东南大学传热学课件第七章第三四节

第三节实际固体和

液体的辐射特性在这一节里，我们将把实际物体的辐射特性与黑体进行比较，从辐射总能量按波长和方向的分布的规律动身，分别引动身射率、光谱放射率及定向放射率几个概念，并探讨其特点。实际物体光谱辐射力的特征实际物体的光谱辐射力往往随波长作不规则的变更。实际物体的辐射力就等于光谱辐射力曲线与横坐标轴围成的面积。实际物体的辐射力小于同温度下黑体的辐射力。实际物体的放射率定义：实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为实际物体的放射率，习惯上称为黑度，记为实际物体的光谱放射率定义：物体某一特定波长下的光谱辐射力与同温度、同波长条件下黑体的光谱辐射力之比，称为物体的光谱放射率，记为光谱辐射力有时也称为单色黑度。实际物体辐射力的计算当已知实际物体的黑度时，其辐射力可按下面的公式计算试验探讨发觉，实际物体的辐射力并不严格地同热力学温度的四次方成正比，但要对不同物体接受不同方次的规律来计算，在好用上很不便利。所以，在工程计算中仍认为一切实际物体的辐射力都与热力学温度的四次方成正比，而把由此引起的修正包括到用试验方法确定的放射率中去。由于这个缘由，放射率还与温度有依靠关系。实际物体的定向放射率定义：实际物体在某方向的辐射强度与同温度、同方向黑体的辐射强度之比，称为实际物体的定向放射率，记为定向放射率也被称为定向黑度。实际物体的辐射不符合兰贝特定律，即实际物体的定向辐射强度在各个方向是不同的。金属材料定向黑度与方向的关系金属导体定向黑度的特点在表面的法线方向旁边，定向黑度较小；从法线方向起先，在确定的角度内，定向黑度都比较小，且保持不变；到达确定的角度之后，随着角度的增加，定向黑度也急剧地增加；在接近表面切线方向旁边的微小角度内，定向黑度又有减小。非导体材料的定向黑度与方向的关系非导电体材料定向黑度的特点从法线方向起先，在确定的角度内，定向黑度较大，且保持不变；当角度大于确定的角度之后，随着角度的增加，定向黑度明显地减小，直到表面切线方向时，减为零。不同材料的辐射特性对金属辐射而言，角度较大时辐射的能量较多；而角度较小时辐射的能量相对较少。对于非导体材料，角度较小时辐射的能量较多；而角度较大时辐射的能量较少。实际物体的平均黑度

与定向黑度的关系尽管实际物体的定向放射率有上述变更，但并不显著地影响在半球空间的平均值。大量试验表明，物体的半球平均放射率与法向放射率的比值，对于高度抛光的金属表面约为1.20，对其他具有光滑表面的物体约为0.95，对粗糙表面的物体约为0.98。因此往往不考虑的变更微小环节，而近似地认为大多数工程材料也听从兰贝特定律。我们称听从兰贝特定律的表面为漫射表面（即各个方向定向黑度相等的表面）。黑度可认为是物性参数实际物体的放射率只取决于物体的种类、物体的表面温度及其物体的表面状况，而与外界因素无关，这说明物体的放射率只与自身的性能有关，因此可以被认为是物性参数。影响物体放射率的主要因素物质的种类。例如，常温下白色大理石的放射率为0.95，而镀锌铁皮的放射率只有0.23。物质的表面温度。例如，严峻氧化的铝表面50℃时其放射率为0.2，而500℃时为0.3。物体的表面状况。例如，在常温下无光泽黄铜的放射率为0.22，而磨光后黄铜的放射率是0.05。说明，同一材料，高度磨光表面的放射率很小，而粗糙表面和受氧化作用后的表面放射率常常为磨光表面的数倍。第四节实际物体的吸取比

