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1、第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,7-1 热辐射的基本概念 7-2 黑体辐射基本定律 7-3 实际固体和液体的辐射特性7-4 实际物体的吸收比与基尔霍夫定律,7-1 热辐射的基本概念,热辐射的应用：（1）辐射采暖；（2）辐射干燥；（3）辐射测温,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波到小于10-14米的宇宙射线。由于热的原因而产生的电磁辐射称为热辐射。一般工程上所指的热辐射包括可见光、部分紫外线和红外线。,热辐射在机理上与导热和对流的区别：（1）导热与对流是由于物质微观粒子的热运量和物体的宏观运动所造成的能量转移。热辐射是一种电磁波，是各类物质的固有特
2、性，是由于物质的电磁运动所引起的能量的传递；（2）无需媒介；（3）是一种表面现象。辐射是离暴露表面约1m距离内的分子发射出的，辐射随表面性质不同而不同；,热辐射在机理上与导热和对流的区别：（4）与温度有关。同一物体表面在不同的温度下，其辐射力 不同；（5）辐射换热过程中伴随有能量形式的两次转化 内能 电磁能 内能（6）是一种特殊电磁波。其波长、波速与频率之间存在有如 下关系,其中：为波长；f为频率；c为波速,C=2.998108m/s,注意：（1）只要物体的温度高于0K，物体总是不断地把热能变化辐射能，向外发出热辐射。（2）物体在对外发出热辐射的同时也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并
3、把吸收的辐射能重新转变成热能。辐射换热是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。,7-1-2 吸收、反射和透射一个物体如果与另一个物体相互能够看得见，那么它们之间就会发生辐射热交换。当热辐射的能量投射到物体表面上时，会发生吸收、反射和穿透现象。若外界投射到物体表面上的总能量为Q，一部分Q被物体吸收，一部分Q被物体反射，一部分Q穿透物体。按能量守恒定律有：,或,各部分百分数Q/Q 、 Q/Q 、Q/Q 分别称为该物体对投入辐射的吸收比(率)、反射比（率）和透射比（率），记为 、和 。 于是,热射线不能穿过固体和液体，因此固体和液体上的热辐射是表面辐射。当辐射能进入固体或液体表面后，在一个极短的距离内就
4、吸收完了。故对于固体和液体有,上式表明，对固体和液体而言，吸收能力大的物体其反射本领就小。,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，可以认为反射比 = 0，故有,气体对热射线的吸收和穿透是在空间中进行的，其自身的辐射也是在空间中完成的。因此，气体的热辐射是容积辐射。,不同物体的吸收比、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。为使问题简化，定义了一些理想物体。,几种特殊情况：,(1)镜反射。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，此时入射角等于反射角。高度磨光的金属板会形成镜面反射。,(2)漫反射。反射能均匀地分布
5、在物体表面的各个方向上。当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时一般形成漫反射。这时从某一方向投射到物体表面上的辐射向空间各方向反射出去。,注：物体表面是漫反射还是镜反射取决于物体表面相对于辐射波长的表面粗糙程度。,(3) 全反射。 =1。外来的射线在物体表面被全部反射出去。全反射表面物体称为白体（具有漫反射的表面）或镜体（具有镜反射的表面）。,(4) 透明体。外来射线能全部穿过的物体。此时透射比（率） =1,(5) 黑体（全吸收）。外部热辐射能被其全部吸收的物体。此时吸收比 =1。,自然界并不存在黑体，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。,选用吸收比小于1的材料制造一个空腔，并在空腔
6、壁面上开一个小孔，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有黑体辐射的特性。,研究发现，若小孔占内壁面积小于0.6%，当内壁吸收比为0.6时，小孔的吸收比可大于0.996。 黑体将所有投射在它上面的一切波长和所有方向上的辐射能全部吸收，因此在所有物体之中，它吸收热辐射的能力最强。,由于热辐射包含了一个波长范围，因此其辐射的强弱随波长而变化。光谱能反映这种依赖关系。一般而言，对于某一波长下的辐射（称为单色辐射），同样存在,、是物体表面的辐射特性，和物体的性质、温度和表面状况有关。,7-1-3 辐射力和辐射强度,1 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
