第八章热辐射基本定律和特性

第八章热辐射基本定律和辐射特性§8.1热辐射现象的基本概念一、热辐射的基本概念热辐射是指物体由于热的原因而产生的电磁波辐射。如白炽灯、太阳能等。图1电磁波谱两物体之间以辐射的方式所进行的热交换叫辐射换热。各种电磁波都以光速在空间传播。c

=

fl

m

s]图2物体对热辐射的吸收、反射与穿透二、物体表面对投入辐射的吸收、反射与穿透F

=

F

a

+

F

t

+

F

rF

=

F

a

+

F

t

+

F

rF

F

F

F1

=

a

+

t

+

r黑体（α=1）、镜面体（ρ=1）与透明体（τ=1）对固体及液体（表面现象）：t

=0,a

+r

=1对气体（容积现象）：r

=

0,a

+t

=

1图3镜面反射与漫反射镜面反射与漫反射§8.2黑体热辐射的基本定律一、黑体的概念黑体α=1，即黑体可以无条件吸收所有投射到其表面的辐射能。等温空腔上的小孔具有黑体的特性。图4黑体模型二、斯忒藩-玻尔兹曼（J.Stefan-L.Boltzmann）定律1）辐射力：单位时间单位面积向半球空间发出的所有波长的辐射能，用字母E表示。2）S-B定律2

)404(W

m

T

100

Eb

=

s

0T

=

c黑体辐射常数：00c

=

5.67[W

m2

K

4

]s

=

5.67

·10-8

W

m2

K

4图5辐射力模型斯忒藩-玻尔兹曼（J.Stefan-L.Boltzmann）定律首先由Stefan于1879年由实验方法证实，尔后Boltzmann于1884年把热力学中的卡诺循环热机用于辐射力的计算，从理论上导出了Eb-T4的关系。

1901年普朗克（M.Planck）把量子力学应用于辐射换热理论，使S-B定律得到了更严格的数学证明。三、普朗克（M.Planck）定律

1）光谱辐射力单位时间单位面积向半球空间发出的波长为λ的辐射能，用字母Eλ表示。2）Planck定律根据量子力学理论，普朗克导出了黑体在真空中的光谱辐射力与波长之间的关系。[W

m

mm]c

llEb

=2-51c2

lT图6普朗克定律曲线-1由图可见：1）在每一个温度下均有一个特定的波长，在此波长下黑体光谱辐射力最大；2）随着温度的升高，黑体光谱辐射力取极大值的波长逐渐减小。四、维恩（Wien）位移定律据普朗克定律，dEbλ/dλ=0，相应于最大单色辐射力的波长λm

与温度T之间有以下关系：lmT

=

2900(mm K

)这一结果由维恩于1893年从理论上导出，故称维恩位移定律。某一特定波长范围内辐射能的分布在λ1-λ2波长范围内，黑体辐射力：1l2lEbl

dlDEb

=该能量占总辐射的百分比记为Fb（λ1-λ2），则：0000l1l

2

l

2l1==

b(0-l1)b(0-l

2)blblblb(l1-l

2)-

F=

Fs

T

4E

dlE

dl

-s

T

4E

dlFlTlTEblld

(lT

)=

f

(lT

)d

(lT

)=Ebl

dl=F

=000s

T

50s

T

400b(0-l

)-1)sc1(lT

)5

(c

2

lTRef.黑体辐射函数表8-1

五、兰贝特（Lambert）定律兰贝特定律告诉我们黑体辐射能按空间方向的分布规律。立体角rs平面角：

q

=

(rad

)立体角：r

2AcW

=

(sr

)图7立体角定义对图示微元：r

2r

2=

rdq

r

sin

qdf

=

sin

qdqdfdW

=

dAc图8定向辐射强度定义图定向辐射强度定义：单位时间、单位可见辐射面积辐射出去的落在单位立体角内的能量。I

(q

)=

dF

q

)

dA

cosqdW兰贝特定律：黑体定向辐射强度与方向无关。黑体辐射力与定向辐射强度的关系bdAdF

q

)

E

=

W

=2p

W

=2pW

=2pcosq

sin

qdqdf

=

Ibp=

Ib

cosqdW

=

Ib§8.3固体和液体的辐射特性一、实际物体的辐射力W

m

2

)bE

=

eE-ε为物体表面发射率（黑度），与表面性质及温度有关。二、实际物体的辐射能按波长的分布规律图9实际物体的辐射力Ebl光谱发射率：e(l)=El发射率与光谱发射率的关系：00Ebs

T

4e(l)Ebl

dl¥e

=

E

=三、实际物体的辐射能按空间方向的分布定向发射率（黑度）：Ib

(q

)e(q

)=

I

q

)图11实际物体的光谱吸收率及灰体§8.4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系实际物体具有选择性吸收。颜色、电焊、温室效应等。实际物体的吸收率图10实际物体的定向发射率（黑度）光谱（单色）吸收率：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分比。吸收率光谱（单色）吸收率的关系：单色吸收率随波长变化的特性给辐射换热的计算带来了很大的困难。United

Nations

FrameworkConvention

on

Climate

Change《联合国气候变化框架公约》１９９２年５月２２日联合国政府间谈判委员会就气候变化问题达成的公约，于１９９２年６月４日在巴西里约热内卢举行的联合国环发大会上通过。《联合国气候变化框架公约》是世界上第一个为全面控制二氧化碳等温室气体排放，以应对全球气候变暖给人类经济和社会带来不利影响的国际公约，也是国际社会在对付全球气候变化问题上进行国际合作的一个基本框架。公约于１９９４年３月２１日正式生效。截至２００４年５月，公约已拥有１８９个缔约方。中国于1993年1月5日交存了批准书。《京都议定书》《京都议定书》是《联合国气候变化框架公约》下的一个法律文件，它要求工业化国家在2008年至2012年间，将其温室气体排放量在1990年的基础上减少5.2％，美国应减排7％。此议定书并未给发展中国家规定任何义务。该议定书规定，在2008年至2012年期间，发达国家的温室气体排放量要在1990年的基础上平均削减5.2％，其中美国削减7％，欧盟8％，日本6％。《京都议定书》于1997年12月11日通过，目前尚未生效，截至2003年11月26日，已有119个国家和欧盟成为议定书缔约方，中国于2002年8月30日递交了核准书。中国最近已经核准《京都议定书》，向国际社会表明了中国应对气候变化的决心。图12吸收率与单色吸收率的关系当投入辐射为黑体时：¥¥00a

=a

(T

)E

(T

)dlEbl

(T2

)dll

1

bl

2当投入辐射为非黑体时：¥¥0a

=

0

al

(

)

(

)

(

)T

e

T2

E

T2

dlel

(T2

)Ebl

(T2

)dl1

l

bl灰体：单色吸收率与波长无关的物体。基尔霍夫定律图13基尔霍夫定律证明=

E

-aEb在热平衡条件下，任何物体的辐射力和对它来自黑体辐射吸收率的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。板2的收支差额：q

=E

-aEb板1的收支差额：q

=E+(1

-a

)Eb

]-Eb当热平衡时q