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1、第七章第七章 热辐射根本定律及热辐射根本定律及 物体的辐射特性物体的辐射特性7-1 热辐热辐射的根本概念射的根本概念1. 热辐热辐射特点射特点(1) 定定义义：由：由热热运运动产动产生的，以生的，以电电磁波方式磁波方式传传送能量；送能量；(2) 特点：特点：a 任何物体，只需温度高于任何物体，只需温度高于0 K，就会不停地向周，就会不停地向周围围空空间发间发出出热辐热辐射；射；b 可以在真空中可以在真空中传传播；播；c 伴随能量方伴随能量方式的式的转变转变；d 具有具有剧剧烈的方向性；烈的方向性；e 辐辐射能与温度和波射能与温度和波长长均有关；均有关；f 发发射射辐辐射取决于温度的射取决于温度
2、的4次方。次方。2. 电磁波谱电磁波谱电磁磁辐射包含了多种方式，如射包含了多种方式，如图7-17-1所示，而我所示，而我们所感所感兴趣趣的，即工的，即工业上有上有实践意践意义的的热辐射区域普通射区域普通为0.1100m0.1100m。电磁波的磁波的传播速度：播速度： c = f c = f 式中：式中：f f 频率，率，s-1; s-1; 波波长，mm电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱图7-1当热辐射投射到物体外表上时，普通当热辐射投射到物体外表上时，普通会发生三种景象，即吸收、反射和穿会发生三种景象，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
3、物体对热辐射的吸收、反射和穿透 图图7.27.2物体对热辐射的物体对热辐射的吸收、反射和穿透吸收、反射和穿透吸收比、反射比、透射比表达了能量的守衡表达了能量的守衡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：对于黑体：对于黑体： 镜体或白体：镜体或白体：透明体：透明体：反射又分反射又分镜面反射和漫反射两种面反射和漫反射两种图图7-3 镜面反射镜面反射图图7-4 漫反射漫反射1.1.黑体概念黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面黑体：是指能吸收投入到其面上的一切上的一切热辐热辐射能的物体，射能的物体， 吸吸收比收比=1=1的物体的物体 ，是，是一种科学假想的
4、物体，一种科学假想的物体，现实现实生生活中是不存在的。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 黑体黑体辐辐射的根本定律射的根本定律辐射力射力E E：单位位时间内，物体的内，物体的单位外表位外表积向半球空向半球空间发射的一切波射的一切波长的能量的能量总和。和。 (W/m2) (W/m2)；单色色( (或光或光谱) )辐射力射力EE：单位位时间内，内，对某一某一给定波定波长，物体的，物体的单位外表位外表积向半球向半球空空间发射的能量。射的能量。 (W/m2) (W/m2)；2.2.热辐热辐射能量的表示方法射能量
5、的表示方法E、E关系关系:显然，然， E和和E之之间具有如下关系：具有如下关系：黑体普通采用下黑体普通采用下标b表示，如黑体的表示，如黑体的辐射力射力为Eb，黑体的黑体的单色色(或光或光谱)辐射力射力为Eb3.黑体辐射的三个根本定律及相关性质黑体辐射的三个根本定律及相关性质 式中，式中， 波波长，m m ； T T 黑体温度，黑体温度，K K ； c1 c1 第一第一辐射常数，射常数，3.74210-16 Wm23.74210-16 Wm2； c2 c2 第二第二辐射常数，射常数，1.438810-2 W1.438810-2 W K K； (1)(1)普朗克定律普朗克定律( (第一个定律第一个
6、定律) )：图7-67-6是根据上式描画的黑体是根据上式描画的黑体单色色辐射力随波射力随波长和温度的依和温度的依变关系。关系。mm与与T T 的关系由的关系由维恩恩WienWien定律定律给出，出，图图7-6 Planck 定律的图示定律的图示(2)(2)斯忒藩斯忒藩- -珀耳兹曼珀耳兹曼Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律定律( (第二个第二个定律定律) )： 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。又称又称为四次方定律四次方定
7、律.图图7-8 7-8 立体角定义图立体角定义图定定义：球球面面面面积除除以以球球半半径径的的平平方方称称为立立体体角角，单位位：sr(球面度球面度)，如，如图7-8和和7-9所示半球的立体角所示半球的立体角为2(3)(3)立体角立体角图图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定义：单位时间内，物体在单位面积上，在单位立体角内发定义：单位时间内，物体在单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量。射的一切波长的能量。 (4)定向定向辐辐射力射力E定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在定义：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
8、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) 兰贝特兰贝特 Lambert 定律定律(黑黑体辐射的第体辐射的第 三个根本定律三个根本定律)它阐明黑体的定向辐射力随天顶角它阐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。黑体的定向辐射强黑体的定向辐射强度与方向无关。度与方向无关。图图7-11 Lambert7-11 Lambe
9、rt定律图示定律图示沿半球方向积分上式，可获得半球辐射强度沿半球方向积分上式，可获得半球辐射强度E:E: 7-3 实实践固体和液体的践固体和液体的辐辐射特性射特性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，黑体发射热辐射的才干最强，包括一切方向和一切波长；的才干最强，包括一切方向和一切波长；真实物体外表的发射才干低于同温度下的黑体；真实物体外表的发射才干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) ：一样温度下，实：一样温度下，实践物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比践物体的半球总辐射力与黑体半
10、球总辐射力之比:上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实践上，真实外表上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实践上，真实外表的发射才干是随方向和光谱变化的。的发射才干是随方向和光谱变化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal) 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，分别引入了三个修正系数，即，发射率了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率，光谱发射率( )和定向发射率和定向发射率( )，其表达式和物理意义如下其表达式和物理意义如下实践物体的辐射力与实践物体
11、的辐射力与黑体辐射力之比黑体辐射力之比:实践物体的光谱辐射实践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(光谱辐射力光谱辐射力)实践物体的定向辐射实践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之比：射强度之比：(定向发定向发射率射率)漫发射的概念：外表的方向发射率漫发射的概念：外表的方向发射率 () 与方向无关，与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上述规律的外表称为漫即定向辐射强度与方向无关，满足上述规律的外表称为漫发射面，这是对大多数实践外表的一种很好的近似。发射面，这是对大多数实践外表的一种很好的近似。图7-15 几种金属几种金属导体在不同方向上的定
