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1、第七章第七章 热辐射基本定律及热辐射基本定律及 物体的辐射特性物体的辐射特性1目的和意义：目的和意义： 了解热辐射与传导传热、对流传热在机理上的不同，认识热辐射的几个重要基本定律和物体的辐射特性，为辐射换热计算打下基础。1. 热辐射特点热辐射特点 (三种基本传热方式之一）三种基本传热方式之一）(1)(1) 定义定义：由热的原因，以电磁波方式向外放出辐射能的传：由热的原因，以电磁波方式向外放出辐射能的传热现象，叫热辐射。热现象，叫热辐射。2 电电磁磁波波的的波波长长包包括括的的范范围围很很大大，如如图图7-17-1所所示示，而而我我们们所所感感兴兴趣趣的的，即即工工业业上上有有实实际际意意义义的
2、的热热辐辐射射区区域域一一般般为为0.1-1000.1-100mm。 温温度度在在0-0-2000k2000k（0.38-100 0.38-100 mm m ）+ +太阳辐射（太阳辐射（0.1-2 0.1-2 mm m ） 电磁波的传播速度：电磁波的传播速度： c = f 式中：式中：f 频率，频率，s-1; 波长，波长，m2. 电磁波谱电磁波谱(2)(2) 特点特点： a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 0 K，就会不停地向周围空间，就会不停地向周围空间 发出辐射能，并同时接受其它物体对它的辐射；发出辐射能，并同时接受其它物体对它的辐射；DT=0？ b 可以在真空中传播；可以
3、在真空中传播； c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变； d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性； e 辐射能与波长和温度有关；辐射能与波长和温度有关； f 放出辐射的大小与物体本身温度的放出辐射的大小与物体本身温度的4次方成比例。次方成比例。3电电电电 磁磁磁磁 辐辐辐辐 射射射射 波波波波 谱谱谱谱图7-14当辐射热投射到物体表面上时，通常当辐射热投射到物体表面上时，通常会发生三种现象：即吸收、反射和穿会发生三种现象：即吸收、反射和穿透，如图透，如图7-2所示。所示。3.3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 图图7.27.2物物体体对对热热辐辐射射的的吸吸
4、收收反射和穿透反射和穿透吸收比吸收比 反射比反射比透射比透射比Q投射热； Qf反射热；Qa 吸收热；Qt 投射热；5对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：定义几种特殊的物体（纯理想物体）定义几种特殊的物体（纯理想物体）黑体：黑体： 镜体镜体（或白体：）（或白体：）透明体：透明体：反射又分镜面反射和漫反射两种反射又分镜面反射和漫反射两种图图7-3 镜反射镜反射图图7-4 漫反射漫反射（反射为漫反射时）61.1.黑体概念黑体概念黑体：黑体：是指能吸收投入到其面是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体
5、，现实生一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。工制造出近似的人工黑体。图图7-5 7-5 黑体模型黑体模型7-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律是否要求是具有黑体性质？7辐射力辐射力E 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。长的能量总和。 (W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力E E：（单色辐射力）单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内( (对于某一特定定波长对于某一特定定波长) )，物，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。体的单位表
6、面积向半球空间发射的能量。 (W/m3)；2.2.热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法E、E关系关系:显然，显然， E和和E之间具有如下关系：之间具有如下关系：黑体一般采用下标黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为Eb，黑，黑体的体的光谱辐射力光谱辐射力为为Eb83.黑体辐射的三个基本定律及相关性质黑体辐射的三个基本定律及相关性质 式中，式中， 波长，波长，m m ； T T 黑体温度，黑体温度，K K ； c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.742103.74210-16-16 W W m m2 2； c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.438
7、8101.438810-2-2 W W K K； (1)Planck(1)Planck定律定律( (第一个定律第一个定律) )：（普朗克）：（普朗克）图图7-67-6是是根根据据上上式式描描绘绘的的黑黑体体光光谱谱辐辐射射力力随随波波长长和和温温度度的的依依变变关关系系。其其中中m m为为光光谱谱辐辐射射力力最最大大处处的的波波长长。m m与与T T 的的关关系系由由WienWien（维维恩恩）位位移移定律给出，定律给出，图图7-6 Planck 定律的图示定律的图示9(2)Stefan(2)Stefan18791879-Boltzmann-Boltzmann18941894定律定律( (第二
8、个定律第二个定律) )：（斯忒：（斯忒藩藩- -波耳兹曼）波耳兹曼） 式中，式中，= 5.6710-8 w/(m2= 5.6710-8 w/(m2 K4)K4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数常数。(3)(3)黑体辐射函数黑体辐射函数黑体在波长黑体在波长1 1和和2 2区段区段内所发射的辐射力，如图内所发射的辐射力，如图7-77-7所示：所示：图图7-7 7-7 特定波长区段内的特定波长区段内的 黑体辐射力黑体辐射力10定定义义：球球面面面面积积除除以以球球半半径径的的平平方方称称为为立立体体角角，单单位位：sr(球面度球面度)，如图，如图7-8和和
9、7-9所示：所示：(4)(4)立体角立体角黑体辐射函数黑体辐射函数: :11图图7-8 7-8 立体角定义图立体角定义图12图图7-9 7-9 计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几何关系13定义：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，参见图单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图7-107-10。 (5) (5) 定向辐射强度定向辐射强度L L( ( , , ) )：图图7-10 7-10 定向辐射强度定向辐射强度 的定义图的定义图(6) Lambert 定律定律(黑体辐射的第黑体辐射的第 三个
