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1、华北电力大学第七章第七章 热辐射基本定律热辐射基本定律 及物体的辐射特性及物体的辐射特性热辐射的本质辐射能传递特性几个基本定律实际物体的辐射特性Heat Transfer华北电力大学7-17-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念一、定义辐射是物体通过电磁波传递能量的现象。内在区别：导致发射电磁波的激励方式不同 外在区别：辐射的波长不一样热辐射是物体由于热的原因所产生的辐射。Heat Transfer华北电力大学Heat Transfer华北电力大学可见光的波长范围：0.380.76m紫 蓝 青 绿 黄 橙 赤Heat Transfer华北电力大学二、辐射与导热、对流的区别 1. 传递方式不同导
2、热和对流需要媒介，辐射换热不需要中间介质 。2. 辐射换热过程存在能量形式的转换热能电磁能电磁能热能3. 辐射表面具有方向性和选择性辐射换热属于表面的物理过程，在换热表面的不 同方向强度不一定相同，且与波长分布有关。Heat Transfer华北电力大学三、吸收、反射和透射 周围物体在单位时间内投 射到物体单位表面积上的辐射 能。用G表示，单位W/m2 。1、投射辐射 被物体吸收、反射和透射的部分所占总投射辐射 的份额分别称为吸收比、反射比 和透射比 。2、吸收比、反射比和透射比Heat Transfer华北电力大学视物体表面状况（粗糙程度）和投入辐射的波 长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。
3、3、镜反射和漫反射漫反射是把来自任意方向、任意波长的投入辐 射以均匀的强度（不是“能量”）反射到半球空间 所有方向上去。(a)镜反射(b)漫反射注：除了经特殊处理的金属表面，大部分工程材料均可视为漫射表面 。Heat Transfer华北电力大学吸收比 = 1的物体称为黑体。4、黑体、白体和透明体黑体、镜体和透明体都是理想物体，自然界中 并不存在，主要用它们作为研究辐射规律的参照物 。特别是黑体的概念，是整个热辐射研究和工程应 用的理论基础。 反射比 = 1的物体称为镜体（或绝对白体）。 透射比 = 1的物体称之为透明体。 Heat Transfer华北电力大学对于某一特定波长下的辐射称为光谱
4、辐射或单 色辐射。5、光谱辐射（单色辐射）对光谱辐射相应有光谱吸收比、光谱反射比和 光谱透射比。Heat Transfer华北电力大学关于物体的颜色我们所看到的物体颜色是由于从该表面发出的 单色光线（辐射）投入到了我们的眼睛。而从表面发出的辐射可能是自身发射的，也可 能是反射投入其表面上的可见光。Heat Transfer华北电力大学四、辐射力与辐射强度 1、光谱辐射力在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有 方向发射的从到+d波长的辐射能称为光谱辐射 力，用符号E表示，单位为W/m3。2、辐射力在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有 方向发射的全部波长范围内的辐射能称为辐射力， 用符号E表
5、示，单位为W/m2。Heat Transfer华北电力大学3、定向辐射强度与定向辐射力定向辐射强度与定向辐射力都是表示辐射在空 间方向上的分布情况。介绍它们之前，先介绍几个 的名词。 (1) 立体角 立体角是指球面上的面 积与球心所对应的空间 角度。立体角的单位叫 球面度，用Sr表示。 Heat Transfer华北电力大学右图中微元面积dA2对球 心所张的微元立体角为 ：(2) 可见辐射面积可见辐射 面积是指从空间某方向所看到 的表面有效面积。如右图 中的可见辐射面积为：Heat Transfer华北电力大学(3) (3) 定向辐射强度定向辐射强度是指单位时间内在空间指定方向的单位立体角内
6、离开表面单位可见辐射面积的全波段辐射能量。 用符号 表示。可见辐射 面积如果仅考虑某特定 波长的辐射，那么相应 的量被称为定向光谱辐 射强度 。Heat Transfer华北电力大学因此可得：(4) (4) 定向辐射力定向辐射力是指单位时间、单位辐射面积向空间指定方向 所在的单位立体角内发射的全波段辐射能量。用 符号 表示。Heat Transfer华北电力大学7-27-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律一、黑体与黑体模型黑体是吸收比等于1的理想物体。它具有同温度 下辐射能力最大的性质。尽管在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。如：空腔上的 小孔。Heat
7、 Transfer华北电力大学Heat Transfer华北电力大学二、普朗克定律黑体辐射的基本规律可以归结为三个定律普 朗克定律、斯忒藩-玻耳兹曼定律和兰贝特定律。 下面分别介绍。1900年，普朗克（M.Planck）在量子假设的基 础上，从理论上确定了黑体辐射的光谱分布规律， 也就是普朗克定律。c1普朗克第一常数，c1= 3.74210-16 Wm2 ; c2普朗克第二常数， c2 = 1.43910-2 mK。 Heat Transfer华北电力大学Heat Transfer华北电力大学根据黑体辐射曲线可以 得以下规律：(1) 温度愈高，同一波长 下的光谱辐射力愈大；(2) 在一定的温度
8、下，黑体的光谱辐射力随波长连 续变化，并在某一波长下具有最大值；(3) 随着温度的升高，光谱辐射力取得最大值的波 长max愈来愈小，即在坐标中的位置向短波方向移 动。 光学高温计和体温测量仪的原理。Heat Transfer华北电力大学根据黑体辐射曲线得到的规 律(3)，计算得到如下的关系 ：维恩位移定律 mK 上式被称为维恩位移定律。 计算温度分别为300K和5800K时最大光谱辐射力所 对应的波长max。Heat Transfer华北电力大学三、斯忒藩-玻耳兹曼定律黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩-波 尔兹曼定律：Heat Transfer华北电力大学波段范围内辐射力的计算为了计算上