与基尔霍夫定律本节主要介绍实际物体的吸取特性，以及吸取特性与放射特性的关系。在吸取特性中主要探讨其主要影响因素及在特定条件下的计算。介绍灰体的概念。介绍物体的吸取比与放射率之间的关系，即基尔霍夫定律。给出基尔霍夫定律的适用条件。相关概念投入辐射：单位时间内从外界辐射到单位表面积上的总辐射能称为投入辐射。选择性吸取：对外界来的不同波长的投入辐射，其吸取比不同，这叫作选择性吸取。吸取比：物体对投入辐射所吸取的百分数称为吸取比。光谱吸取比：物体对某一特定波长的辐射能所吸取的百分数称为光谱吸取比，也称为单色吸取比。实际物体的吸取比定义：物体对投入辐射所吸取的百分数称为吸取比，通常用表示。实际物体的光谱吸取比定义：物体对某一特定波长的辐射能所吸取的百分数称为光谱吸取比，也称为单色吸取比，用符号表示。实际物体吸取比的特点实际物体的吸取比取决于两方面的因素：1.吸取物体本身的状况：所谓物体本身的状况，是指物体的种类、物体的温度及物体的表面状况等；2.放射辐射能的物体的状况：包括放射物体的种类、温度和表面状况等。由此可见，物体的吸取比比起放射率来要更加困难。金属导体的光谱吸取比与波长的关系非导体材料光谱吸取比与波长的关系选择性吸取物体的光谱吸取比随波长而变更的特性称为物体的吸取具有选择性。在工农业生产中常常利用这种选择性来达到确定的目的。如（1）暖房（2）有色眼镜（3）不同的颜色等暖房原理暖房是用玻璃或塑料制成的。当太阳光照射到玻璃上时，由于玻璃对波长小于的辐射能吸取比很小，从而使大部分太阳能可以进入暖房。但暖房中的植物由于温度较低，其辐射能绝大部分位于波长大于的红外范围内，而玻璃对于波长大于的辐射能的吸取比很大，从而阻挡了辐射能向暖房外的散失。这样对暖房而言，进入的热量多于出去的热量，所以暖房内的温度较室外的温度要高，所以称之为暖房。为什么会有各种不同的颜色世上万物呈现不同颜色的主要缘由也在于物体选择性的吸取与辐射。当阳光照射到一个物体表面上时，假如该物体能够几乎全部吸取各种可见光，它就呈现黑色；假如几乎全部反射可见光，它就呈白色；假如几乎匀整地吸取各种可见光并匀整地反射各种可见光，它就呈灰色；假如只反射了一种波长的可见光而几乎全部吸取了其他可见光，则它就呈现被反射的这种可见光的颜色。实际物体吸取比的计算要计算1物体的吸取比，假设2为投射物体，则对黑体投入辐射的吸取比假如投入辐射来自黑体，则物体的吸取比可以表示成此时，只要知道物体的光谱吸取比与温度的关系，则可求得物体的吸取比。物体表面对黑体辐射的

吸取比与温度的关系光谱吸取比与波长无关依据吸取比的计算式，可以得到下面的计算结果灰体定义：我们将光谱吸取比与波长无关的物体称为灰体。所以对于灰体其吸取比为常数。像黑体一样，灰体也是一种志向物体。工程上通常遇到的热辐射，其主要波长大多位于红外范围内，在此范围内大多数工程材料当作灰体来处理所引起的误差是可以被允许的，而这种简化处理却给辐射换热计算带来了极大的便利。实际物体吸取比的确定由于实际物体的吸取比远比放射率要困难，所以无论是用计算的方法还是试验的方法都比较难于干脆获得。那么，实际物体的吸取比与放射率之间有无关系呢？假如能够找到实际物体的吸取比与放射率之间的关系，那么就可以通过计算物体的放射率来确定其吸取比。基尔霍夫定律揭示了实际物体的放射率与吸取比之间的关系。基尔霍夫定律的推导假设表面1是随意表面，表面2是黑体表面，则随意表面1的净辐射换热量为当两个表面处于热平衡状态时，则基尔霍夫定律的表达式将上面的关系式推广，有依据黑度的定义，有比较上面两式，可以得到基尔霍夫定律成立的条件基尔霍夫定律成立的条件即为推到基尔霍夫定律时用到的条件。有两个条件：（1）辐射物体与吸取物体处于热平衡状态，即具有相同的温度；（2）放射物体必需为黑体。实际计算中基尔霍夫定律适用条件的推导实际计算中基尔霍夫定律的适用条件

将灰体表面与黑体表面组成封闭的辐射系统。当两表面处于热平衡时，对灰体表面而言，其确定满足基尔霍夫定律，即变更灰体的环境，将黑体换成不同温度的随意物体，但使灰体照旧保持原来的温度。在此新环境下，对于灰体表面有新环境条件下，灰体的吸取比为所以，在新的辐射系统中，有或者写成重要的结论上面的关系式说明，对于灰体表面不论投入辐射是否来自黑体，也不论是否处于热平衡状态，其吸取比恒等于放射率。在工程计算中，由于大部分表面可以认为是灰体表面，所以，这一结论对辐射换热的计算特殊重要。关于基尔霍夫定律的几点说明

基尔霍夫定律有几种不同层次上的表达式，其适用条件不同，归纳于表7-3。对于大多数工程计算，主要应用“全波段、半球”这一层次上的表达式。

基尔霍夫定律的不同表达式层次数学表达式成立条件光谱、定向无条件，维度角光谱、半球漫射表面全波段、半球与黑体处于平衡或漫灰表面关于基尔霍夫定律的几点说明既然实际物体或多或少都对辐射能的吸取具有选择性，为什么工程计算中又可将实际物体假定为灰体呢？对工程计算而言，只要在所探讨的波长范围内光谱吸取比与基本上与波长无关，则灰体的假设即可成立，而不必要求在全波段范围内光谱吸取比均为常数。在工程常见的温度范围（小于2000K）内，很多工程材料都具有这一特点。在工程手册或教材中仅列动身射率之值而不给出吸取比的缘由正在于此。关于基尔霍夫定律的几点说明由于在大多数状况下物体可作为灰体，则由基尔霍夫定律可知，物体的辐射实力越大，其吸取实力也越大。换句话说，擅长辐射的物体必擅长吸取，反之亦然。所以，同温度下黑体的辐射力最大。关于基尔霍夫定律的几点说明当探讨物体表面对太阳能的吸取时，一般不能把物体作为灰体，即不能把物体在常温下的放射率作为对太阳能的吸取比。因为太阳辐射中可见光占到