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1、第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,1,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,热量传递的另一种方式热辐射在过程的机理上与导热、对流换热是根本不同的。导热与对流换热是由于物体的宏观运动和微观粒子的热运动所造成的能量转移，而热辐射是由于物体的电磁运动所引起的热量的传递。因而其研究方法与思路都与导热和对流换热部分的讨论有很大的区别。,本章的主要内容（1）从电磁辐射的观点来认识热辐射的本质及辐射能传递过程中的一些特性。（2）讨论热辐射的三个基本定律。（3）介绍实际物体（固体与液体）的辐射特性。以便为下一章讨论辐射换热量的计算打下基础。,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,2,8-1热辐射的基本概念
2、,1热辐射的本质与特征,（1）本质与特征辐射是电磁波传递能量的现象。按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率的电磁波，例如高频振荡电路产生的无线电波，此外还有可见光、红外线、紫外线、X射线、及射线等各种电磁波。热辐射是由于热的原因而产生的电磁辐射。热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。辐射是物体的固有特性，只要物体的温度高于零度（0k），物体总是不断的把热能转变为辐射能，向外发出热辐射。同时，物体亦不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。辐射换热就是物体之间相互辐射和吸收的总效果。当物体与环境处于热平衡时，其辐射换热量为零，但其表面上的热
3、辐射仍在不停的进行。,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,3,（2）热辐射具有一般辐射现象的共性,速度c=f(8-1)式中：c电磁波的传播速度，在真空中c=3108m/s,f频率，1/s，波长，m。1m=10-6m。,辐射能是电磁波或光子所运载的能量。每个光子的能量为：er=hf式中：h普郎特常数，h=6.62410-34.辐射能落在另一物体上吸收时会发生以下现象：转变为内能热效应。引起化学反应光合作用迫使金属发射电子光电效应。,（3）电磁辐射波谱见图8-1,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,4,电磁辐射波谱,图7-1,在工业的温度范围内（2000k）,有实际意义的热辐射波长位于0.38
4、100m之间。且大多数能量位于红外线区段的（0.7620m）范围内，可见光区段（0.380.76m）热辐射能量的比重不大。,对于太阳辐射（5800k），主要能量集中在0.22m的波长范围内。可见光区段占有很大的比重。,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,5,如果把太阳辐射包括在内，热辐射的波长区段可放宽为0.1100m。,红外线又有远红外线和近红外线之分（波长在25m以上的红外线称为远红外线）。远红外线加热技术就是利用远红外辐射元件发射出的以远红外线为主的电磁波对物料进行加热。微波炉就是利用远红外线来加热物体的。远红外线可以穿过塑料、玻璃及陶瓷制品，但却会被像水那样具有极性分子的物体吸收，在
5、物体内部产生内热源，从而使物体比较均匀地得到加热。各类食品中的主要成分是水，因而远红外线加热是比较理想的加热手段。,2物体的吸收比、反射比及穿透比,当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，会发生吸收、反射和穿透现象。见图7-2，物体对热辐射的吸收、反射和穿透。,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,6,图7.2物体对热辐射的吸收反射和穿透,式中：各能量的百分数分别称为该物体对投入辐射的吸收比、反射比和穿透比，记为、。,（1）对固体或液体表面，投射到其上的辐射能在一个极短的距离内就被吸收完了。金属导体只有1m，大多数非导电材料为1mm。则=0。于是，对于固体和液体，,+=1,既善于吸收就
6、不善于反射。,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,7,图7-3镜反射,图7-4漫反射,辐射能投射到物体表面后的反射现象和可见光一样，有镜面反射和漫反射的区分。这取决于表面不平整尺寸的大小，即表面的粗糙度。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。（例如高度磨光的金属板见图7-3）。当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时，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个方向反射出去。一般工程材料的表面都形成漫反射。见图7-4。,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,8,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，
7、=0，从而+=1即吸收性大的气体，其穿透比就差。,由上所述，对于固体和液体呈现的吸收和反射特性不涉及物体的内部。因此物体表面状况对辐射特性的影响至关重要。而对于气体，辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状况则无关紧要。,（2）特殊情况,=1的物体叫做绝对黑体。=1的物体叫做绝对白体。=1的物体叫做绝对透明体。显然黑体、白体和透明体都是假定的理想物体。,3黑体模型及黑体在热辐射分析中的特殊性,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,9,（1）黑体模型黑体的吸收比=1，意味着黑体能全部吸收各种波长的辐射能。自然界中并不存在黑体，但可以用人工的方法制造，在空腔壁（温度均匀）上开一个小孔，由于空腔较大，
8、投射的辐射能经小孔射入孔腔后，经多次反射吸收后才会出去。反射的能量与投入的能量相比很小，小孔面积越小，吸收比就越1。若小孔面积/孔腔面积小于0.6，内壁吸收率为0.6时，小孔的吸收比可大于0.996。所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。,图7-5黑体模型,在这样的等温空腔内部，辐射是均匀而且各向同性的，空腔内表面上的辐射就是同温下的黑体辐射。,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,10,（2）黑体在热辐射分析中的特殊重要性,在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大。在研究了黑体辐射的基础上，我们处理其他物体辐射的思路是：把其他物体辐射与黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然
