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1、第八章 热辐射基本定律1第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性8-1 基本概念1. 热辐射特点(1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2) 特点：a不依靠物体的直接接触，可以在真空中传播；b 伴随能量形式的两次转变，内能-电磁波能-内能；c任何物 体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射 。电磁辐射包含了多种形式，如图7-1所示，而我们所感兴趣 的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1100m。 电磁波的传播速度： c = f 式中：f 频率，s-1; 波长，m 2第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性电 磁 辐 射 波 谱图8-13第七章 热辐射基本定
2、律及物体的 辐射特性当热辐射投射到物体表面上时，一般 会发生三种现象，即吸收、反射和穿 透，如图8-2所示。2.物体对热辐射的吸收、反射和透射 图8.2物体对热辐射 的吸收反射和穿透4第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于黑体： 镜体或白体：透明体： 反射又分镜反射和漫反射两种图8-3 镜反射图8-4 漫反射5第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性1）辐射力辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有 波长的能量总和,单位为(W/m2)。单色辐射力E：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物 体的单位表面积向半球空间发
3、射的能量。3.辐射强度和辐射力E、E关系: 显然， E和E之间具有如下关系：6第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性2）辐射强度 先介绍立体角的概念 定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球 面度)，如图8-5所示：7第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性辐射强度I：定义：单位时间内，在某给定辐射方向上，物体在发射方向垂 直的方向上的每单位投影面积，在单位立体角内发射的全波长 的能量称为该方向的辐射强度，用符号I表示(W/m2.sr)。单色辐射强度I ：定义：单位时间内，在发射方向垂直的方向上的每单位投影面 积，在波长附近的单位波长间隔内、单位立体角内发射的能量 称为单色辐
4、射强度，用符号I表示。显然8第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。图8-6 黑体模型8-2 热辐射的基本定律9第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性式中， 波长，m ； T 黑体温度，K ；c1 第一辐射常数，3.74210-16 Wm2；c2 第二辐射常数，1.438810-2 WK； 1普朗克定律图8-7是根据上式描绘的黑 体光谱辐射力随波长和温 度的依变关系。 m与T 的关系由Wien位移 定律给出，图8-7 普朗克 定律的图示 10第七章 热辐射基
5、本定律及物体的 辐射特性斯蒂芬波尔兹曼定律式中，= 5.6710-8 w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。 黑体辐射函数黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力，如图8-8所示：图8-8 特定波长区段内的黑体辐射力11第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性黑体辐射函数:3 兰贝特余弦 定律理论上可以证明，黑体表面具有漫辐射的性质，且在半球空间各个方向上的辐射强度相等。12第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图8-9。 (1) 定向辐射强度I(, )：图8-9 定向辐射强度的定义图(
6、2) 兰贝特余弦定律它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变化，见图8-10，因此， Lambert定律也称为余弦定律。13第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性图8-10 兰贝特定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:14第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性1 ）发射率v前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；v真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；v因此，定义了发射率 (也称为黑度) ：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:4 基尔霍夫定律15第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性对应于黑体的辐射力
7、Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度I，分别引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率( )和定向发射率( )，其表达式和物理意义如下实际物体的辐射力与 黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射 力与黑体的光谱辐射 力之比：实际物体的定向辐射 强度与黑体的定向辐 射强度之比：16第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性灰体是指物体的单色辐射力与同温度 下黑体单色辐射力随波长的变化曲线 相似或它的单色发射率不随波长变化 。 (1)实际物体的辐射力与黑体和灰 体的辐射力的差别见图8-11；(2) 实 际物体的辐射力并不完全与热力学温 度的四次方成正比；(3) 实际物体的 定向辐射强度也不严格遵守Lambe
8、rt 定律，等等。所有这些差别全部归于 上面的系数，因此，他们一般需要实 验来确定，形式也可能很复杂。在工 程上一般都将真实表面假设为漫发射 面。图8-11 实际物体、黑体 和灰体的辐射能量光谱17第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性1）投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2）选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸收3）吸收率：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表示，即2 吸收率18第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性4) 光谱吸收率：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收率。光谱吸
9、收率随波长的变化 体现了实际物体的选择性吸收的特性。19第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比为20第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为21第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一 下二者之间具有什么样的联系，1859年，Kirchhoff 用热 力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff 定律。最简单的推导是用两块无限大平
10、板间的热力学平衡方法。 如图8-12所示，板1时黑体，板2是任意物体，参数分别为 Eb, T1 以及E, , T2，则当系统处于热平衡时，有 图8-12 平行平板 间的辐射换热22第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热力 学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式 具有如下限制：(1)整个系统处于热平衡状态；(2)如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处 于同一温度下的值才能相等；(3)投射辐射源必须是同温度下的黑体。为了将Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达
11、式，见表8-1。23第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性层层 次数学表达式成立条件光谱谱，定向光谱谱，半球全波段，半球无条件，为为天顶顶角漫射表面与黑体处处于热热平衡或对对漫灰表面表7-1 Kirchhoff 定律的不同表达式注：(1)漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合Lambert定律的物体表面； 灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。 24第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性思考题：1.热辐射和其他形式的电磁波辐射有何异同? 2.光谱辐射力,辐射力和定向辐射强度的物理意义. 它 们之间有什么关系? 3.什么是黑体、白体、透明体、灰体? 4.窗玻璃对红外线几乎不透过，但为什么隔着玻璃晒 太阳却使人感到暖和？ 5.漫射表面的概念. 6.试从普朗克定律推导出维恩位移定律。 7.人造地球卫星在返回地面时为何容易烧毁？25第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性作业：7-3，7-7，7-8，7-17，7-19，7-23，7-2626第七章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性
