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1、9. 热辐射基本定律及物体的辐射特性9.1 知识结构1 辐射换热的特点；2 基本定律(Planck，Wien，S-B，Lambert，Kirchoff(推论)；3 定义：黑体，灰体，黑度(发射率)，光谱黑度，定向黑度，吸收比，光谱吸收比，辐射力，光谱辐射力，定向辐射力，定向辐射强度9.2 重点内容剖析9.2.1 热辐射的基本概念一、 热辐射的物理本质辐射物体通过电磁波传递能量的现象热辐射由于热的原因而产生的电磁波辐射（改变物体内部微观粒子的热运动状态，将部分内能转换为电磁波的能量发送出去的过程） 不同温度 t 0 K 内 辐射能 辐射特性 不同波长 不同方向 的物体 能 辐射能 吸收特性 不同
2、波长 辐射和吸收的总效果辐射换热热辐射传播速度c、波长和频率f之间的关系：c=f热辐射的主要波谱： 紫外 可见 红外 近 远 0.1 0.38 0.76 4 20 100 m 工程材料辐射(T2000K)图9-1 物体对热辐射的吸收、反射和透射二、 吸收比、反射比和穿透比热辐射到达物体表面后的传播途径如图9-1。根据热平衡原理，投入辐射等于反射辐射、吸收辐射和穿透辐射之和。 (9-1)理想体：吸收比 =1 绝对黑体（黑体）反射比 =1 镜体（对于漫反射称为白体）穿透比 =1 绝对透明体（透明体）9.2.2 黑体辐射辐射力单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射的全部波长的辐射能总量，记为
3、：E 。光谱辐射力单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射的某一波长的辐射能，记为：E。显然： (9-2)一、 普朗克定律（黑体的光谱辐射力） (9-3)式中：波长，m； T黑体的绝对温度，K； C1第一辐射常量，3.74210-16 Wm2 C2第二辐射常量，1.438810-2 mK二、 维恩位移（光谱辐射力的峰值点随温度的升高向短波区移动）定律图9-2 位移定律演示由普朗克定律，令： (9-4)其中：为某一温度下最大光谱辐射力所对应的波长（如图9-2）。三、 斯蒂芬-波尔兹曼定律（四次方定律）黑体辐射力： (9-5)式中：黑体辐射常数，5.6710-8 W/(m2K4); CO黑体
4、辐射系数，5.67 W/(m2K4)。四、 黑体辐射函数图9-3 某一波段内的辐射能有时需要计算某一波段的辐射能，如太阳辐射中可见光的份额（如图9-3）。为了方便计算，引出黑体辐射函数。黑体辐射函数：黑体在0波长范围内发出的辐射能在其辐射力中所占的份额。 (9-6) （其值可查参考文献1表7-1，P246）某一波段的辐射能份额： (9-7)五、 兰贝特定律（能量的空间分布方向函数）1. 为了描述辐射能的空间分布特性，引入立体角的概念。立体角： 球面度 (9-8)式中：A球面面积；r球面半径。图9-4微元立体角 (9-9)式中：天顶角；平面方位角。2. 定向辐射强度：单位时间、单位可见辐射面积在
5、某一方向的单位立体角内所发出的辐射能，称为该方向的辐射强度，记为L（）。 (9-10)图9-5 可见辐射面积所谓可见辐射面积，是指在接受辐射方向所能看到的辐射表面积，如图9-5。3. 兰贝特定律（余弦定律）黑体表面具有漫辐射（均匀辐射）的性质，在半球空间各个方向上的定向辐射强度相等。 (9-11)4. 定向辐射力：单位时间、单位辐射面积，在某一方向P的单位立体角内辐射的能量，称为该方向的定向辐射力，记为E（）。对服从兰贝特定律的辐射： (9-12)上式表明：单位辐射面上发出的辐射能落到空间不同方向单位立体角内的能量是不等的，其值正比于该方向与辐射面法线夹角的余弦。 辐射力与定向辐射强度的关系：
6、 (9-13)9.2.3 实际物体和灰体的辐射一、 发射热辐射的性质 温度：E（T）T4（S-B定律） 黑体辐射特性： 波长：E（） （Planck定律） 方向：E（）=L cos（Lambert定律） 对于非黑体，其辐射特性要作适当修正。1 黑度：实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值称为实际物体的黑度，又称发射率，记为。 (9-14) (9-15)对于实际物体来说，黑度仍是温度的函数，即实际物体的辐射力不满足四次方关系。2 光谱黑度图9-6 光谱黑度与黑度上式中，=E/Eb，为实际物体的光谱辐射力与同温度同波长下黑体的光谱辐射力的比值，称为实际物体的光谱黑度，又叫光谱发射率。它是温度与