9、式，先计算 （0)的辐射占总辐射 力的百分比：表7-1给出了黑体辐射函数表，即 f(T)的数值。Heat Transfer华北电力大学T / (mK)Fb(0-) / % T / (mK)Fb(0-) / %1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2200 2400 2600 2800 30000.0323 0.0916 0.214 0.434 0.782 1.290 1.979 2.862 3.946 5.225 6.690 10.11 14.05 18.34 22.82 27.366500 7000 7500 8000
10、8500 9000 9500 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 2600077.66 80.83 83.46 85.64 87.47 89.07 90.32 91.43 94.51 96.29 97.38 98.08 98.56 98.89 99.12 99.30Heat Transfer华北电力大学例题：计算太阳辐射中可见光所占的比例。解：太阳可认为是表面温度为T = 5762 K的黑体， 可见光的波长范围是0.380.76m ，即1 = 0.38 m , 2 = 0.76 m , 于是 mK mK 由黑体辐射函数表可查得 可见光
11、所占的比例为 Heat Transfer华北电力大学四、兰贝特定律兰贝特定律是指定向辐射强度与方向无关的规 律，即：黑体辐射在空间上的分布符合兰贝特定律，因 此，黑体辐射在半球空间上各个方向的定向辐射强 度相等，黑体表面必是漫射表面。但是 服从兰贝特定律的表面称为漫射表面但是漫射表面不一定是黑体。Heat Transfer华北电力大学定向辐射强度、定向辐 射力与辐射力的关系Heat Transfer华北电力大学7-37-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性对于实际固体和液体的辐射特性是与黑体相比 较而得到的。分别把实际固体和液体的辐射力、光谱辐射力 和定向辐射强度与同温度下黑体
12、的数值相比较，从 而得到发射率(黑度)、光谱发射率 （单色黑度 ）和定向发射率 （定向黑度）的概念。Heat Transfer华北电力大学一、实际物体的光谱辐射力 和光谱发射率Heat Transfer华北电力大学二、实际物体的辐射力 和发射率Heat Transfer华北电力大学三、实际物体的定向辐射强度和定向发射率几种非金属材料的定向发射率几种金属材料的定向发射率Heat Transfer华北电力大学导电体和非导电体圆球加热到白炽温度 时，观察到的亮度情况。Heat Transfer华北电力大学部分常见材料表面的法向发射率Heat Transfer华北电力大学7-47-4 实际物体的吸收比
13、与基尔霍夫定律实际物体的吸收比与基尔霍夫定律一、实际物体的光谱吸收比Heat Transfer华北电力大学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：Heat Transfer华北电力大学温室大棚就是利用了玻璃对辐射能吸收的选择性Heat Transfer华北电力大学关于物体的颜色关于物体的颜色物体从表面发出的辐射可能是自身发射的，也 可能是反射投入其表面上的可见光。如果物体全部吸收各种可见光，它就呈黑色；如果物体全部反射各种可见光，它就呈白色；如果物体只反射了一种波
14、长的可见光，则它就 呈现该反射的辐射线的颜色。紫 蓝 青 绿 黄 橙 赤可见光的波长范围：0.380.76mHeat Transfer华北电力大学实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长有选 择性这一情况给辐射换热的工程计算带来很多不便 。二、灰体光谱吸收比与波长 无关的理想物体称为灰 体。 在红外线的辐射范围内大多数工程材料可以当作 灰体处理。Heat Transfer华北电力大学三、基尔霍夫定律列出处于热平衡时，实际 物体2的能量收支关系。但是，这个等式是有条件的。Heat Transfer华北电力大学基尔霍夫定律的四种表达形式：基尔霍夫定律的四种表达形式：无条件成立漫射表面灰体表面漫射灰体表
15、面或与黑体 处于热平衡Heat Transfer华北电力大学四、关于基尔霍夫定律和灰体的几点说明1、根据基尔霍夫定律，物体的辐射能力越大，其 吸收能力也越大。换句话，善于辐射的物体必善于 吸收。2、对于工程问题而言，只要在所研究的波长范围 内光谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定是 成立的。 3、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能 把物体当作灰体处理。Heat Transfer华北电力大学本章作业7-5、7-8、7-21、7-22（第三版） 8-5、8-8、8-20、8-21（第四版）7-4、7-6、7-10、7-16、7-17、7-18 （第三版） 8-4、8-6、8-10、8-16
16、、8-17、8-18 （第四版）一、基本要求二、较高要求Heat Transfer华北电力大学1.描述黑体辐射规律的是哪几个定律，它们分别 从哪些方面进行描述的？2.解释发射率、光谱发射率和定向发射率。3.金属和非金属材料的定向发射率有何不同？4.常用材料表面的法向发射率有何大致的规律？5.实际物体表面的光谱吸收比和哪些因素有关？6.什么是灰体？实际物体在什么情况下可当作灰 体？7.灰体和灰色物体有何区别？Heat Transfer华北电力大学7.在夏天阳光下，人们穿浅颜色的衣服感到凉快， 而在钢厂的高温车间，人们是不是也穿浅颜色的衣 服好？ 8.太阳能集热器的表面一般涂成黑色，对于室内 的辐射采暖板，有没有必要涂成黑色。9.对太阳能集热器表面的涂层有什么样的要求。00Heat Transfer华北电力大学Heat Transfer
