热辐射基本定律和辐射特性

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1、第八章热辐射基本定律和辐射特性主要内容热辐射的基本概念 黑体辐射基本定律1、普朗克定律2、维恩位移定律3、斯忒藩玻尔兹曼定律（四次方定律）4、兰贝特定律（朗伯定律） 固体和液体的辐射特性 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系-基尔霍夫定律 太阳与环境辐射热辐射基本定律8.1 热辐射现象的基本概念2.热辐射的特点a. 热辐射可在真空中传播, 不需要任何中间介质 ( 在真空中传递的效率最高)；且辐射能的传播具有直线性 b.在发生能量转移的同时还伴有能量形式的转换辐 射: 以电磁波形式传递能量的过程 热辐射: 由于热的原因而产生的电磁波辐射 辐射传热: 物体间相互辐射和吸收的总效果1. 辐射、热辐射与

2、辐射传热8.1.1 热辐射的定义及特点8.1.2 热辐射的电磁波特性1.传播速率、波长、频率间的关系可见光: 0.380.76 ; 热射线: 0.11002.电磁波波谱波长3.物体表面对电磁波的作用特例：固、液：+=1；=0气体： +=1；=0(1)吸收、反射、穿透及相互关系Q+Q+Q=Q +=1-穿透率-反射率-吸收率(2)固体表面的反射类型镜反射: 从某一方向入射的辐射按反射角等于入射 角的规律反射 (表 面的不平整尺寸小于投入辐射的波长)漫反射: 从某一方向入射的辐射向空间各个向方向反射出去 ( 发生于表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长的场合)镜反射漫反射黑体：能吸收所有投射到其表面上的

3、辐射能的物体(即=1的物体)镜体：反射比等于1的物体(当反射为漫反射时称为白体)透明体：穿透比等于1的物体1.几个理想物体8.1.3 黑体模型2. 黑体模型(3) E与E 的关系：辐射力的概念8.2 黑体辐射的基本定律(1) (全色)辐射力E单位时间内物体的单位表面积向半球空间的所有方向辐射出去的全部波长范围内的能量, W/m2。表征物体表面向外界发射辐射能本领的大小。 (2) 单色辐射力E （光谱辐射力）单位时间内物体的单位表面积向半球空间的所有方向辐射出去的在包含在内的单位波长内的能量，W/m3。8.2.1 斯忒藩玻耳兹曼定律（四次方定律）反映黑体的(全色)辐射力与温度的关系其中： 黑体辐

4、射常数(5.6710-8W/m2.K4)C0黑体辐射系数(5.67W/m2.K4)8.2.2 普朗克定律式中:1.普朗克定律反映在一定温度下，黑体的光谱(单色)辐射力随波长的分布规律：规律：(1)T一定时，Eb 与波长有关(为一连续曲线)，在=0 之间单色辐射力存在一峰值(Eb )max；(2)对应不同的温度，有不同的能量分布曲线：随T的升高，出现峰值的位置向短波方向移动，同 时 (Eb )max值增大。2、维恩位移定律（反映出现最大单色辐射力的波长m与绝对温度T之间的关系）：P362例81：维恩位移定律的应用结果：一般工业高温范围(2000K), m =1.45 m(红外区段)太阳表面温度(

5、5800K), m=0.50 m (可见光)定律的应用：分析金属在不同温度下的颜色变化。m T=2.897610-3m.K 2.910-3m.K3、普朗克定律与斯忒藩玻耳兹曼定律的关系4、黑体辐射能按波段的分布(即黑体的波段辐射力Eb的确定)a. 黑体辐射函数Fb(0)的概念定义：b.黑体的波段辐射力Eb由辐射函数的定义可得:所以：平面角：8.2.3 兰贝特定律-(反映黑体辐射能按空间方向的分布规律)1.立体角立体角：2.定向辐射强度 I定义：单位时间内、单位可见辐射面积、单位立体角的辐射能量称为定向辐射强度即：3. 兰贝特定律(余弦定律)：-黑体辐射的定向辐射强度等于常量,与方向无关故由式(

