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1、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 分布的规律出发，分别引出发射率、光谱发射 率及定向发射率几个概念，并讨论其特点。 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 则的变化 。 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 射力之比称为实际物体的发射率，习惯上称为 黑度，记为 实际物体的光谱发射率 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
2、谱辐射力之比， 称为物体的光谱发射率，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 实验研究发现，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，但要对不同物体采用不同方 次的规律来计算，在实用上很不方便。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实验 方法确定的发射率中去。由于这个原因，发射率还与 温度有依赖关系。 实际物体的定向发射率 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 的定向发射率，记为 定向发射率也被称
3、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 在表面的法线方向附近，定向黑度较小； 从法线方向开始，在一定的角度内，定向黑度 都比较小，且保持不变； 到达一定的角度之后，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附近的极小角度内，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 从法线方向开始，在一定的角度内，定向黑度 较大，且保持不变； 当角度大于一定的角度之后，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
4、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发射率有上述变化，但并 不显著地影响在半球空间的平均值。大量实验 表明，物体的半球平均发射率与法向发射率的 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化细 节，而近似地认为大多数工程材料也服从兰贝 特定律。我们称服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
5、认为是物性参数 实际物体的发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，这说明物体的发射率只与自身的性能 有关，因此可以被认为是物性参数。 影响物体发射率的主要因素 物质的种类。 例如，常温下白色大理石的发射 率为0.95，而镀锌铁皮的发射率只有0.23。 物质的表面温度 。例如，严重氧化的铝表面 50时其发射率为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 的发射率为0.22，而磨光后黄铜的发射率是 0.05。说明，同一材料，高度磨光表面的发射 率很小，而粗糙表面和受氧化作用后的表面发 射率常常为磨光表面的数倍。 第四节 实际物体
6、的吸收比 与基尔霍夫定律 本节主要介绍实际物体的吸收特性，以及吸收 特性与发射特性的关系。 在吸收特性中主要研究其主要影响因素及在特 定条件下的计算。 介绍灰体的概念。 介绍物体的吸收比与发射率之间的关系，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。 选择性吸收 ：对外界来的不同波长的投入辐射 ，其吸收比不同，这叫作选择性吸收。 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数称为 吸收比。 光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所 吸收的百分数称为光谱吸收比，也称为单色吸 收比。 实际物体的吸收比 定义：物体对投入辐射
7、所吸收的百分数称为吸 收比，通常用 表示。 实际物体的光谱吸收比 定义：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的 百分数称为光谱吸收比，也称为单色吸收比， 用符号 表示。 实际物体吸收比的特点 实际物体的吸收比取决于两方面的因素： 1. 吸收物体本身的情况：所谓物体本身的情况， 是指物体的种类、物体的温度及物体的表面状 况等； 2. 发射辐射能的物体的情况：包括发射物体的种 类、温度和表面状况等。 由此可见，物体的吸收比比起发射率来要更加 复杂。 金属导体的光谱吸收比与波长的关系 非导体材料光谱吸收比与波长的关系 选择性吸收 物体的光谱吸收比随波长而变化的特性称为物 体的吸收具有选择性。 在工农业生
8、产中常常利用这种选择性来达到一 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 吸收比很小，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 的辐射能的吸收比很大，从 而阻止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原因也在于物体 选择性的吸收与辐射。当阳光照射到一个物体 表面上
9、时，如果该物体能够几乎全部吸收各种 可见光，它就呈现黑色；如果几乎全部反射可 见光，它就呈白色；如果几乎均匀地吸收各种 可见光并均匀地反射各种可见光，它就呈灰色 ；如果只反射了一种波长的可见光而几乎全部 吸收了其他可见光，则它就呈现被反射的这种 可见光的颜色。 实际物体吸收比的计算 要计算1物体的吸收比，假设2为投射物体，则 对黑体投入辐射的吸收比 如果投入辐射来自黑 体，则物体的吸收比 可以表示成 此时，只要知道物体 的光谱吸收比与温度 的关系，则可求得物 体的吸收比。 物体表面对黑体辐射的 吸收比与温度的关系 光谱吸收比与波长无关 根据吸收比的计算式，可以得到下面的计算结 果 灰体 定义：
10、我们将光谱吸收比与波长无关的物体称 为灰体。所以对于灰体其吸收比为常数。 像黑体一样，灰体也是一种理想物体。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方便 。 实际物体吸收比的确定 由于实际物体的吸收比远比发射率要复杂，所 以无论是用计算的方法还是实验的方法都比较 难于直接获得。 那么，实际物体的吸收比与发射率之间有无关 系呢？如果能够找到实际物体的吸收比与发射 率之间的关系，那么就可以通过计算物体的发 射率来确定其吸收比。 基尔霍夫定律揭示了实际物体的发射率与吸收
11、比之间的关系。 基尔霍夫定律的推导 假设表面1是任意表面， 表面2是黑体表面，则任 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 根据黑度的定义，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）辐射物体与吸收物体处于热平衡状态，即 具有相同的温度 ； （2）发射物体必须为黑体 。 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 一定满足基
12、尔霍夫定律，即 改变灰体的环境，将黑体换成不同温度的任意 物体，但使灰体仍然保持原来的温度。在此新 环境下，对于灰体表面有 新环境条件下，灰体的吸收比为 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 ，其吸收比恒等于发射率。 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非 常重要。 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
13、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收具有 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，只要在所研究 的波长范围内光谱吸收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 段范围内光谱吸收比均为常数。在工程常见的 温度范围（小于2000K）内，许多工程材料都 具有这一特点。在工程手册或教材中仅列出发 射率之值而不给出吸收比的原因正在于此 。 关于基尔霍夫定律的几点说明 由于在大多数情况下物体可作为灰体，则由基 尔
14、霍夫定律可知，物体的辐射能力越大，其吸 收能力也越大。换句话说，善于辐射的物体必 善于吸收，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 当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能 把物体作为灰体，即不能把物体在常温下的发 射率作为对太阳能的吸收比。因为太阳辐射中 可见光占到了近一半的份额，而大多数物体对 可见光波的吸收表现出强烈的选择性。例如各 种颜色（包括白色）的油漆，常温下的发射率 均高达0.9，但在可见光范围内，白色油漆的吸 收比仅为0.1-0.2，而黑油漆则为0.9以上。在 夏天，人们喜欢穿白色或浅色衣服的原因也在 于此。在太阳集热器的研究中，要求集热器的 涂层具有较高的对太阳辐射的吸收，而又希望 减少涂层本身的发射率以减少热损失，目前已 开发出的涂层材料的吸收比比发射率要高达8- 10倍。