7、波长的函数。3 定向黑度实际物体在半球空间的辐射强度不服从兰贝特定律。定向黑度：在某一方向上实际物体的辐射强度与同温度下黑体的辐射强度之比。 (9-16)大量实验表明，物体的半球平均发射率与法向发射率之比为：高度磨光的金属表面1.2，其它表面0.96，为简化计算，往往不考虑方向的影响，近似认为大多数工程材料也服从兰贝特定律。物体的黑度：=f（物质种类，表面温度，表面状况）图9-7 投入辐射与吸收辐射的关系二、 吸收热辐射的性质 光谱吸收比：物体对某一特定波长投入辐射能的吸收份额。吸收比：物体对投入辐射在全波长范围内吸收的份额=f（自身表面性质与温度T1，辐射源性质与温度T2） (9-17)若投
8、入辐射来自黑体，则吸收比为： (9-18)对来自黑体辐射的吸收比：（1） 导体的（T2）为增函数，非导体的（T2）为降函数。原因：黑体辐射：T2max(温度越高，短波份额越大) 导电体吸收比： (善于吸收短波辐射) 非导体吸收比： (善于吸收长波辐射)（2） 金属表面吸收比小，非金属及金属氧化物表面吸收比大。（3） 当T2很高时，白色非金属表面吸收比可能低于金属表面吸收比。 原因：T2可见光白色表面可见（4） 物体表面颜色仅对可见光的吸收比有较大影响如：白漆，阳光=0.12 白漆, 红外0.9黑漆, 阳光=0.96 黑漆, 红外0.9三、 灰体单色吸收比与波长无关的物体 = =常数 (9-19
9、) 是一个理想化的假设，可以简化计算。四、基尔霍夫定律图9-8 实际物体与黑体的辐射换热如图9-8：板1为黑体，板2为实际物体，两板间的辐射换热热流密度为：q=E- E b当T1=T2时，q=0 (7-20)结论：在热平衡条件下，任何物体的辐射力与它对来自黑体辐射的吸收比之比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。（只与温度有关，与物体本身性质无关）推论：（1）同温度下，善于辐射的物体必善于吸收。 （2）实际物体 1，同温度下黑体辐射力最大。 （3）由黑度定义：， 在与黑体处于热平衡的条件下，任何物体对来自黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的黑度。 （4）对于光谱辐射： （T）=（T）(5) 对于灰体
10、：吸收比与外界条件无关，无论投入辐射是否来自黑体，无论是否处于热平衡，只与自身温度有关。所以灰体的吸收比恒等于同温度下本身的黑度。 （一般工程材料在红外线范围内可近似按灰体处理）9.3 概念汇总1. 黑体：吸收比为1的物体，同温度下辐射力最大。2. 辐射力：单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射的全部波长的辐射能。3. 光谱辐射力：单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射的某一波长的辐射能。4. 普朗克定律： W/m35. 维恩位移定律： mK6. 斯蒂芬波尔兹曼定律： W/m27. 兰贝特定律：具有漫辐射特性的表面，其定向辐射强度与方向无关。服从兰贝特定律的辐射，在半球空间不同
11、方向的单位立体角内的辐射能数值不等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦，所以兰贝特定律又叫余弦定律。8. 定向辐射强度：单位时间、单位可见辐射面积在某一方向上的单位立体角内的辐射能称为该方向的定向辐射强度。9. 定向辐射力：单位时间、单位辐射面积在某一方向P的单位立体角内的辐射能称为该方向的定向辐射力。10. 对服从兰贝特定律的辐射，。11. 黑度：实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值称为实际物体的黑度（发射率），记为：。12. 光谱黑度：实际物体的光谱辐射力与同温度及波长下黑体的光谱辐射力之比，记为：。13. 定向黑度：在某一方向实际物体的定向辐射强度与同温度下黑体的定向辐射强
12、度之比。14. 光谱吸收比：物体对某一特定波长辐射能的吸收份额，记为： 15. 吸收比：物体对投入辐射的吸收份额，它不仅与自身的表面性质与温度有关，还与辐射源的性质与温度有关。16. 物体的颜色仅对可见光的吸收比有较大影响。17. 灰体：光谱吸收比与波长无关的物体。18. 基尔霍夫定律：在热平衡条件下，任何物体的辐射力与它对来自黑体辐射的吸收比之比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。因此，在与黑体处于热平衡的条件下，任何物体对来自黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的黑度。19. 对于灰体， （灰体吸收率与外界条件无关，只与自身温度有关）。20. 一般工程材料在红外线范围内可近似按灰体处理。9.4 思考题分析9-1