9、后确定必要的修正系数。,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,11,8-2黑体辐射的基本定律,黑体辐射的三个基本定律分别对黑体辐射的总能量及其按波长的分布、按空间方向的分布作了规定。,1辐射力及单色辐射力的定义,为了表示物体向外界发射辐射能的数量，引入辐射力与单色辐射力：,（1）辐射力E：单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能的总量。w/m2。辐射力从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。,（2）单色辐射力E：在热辐射的整个波谱内，不同波长发射出的辐射能是不同的。见图7-6。对特定波长来说：,从到+d区间发射出的能量为dE。则,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性
10、,12,单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的某一特定波长的辐射能。称为单色辐射力。w/m3。,单色辐射力与辐射力之间的关系：,2.黑体辐射的三个基本定律及相关性质,可以归结为三个定律普朗可定律、斯蒂芬玻尔兹曼定律、兰贝特定律。,(1)普朗可定律普朗可定律揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律，或者说它给出了黑体单色辐射力与波长和温度的依变关系。普朗可根据量子理论得到以下关系式：,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,13,式中，波长，m；T黑体温度，K；c1第一辐射常数，3.74210-16Wm2；c2第二辐射常数，1.438810-2WK；,图7-6Planck定律的图示,图7
11、-6给出了按普朗可定律描绘出的不同温度下黑体的单色辐射力随波长的变化情况。由图可知，单色辐射力随着波长的增加，先是增大，然后又减小。,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,14,最大单色辐射力所对应的波长m亦随温度不同而变化。随着温度的增高，曲线的峰值向左移动，即移向较短的波长。最大单色辐射力所对应的波长m与温度T之间存在着如下的关系：,此式称为维恩位移定律。可以通过普朗可定律对波长求导等于零而导出。例题7-1可以看出：在工业上的一般高温范围内（2000k），m在红外线区段。而太阳辐射（5800k）的m则位于可见光区段。,实际物体的单色辐射力按波长分布的规律与普朗可定律不同，但定性上是一致的。
12、（例如加热金属）。由图7-6还可以看出随着温度T的增加，可见光部分增加。,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,15,(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：,在热辐射分析计算中，确定黑体的辐射力至关重要。由普朗可定律知：,式中，=5.6710-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。,为了计算高温辐射的方便，通常把式（7-9）改写成如下形式：,式中：C0黑体辐射系数，5.67w/(m2.k4)。,黑体辐射函数:,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,16,在许多实际问题中，往往需要确定某一特定波长区段内的辐射能量。黑体在1,2区段所发出的辐射能为（见图7
13、-7）,通常把这一波段的辐射能表示成同温下黑体辐射力（0-）的百分数，记为Fb(1-2)。于是,式中：Fb(0-2)、Fb(0-1)分别为波长从0至2和0至1的黑体辐射占同温下黑体辐射力的百分数。能量份额Fb(0-)可以表示为单一变量T的函数，即,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,17,f(T)称为黑体辐射函数。为计算方便，黑体辐射函数f(T)已制成表格（见表7-1）供计算辐射能量份额时查用。,已知能量份额后，在给定的波段区间，单位时间内黑体单位面积所辐射的能量可方便地由下式算出：,（3）兰贝特定律,辐射力（定义）没有指明在半球空间不同方向上的能量分布。为了说明辐射能量在空间不同方向上的分
14、布规律，引入定向辐射强度的概念,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,18,（1）定向辐射强度,先引入立体角的概念（见图7-8）,平面角：=s/rrad（弧度）式中：弧长s、半径r。立体角：=Ac/r2,式中：Ac半球体表面被立体角切割的面积，r球体的半径。,对半球，面积为2r2,立体角为2sr(球面度)。微元立体角：d=dAC/r2,式中：dAC半球体表面被微元立体角切割的面积，dAC=rd.rsindd=sindd式中：纬度角，经度角。,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,19,图7-8立体角定义图,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,20,图7-9计算微元立体角的几何关系,第八章热辐
15、射基本定律及物体的辐射特性,21,定向辐射强度的概念,任意微元表面在空间指定方向上发射出的辐射能量的强弱，首先必须在相同的立体角的基础上比较才有意义。但还不够，因为在不同方向上所能看到的辐射面积是不一样的。见图（7-10）。微元辐射面dA在任意方向p看到的辐射面积不是dA，而是dAcos。所以，不同方向上辐射能量的强弱，还要在相同的可见辐射面积的基础上才能作出合理的比较。,图7-10定向辐射强度的定义图,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,22,我们把单位时间内、单位可见辐射面积在给定方向上单位立体角内发射的全波长辐射量称为定向辐射强度，记为L。与辐射面法向成角方向上的定向辐射强度L()为,
16、定向辐射强度的单位是w/(m2.sr)。,（2）兰贝特定律,黑体的定向辐射强度有什么规律呢？理论上可以证明，黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。即在半球空间的各个方向上的定向辐射强度相等：L()=L=常量（7-17）,定向辐射强度与方向无关的规律称为兰贝特定律。黑体是符合兰贝特定律的。对于服从兰贝特定律的辐射，按式（7-16）（7-17）有,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,23,上式表明，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内的能量的数值不同，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦，所以兰贝特定律又称余弦定律。余弦定律表明，黑体的辐射能在空间不同方向的分布是不均匀的：法线方向最大，切线方向为零。,对于服从兰贝特定律的辐射，其定向辐射强度L与辐射力E之间有如下关系：,E=L（7-19）,既辐射力等于定向辐射强度的倍。,综上所述：黑体的辐射力斯蒂芬玻尔兹曼定律黑体能量按波长的分布普朗可定律黑体能量按空间的分布兰贝特定律单色辐射力的峰值维恩位移定律,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,24,8-3实际固体和液体的辐射特性,把实际物体的辐射特性与黑体相