10、基本定律三个基本定律)它说明黑体的定向辐射力随天顶角它说明黑体的定向辐射力随天顶角 呈余弦规律变化，见图呈余弦规律变化，见图7-11，因，因此，此， Lambert定律也称为余弦定定律也称为余弦定律。律。14图图7-11 Lambert7-11 Lambert定律图示定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:E:15 7-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性1 发射率发射率前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射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；的能力最强，包括所有方
11、向和所有波长；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；因此，定义了发射率因此，定义了发射率 (也称为黑度也称为黑度) ：相同温度下，实际：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物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:16上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。表面的发射能力是随方向和光谱变化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)17因此，我们需要定义因此，我们需要定
12、义方向光谱发射率方向光谱发射率，对于某一指定的方向，对于某一指定的方向( , ) 和波长和波长 对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率，对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率，即即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：18对于指定波长，而在方向上平均的对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了半球光谱发射率，情况，则定义了半球光谱发射率，即即实际物体的光谱辐射力与黑体的实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比光谱辐射力之比这样，前面定义的半球总发射率则可以写为：这样，前面定义的半球总发射率则可以写为：半球总发
13、射率是对所有方向和所有波长下的平均半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均19 对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力，光谱辐射力Eb 和定向辐射强度和定向辐射强度L，分别引入了三个修正系数，即，发射率，分别引入了三个修正系数，即，发射率 ，光谱发射率，光谱发射率 ( )和和定向发射率定向发射率 ( )，其表达式和物理意义如下，其表达式和物理意义如下实际物体的辐射力与实际物体的辐射力与黑体辐射力之比黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：力之比：实际物体的定向辐射实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐强度与黑体的定向辐射强度
14、之比：射强度之比：20漫发射漫发射的概念：表面的方向发射率的概念：表面的方向发射率 ( ) 与方向无关，即定与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上述规律的表面称为漫发射向辐射强度与方向无关，满足上述规律的表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。图图7-15 几种金属导体在不同方向上的定向发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率 ( )(t=150)21图图7-16 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率 ( )(t=093.3)22前前面面讲讲过过，黑黑体体、灰灰体体、白白体体等等都都是
15、是理理想想物物体体，而而实实际际物物体体的的辐辐射射特特性性并并不不完完全全与与这这些些理理想想物物体体相相同同，比比如如，(1)(1)实实际际物物体体的的辐辐射射力力与与黑黑体体和和灰灰体体的的辐辐射射力力的的差差别别见见图图7-147-14；(2)(2) 实实际际物物体体的的辐辐射射力力并并不不完完全全与与热热力力学学温温度度的的四四次次方方成成正正比比；(3)(3) 实实际际物物体体的的定定向向辐辐射射强强度度也也不不严严格格遵遵守守LambertLambert定定律律，等等等等。所所有有这这些些差差别别全全部部归归于于上上面面的的系系数数，因因此此，他他们们一一般般需需要要实实验验来来
16、确确定定，形形式式也也可可能能很很复复杂杂。在在工工程程上一般都将真实表面假设为漫发射面。上一般都将真实表面假设为漫发射面。图图7-14 实际物体、黑体实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱和灰体的辐射能量光谱23本节中，还有几点需要注意本节中，还有几点需要注意1.1.将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，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；很难理论确定，实际上是一种权宜之计；2.2.服从服从LambertLambert定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合定向发射率并不完全符
17、合LambertLambert定律，但仍然近似地认定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从为大多数工程材料服从LambertLambert定律，这有许多原因；定律，这有许多原因；3.3.物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。界条件。247-4 7-4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的辐射投入到物体表
18、面上时，该物体对投入辐射吸收的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？本节将对其作出解答。情况又是如何呢？本节将对其作出解答。Semi-transparent medium251. 1. 投入辐射投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2. 2. 选择性吸收选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际：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，这叫选择性吸收化，这叫选择性吸收3. 3. 吸收比吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分
19、数，通常用：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用 表表 示示，即，即首先介绍几个概念：首先介绍几个概念：26(4) 光谱吸收比光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。化体现了实际物体的选择性吸收的特性。图图7-17和和7-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。波长的关系。图图7-17 金属导电体的光谱吸收比同波长的关系金属导电体的光谱吸收比同波长的关系27图图7-18 7-18
