, 单位时间内照射到地球上的太阳辐射能约为:相当于每秒钟燃烧600万吨标准煤的发热量共七十一页8.5.2 太阳能穿过(chun u)大气层时的削弱大气层对太阳辐射的两种削弱作用:1. 包含在大气层中的吸收性气体的吸收作用 ( 臭氧、水蒸汽、二氧化碳、各种CFC气体 )2. 散射作用: 对太阳投入辐射的重辐射 分子散射基本上向整个空间均匀地进行 米散射-由于(yuy)大气层中的尘埃与悬浮微粒所 造成, 使辐射能

22、基本沿投入辐射方 向继续向前传递,直接到达地球表面共七十一页8.5.3 环境(hunjng)辐射环境辐射-地球(dqi)及大气层中某些具有辐射能力成份的辐射.气象研究表明, 大气层对地球表面的投入辐射为:式中: 等效天空温度, 其值与气象条件有关 共七十一页8.5.4 物体(wt)对太阳能的吸收部分(b fen)物体对太阳辐射的吸收比见P383表8-4 在研究物体与太阳辐射的相互作用时，不能把物体作灰体，即其中， 为物体对太阳辐射的吸收比共七十一页 太阳能的应用实例太阳能集热器 （将太阳能转换成工质热水(r shu)的热能的设备）共七十一页 2. 太阳能集热器的效率(xio l)：(10-4)

23、1. 稳态条件(tiojin)下，集热器单位面积的热平衡方程:（10-3）共七十一页3. 提高(t go)太阳能集热器效率的途径和措施 措施: 利用对太阳光透明的玻璃或塑料薄膜使吸热面不 直接暴露(bol)于外界环境; 采用双层玻璃覆盖层; 吸热面采用光谱选择性涂层(具有较高的s/值) 途径： 在保持最大限度采集太阳辐射的同时，尽可能减 小其对流和辐射散热损失。共七十一页一、热辐射的基本概念 1、辐射、热辐射与辐射传热 2、热辐射的特点 3、物体表面(biomin)对热辐射的反应(吸收比、反射 比、穿透比);几个理想物体 4、辐射力与光谱辐射力; 发射率 5、投入辐射 6、灰体与漫射体本章内容(nirng)小结共七十一页 二、黑体辐射基本定律 1、普朗克定律 反映在一定温度下，黑体的辐射力随波 长的分布规律 2、维恩(位移)定律 反映出现最大单色辐射力的波长m与 绝对温度T之间的关系(gun x)(成反比 ) 3、斯忒藩玻尔兹曼定律（四次方定律） 反映黑体 (全色)辐射力与温度的关系 4、兰贝特定律（朗伯定律） 反映黑体辐射按空间方向的