7、向半球空间辐射出去的一切波长的辐射能量。,E为辐射力，其单位为W/m2；dQ为微元面积dA向半球空间辐射出去的总辐射能。, 单色辐射力,单色辐射力被定义为单位时间单位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。,E为物体表面的单色辐射力；dQ为微元面积dA向半球空间辐射出去的某一波长的辐射能；为热射线的波长，单位为m。,辐射力和单色辐射力之间的关系 :, 方（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特征，其定义为单位时间单位辐射面积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。,d为微元立体角,立体角是用
8、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c所示，其定义为：球面上微元面df与球的半径的平方之比。,其中：df为空间中的微元面积，r为该面积与发射点之间的距离。,即：,在球坐标系中，如图所示，按几何关系有,其单位为W/(m2Sr)，Sr为球面度, 是立体角的单位。,由于半球面积为2r2,故半球面对球心所张开的立体角=2Sr。, 辐射强度,处于不同的空间位置所能看见的辐射面积是变化的，随着 角的增大，辐射面积在该方向上的可见面积（投影面积）就变小。,定义辐射强度，用以表示单位时间在某一辐射方向上的单位可见辐射面积向该方向单位立体角内辐射的所有波长的辐射能。,辐射强度与方向辐射力的关
9、系 :,与辐射力之间的关系 :,单位为W/(m2Sr)，式中 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积。,在法线方向，有 :,当辐射强度是针对某波长、波长间隔 d范围而言，则称为单色辐射强度，用I表示:,则 :,即 :,光谱强度,其中,为垂直于该方向的单位投影面积,单色辐射力与单色辐射强度之间的关系为：,7-2 黑体辐射基本定律, 普朗克定律,普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分布规律，描述了黑体的单色辐射力与热力学温度T、波长之间的函数关系。由量子理论得到的数学表达式为：,h为普朗克常数，h=6.625610-34Js；k为波兹曼常数，k=1.3810-23J/K,普朗克
10、定律也可表示为：,c1为第一辐射常数，c1=3.74210-16Wm2；c2为第二辐射常数，c2=1.438810-2mK,右图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。可见（1）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慢慢减小；（2）在同一波长下，黑体的温度越高，其对应的单色辐射力越大。, 维恩（位移）定律,对普朗克公式微分，得,Eb最大处的波长m随温度不同而变化。令,得Eb出现最大值处所对应的波长max,可见max与T成反比，T越高，则max越小，这一规律为维恩（Wien）位移定律.,右图描述了黑体单色辐射力随波长和温度的变化。由图可见，随着温度的升
11、高，黑体辐射能的分布在向波长短的方向集中，也就是高温辐射中短波热射线含量大而长波热射线含量相对少。, 斯忒芬波尔兹曼定律,斯忒芬（Stefan）于1879年由实验确定黑体的辐射力与热力学温度之间的关系，其后由波尔兹曼（Boltzmann）于1884年从热力学关系式导出。,某温度下黑体得全波长辐射力Eb可记为,式中：Eb为黑体的辐射力（W/m2）；T为黑体的绝对温度（K）；0为斯忒芬波尔兹曼常数，其值为5.6710-8W/(m2K4)。,于是，给定温度下，从0波长间隔的发射辐射占全部辐射的份额可写为,表示波长从0到的波段辐射函数。,f(T)称为黑体辐射函数，见表7-1。,于是，任何两个波长1和2
12、之间（波段)的辐射能量占总辐射能量的份额可描写为,兰贝特余弦定律 （Lambert）,Lambert认为，黑体和漫辐射体的辐射强度与方向无关，即,由于,又且,于是，有,上式称为兰贝特余弦定律。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，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦。,对于漫辐射表面，由lambert定律，可得,即：辐射力是任意方向辐射强度的倍。,于是，有,对于非漫辐射表面，引入, 称为表面定向发射率,例7-1：试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长m 。,解：按,计算：,当T=2000K时，,当T=5800K时，,可
13、见工业上一般高温辐射（2000K内），黑体最大光谱辐射力的波长位于红外线区段，而太阳辐射（5800K）对应的最大光谱辐射的波长则位于可见光区段。,例7-2：一黑体置于室温为27的厂房中，试求在热平衡条件下黑体表面的辐射力。如果将黑体加热到327，它的辐射力又是多少？,解：在热平衡条件下，黑体温度与室温相同，辐射力为：,327时黑体的辐射力为,例7-3：试分别计算温度为1000K、1400K、3000K和6000K时可见光和红外线辐射在黑体总辐射中所占份额。,分析：可见光和红外线的波长范围分别是0.38-0.76m和0.76-1000m。计算不同温度下的T值，见下表,作业：P260(7-3)、(7-4)、(7-6)、(7-8),