20、 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系灰体灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比管投入辐射的分布如何，吸收比 都是同一个常数。都是同一个常数。28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。设下标度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1 1、2 2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1 1的的吸收比为
21、吸收比为29图图7-18给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。如果投入辐射来自黑体，由于如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为，则上式可变为30图图7-19 7-19 物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系31 物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同多，但事情往往都具有双面性，人们
22、在利用选择性吸收的同时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一般有般有两种两种处理方法，即处理方法，即(1)(1)灰体法灰体法，即将光谱吸收比，即将光谱吸收比 ( ( ) ) 等效为常数，即等效为常数，即 = = ( ( ) = ) = constconst。并将并将 ( ( ) )与波长无关的物体称为灰体与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假它也是一种理想物体，但对
23、于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；设带来的误差是可以容忍的；(2)(2)谱带模型法谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干，即将所关心的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。体假设。32在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一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，下二者之间具有什么样的联系，18591859年，年，Kirchhoff Kirchhoff 用热用热力学方法回答了这个问题，从而提出了力学方法回答了这个
24、问题，从而提出了Kirchhoff Kirchhoff 定律。定律。最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图如图7-207-20所示，板所示，板1 1时黑体，板时黑体，板2 2是任意物体，参数分别为是任意物体，参数分别为E Eb b, , T T1 1 以及以及E E, , , T, T2 2，则当系统处于热平衡时，有，则当系统处于热平衡时，有 图图7-20 7-20 平行平板平行平板间的辐射换热间的辐射换热33 此即此即Kirchhoff Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热力定律的表达式之一。该式说明，在热力学
25、平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下具有如下限制限制：(1)(1)整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；(2)(2)如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于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；同一温度下的值才能相等；(3)(3)投射辐射源必须是同温度下的黑体。投射辐射源必须是同温度下的黑体。为了将为了将Kirchhoff Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、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推导了多种适用条件，
26、形成了该定律不同层次上的表达式，见表式，见表7-27-2。34层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向光谱，半球光谱，半球全波段，半球全波段，半球无条件，无条件， 为天顶角为天顶角漫射表面漫射表面与黑体处于热平衡或对漫灰表面与黑体处于热平衡或对漫灰表面表表7-2 Kirchhoff 7-2 Kirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式注：注：(1)(1)漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合关，即符合LambertLambert定律的物体表面；定律的物体表面；(2)(2)灰体：指光谱吸收比与波
27、长无关的物体，其发射和吸收灰体：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。比例。35思考题：思考题：1.1.什么是黑体什么是黑体, , 灰体灰体? ? 实际物体在什么样的条件下可实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体以看成是灰体? ?2.2.光谱辐射力光谱辐射力, ,辐射力和定向辐射强度的物理意义辐射力和定向辐射强度的物理意义. . 它它们之间有什么关系们之间有什么关系? ?3.3.物体的发射率物体的发射率, , 吸收率吸收率, , 反射率反射率, , 穿透率是怎样定穿透率是怎样定义的义的?
28、? 发射率和反射率有何不同发射率和反射率有何不同? ?4.4.工业上有实际意义的热辐射波长范围工业上有实际意义的热辐射波长范围. . 近红外近红外, , 远远红外辐射概念红外辐射概念. .5.5.漫射表面的概念漫射表面的概念. .6.6.物体的发射率取决于物体本身物体的发射率取决于物体本身, , 而不涉及外部条件而不涉及外部条件. . 因此因此, , 发射率可看成是物性发射率可看成是物性. . 但是吸收率与外界条但是吸收率与外界条件有关件有关. . 为什么对于灰体为什么对于灰体, ,吸收率也可看成是物性吸收率也可看成是物性, , 并等于发射率并等于发射率? ?367.7.维恩位移定律的表达式维恩位移定律的表达式. . 试考虑一下它在自然科学试考虑一下它在自然科学 及工程应用中的作用及工程应用中的作用. .8.8.四个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用四个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用. .37作业：作业：7-3，7-7，7-8，7-17，7-19，7-23，7-2638