6、8-15b)又有：即：Ip=Im=In=I表明:黑体单位面积辐射出去的能量在空间不同方向的分布按纬度角的余弦规律变化.4. 兰贝特定律与斯忒藩玻耳兹曼定律间的关系即定向辐射强度I与辐射力E之间的关系对于服从兰贝特定律的辐射，有：即:(3) E与E 的关系：1. 辐射力的概念8.2 黑体辐射基本定律(1) (全色)辐射力E(2) 单色辐射力E （光谱辐射力）2. 斯忒藩玻耳兹曼定律（四次方定律）反映黑体的(全色)辐射力与温度的关系3.普朗克定律反映在一定温度下，黑体的光谱(单色)辐射力随波长的分布规律规律：(1)T一定时，Eb 与波长有关(为一连续曲线)，在=0 之间单色辐射力存在一峰值(Eb

7、)max；(2)对应不同的温度，有不同的能量分布曲线：随T的升高，出现峰值的位置向短波方向移动，同 时 (Eb )max值增大。4、维恩位移定律（反映出现最大单色辐射力的波长m与绝对温度T之间的关系）：m T=2.897610-3m.K 2.910-3m.K5、普朗克定律与斯忒藩玻耳兹曼定律的关系6. 黑体的波段辐射力Eb7. 兰贝特定律(反映黑体辐射能按空间方向的分布规律)(1)立体角与定向辐射强度的概念(2) 兰贝特定律(余弦定律)-黑体辐射的定向辐射强度等于常量,与方向无关即：Ip=Im=In=I表明:黑体单位面积辐射出去的能量在空间不同方向的分布按纬度角的余弦规律变化. (3) 兰贝特

8、定律与斯忒藩玻耳兹曼定律间的关系:对于服从兰贝特定律的辐射，有：8.3 实际固体和液体的辐射特性特征：在相同温度下，实际物体的辐射力总是小于黑体的辐射力两者的差别用发射率(黑度)表示反映物体发射辐射能的能力大小，对于一定的物体表面，其数值与温 度有关（具体关系由实验测定）8.3.1 实际物体的辐射力E(全色辐射力) 与发射率定义: 实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之为实际物体的发射率(黑度), 用表示：则实际物体的辐射力为: 黑度与单色黑度 间的关系：8.3.2 实际物体的光谱辐射力E与光谱发射率()定义: 实际物体的光谱辐射力与同温度下黑体在同一波长下的光谱辐射力之比称为实际物体的光谱

9、发射率(光谱黑度), 用()表示：一般, 实际物体的黑度除与表面性质有关外,还与温度存在依变关系.8.3.3 实际物体的定向辐射强度I()与定向发射率定义: 实际物体在某一方向的定向辐射强度与同温度下黑体的定向辐射强度之比称为实际物体的定向发射率(定向黑度), 用 表示：式中: 辐射方向与辐射面法线方向之间的夹角; 方向上的定向辐射强度同温度下黑体的定向辐射强度1. 定向发射率 随角的变化规律2. 定向发射率与半球平均发射率间的关系简化式(工程计算中黑度的实用处理方法)：式中: 为法向发射率(见P369表8-2)(1) 金属表面(表面高度磨光时取上限) M=1.21.3, 即=(1.21.3)

10、 n(1) (2) 非导体, M=0.951.0(2) (3) 实用中，对于工程材料(高度磨光表面除外)， 一(3) 般可取M1.0，即n(实际情况: 有光滑表面的物体， =0.95n粗糙的物体， =0.98n)即: 大部分工程材料的定向发射率可近似取为定值, 故可作漫射体处理 (4) 非金属材料，当缺乏资料时，可近似取=0.9P370 例8-5、8-6*本节中，还有几点需要注意1.将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂很难理论确定，实际上是一种权宜之计；2.服从Lambert定律的表面称为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地认为大多数工程材

11、料服从Lambert定律，这有许多原因；3.影响物体表面发射率的因素: 物质种类、表面温度和1. 表面状况。 这说明发射率只与发射辐射的物体本身2. 有关，而不涉及外界条件。2、光谱吸收比(单色吸收比) () 物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分比8.4.1 实际物体的吸收比表示物体表面对辐射能的吸收特性8.4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系一般，()与波长有关(物体对辐射能吸收的选择性）见P372图8-17、图8-181、投入辐射G单位时间内从外界投射到物体单位表面积上的各种波长能量的总和，称为对该表面的投入辐射. 单位 W/m2.温室效应：利用了玻璃对辐射能吸收的选择性（对3m的辐射

12、能穿透比很大，对3m的辐射能穿透比很小）物体的颜色变化：取决于物体表面对可见光的选择性吸收特性选择性吸收和穿透实例：温室效应、物体的颜色等3、吸收比 物体对投入辐射所吸收的百分比.(表征物体表面对外来能量的反应)的数值取决于：(1) 吸收辐射物体本身的状况(表面1的性质和温度);(2) 投入辐射的特性(能量按波长的分布) (即表面2的性质和温度)。即：对于来自黑体的辐射 ，有：对于给定的物体，对黑体辐射的吸收比则只是温度T1、T2的函数（见P375图8-19）规律：(1) T1一定时，非导电体对黑体辐射的吸(1) 收比 随温度 T2(2) 的增加而减小(2) T1一定时，导电体对黑体辐射的吸收

13、比 随温度 T2的增加而增大物体颜色对吸收比的影响情况：对可见光呈强烈的选择性；对红外辐射几乎无选择性。8.4.2 灰体光谱吸收比()与波长无关的物体即对于灰体有： ()=常数，故有：与黑体类似，灰体也是一种理想物体。实用中，大多数工程材料均可作灰体处理（工业上的 热辐射范围绝大部分在红外区段的0.7610 m之间, 此时 一般不随波长作显著变化）物体的选择性吸收特性，在实际生产中利用的例子很多，但也给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦。对此，一般有两种处理方法，即(1)灰体法：即将光谱吸收比()等效为常数，=()=const，将物体作为灰体处理。误差在允许范围内；(2)谱带模型法:即将所关心的

14、连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。8.4.3 吸收比与发射率之间的关系基尔霍夫(Kirchhoff)定律1、实际物体吸收比与发射率之间的关系式(8-25a)成立的条件：热平衡(1)基尔霍夫定律的表述在热平衡条件下，任何物体的辐射力与对黑 体辐射的吸收比之比恒等于同温度下黑体的辐射力。即：基尔霍夫定律的另一表述：在热平衡条件下，任意物体对黑体辐射的吸收比恒等于同温度下该物体的发射率。即结论同温度下，物体的辐射力越大，吸收比也就越大同温度下，所有物体中黑体的辐射力最大(2)定律的证明（见P377）2. 特例漫射灰体吸收比与发射率之间的关系(1)

15、由灰体的定义=()=常数，有=()=常数(2)对于灰体，不论对于来自何处的辐射，也不论是否处于热平衡，恒有=结论:在灰体层面上, 善于辐射的物体必善于吸收关于基尔霍夫定律及灰体假设的几点说明1、基尔霍夫定律在不同层次上有不同的表达式 （详见P377表8-3） 2、在常见的温度范围内，大多数工程材料均可作灰体处理（漫灰表面） 3、由定律可得出结论：物体的辐射能力越大，其吸收能力也越大（善于辐射必善于吸收）条件：灰体 4、上述处理方法不适用于对太阳辐射的吸收（大多数物体对可见光有强烈的选择性）层 次数学表达式成立条件光谱，定向光谱，半球全波段，半球无条件，为纬度角漫射表面与黑体处于热平衡或对漫灰表面表8-3 Kirchhoff 定律的不同表达式8.4.4 温室效应温室: 位于太阳照耀下的封闭的空间(小轿车、暖房等)原理: 利用玻璃对太阳辐射的强烈的选择性见P378图8-21（对3m的热辐射有很高的穿透比，对3m的热辐射的穿透比则很小）吸收性气体