12、向体在不同方向上的定向发射率射率( )(t=150)图7-16 几种非几种非导电体体资料在不同方向上的定向料在不同方向上的定向发射率射率( )(t=093.3)黑黑体体、灰灰体体等等都都是是理理想想物物体体，实实践践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一一样样，比比如如，(1)(1)实实践践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) 实实践践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) 实实践践物物体体的的定定向向辐辐射射
13、强强度度也也不不严严厉厉遵遵守守LambertLambert定定律律，等等等等。一一切切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，他他们们普普通通需需求求实实验验来来确确定定，方方式式也也能能够够很很复复杂杂。在在工工程程上上普普通通都都将将真真实实外外表假设为漫发射面。表假设为漫发射面。图图7-14 实践物体、黑体实践物体、黑体和灰体的辐射能量光谱和灰体的辐射能量光谱本节中，还有几点需求留意本节中，还有几点需求留意将不确定要素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很将不确定要素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难实际确定，实践上是一种权宜之计；难实际确定，实践上是
14、一种权宜之计；服从服从LambertLambert定律的外表称为漫射外表。虽然实践物体的定向定律的外表称为漫射外表。虽然实践物体的定向发射率并不完全符合发射率并不完全符合LambertLambert定律，但依然近似地以为大定律，但依然近似地以为大多数工程资料服从多数工程资料服从LambertLambert定律；定律；物体外表的发射率取决于物质种类、外表温度和外表情况。物体外表的发射率取决于物质种类、外表温度和外表情况。这阐明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外这阐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。7-4 7-4 实实践固体的吸收比和基践固体的吸收比和基尔尔霍
15、夫定律霍夫定律 上一节简单引见了实践物体的发射情况，那么当外界的辐射投入到物体外表上时，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。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with what happens to _, while emissivity deals with _1. 1. 投入辐射：单位时间内投射到单位外表积上的总辐射能投入辐射：单位时间内投射到单位外表积上的总辐射能 2. 2. 选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实践选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实践 物体对投入辐射的吸收才干也根据其波长的不同而
16、变物体对投入辐射的吸收才干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：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用 表表 示，即示，即首先引见几个概念：首先引见几个概念：(4) 光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收光谱吸收比：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表达了实践物体的选择性吸收的特性。化表达了实践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资料的光谱吸收比同分别给出了室温下几种资料的光谱吸收比
17、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图图7-18 7-18 非导电体资料的光谱吸收比同波长的关系非导电体资料的光谱吸收比同波长的关系灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不论投入辐射的分布如何，吸收比论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。根据前面的定义可知，物体的吸收比除与本身外表性质的温根据前面的定义可知，物体的吸收比除与本身外表性质的温度有关外，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
18、1、2 2分别代表所研讨的物体和产生投入辐射的物体，那么物体分别代表所研讨的物体和产生投入辐射的物体，那么物体1 1的吸收比为的吸收比为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络，下二者之间具有什么样的联络，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7-20
19、7-20所示，板所示，板1 1是黑体，板是黑体，板2 2是恣意物体，参数分别为是恣意物体，参数分别为Eb, T1 Eb, T1 以及以及E, E, , T2, T2，那么当系统处于热平衡时，有，那么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 此即此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式阐明，在热力学平定律的表达式之一。该式阐明，在热力学平衡形状下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下衡形状下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下限制：限制：整个系统处于热平衡形状；整个系统处于热平衡形状；物体的吸收率和发射率与温度有关，因此二者只需
20、处于同一温物体的吸收率和发射率与温度有关，因此二者只需处于同一温度下的值才干相等；度下的值才干相等；投射辐射源必需是同温度下的黑体。投射辐射源必需是同温度下的黑体。为了将为了将Kirchhoff Kirchhoff 定律推向实践的工程运用，人们调查、定律推向实践的工程运用，人们调查、推导了多种适用条件，构成了该定律不同层次上的表达推导了多种适用条件，构成了该定律不同层次上的表达式，见表式，见表7-27-2。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外表漫射外表与黑体处于热平衡或对漫灰外表与黑
21、体处于热平衡或对漫灰外表表表7-2 Kirchhoff 7-2 Kirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式注：注：漫射外表：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，漫射外表：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合即符合LambertLambert定律的物体外表；定律的物体外表；灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐灰体：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方式上完全一样，只是减小了一个一样的比射与黑体在方式上完全一样，只是减小了一个一样的比例。例。思索题：思索题：1.1.什么是黑体什么是黑体, , 灰体灰体? ? 实践物体在什么样的条实践物体
22、在什么样的条件下可以看成是灰体件下可以看成是灰体? ?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辐射力和定向辐射强度的物理意义意义. . 它们之间有什么关系它们之间有什么关系? ?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, , 穿透率是穿透率是怎样定义的怎样定义的? ? 发射率和反射率有何不同发射率和反射率有何不同? ?4.4.工业上有实践意义的热辐射波长范围工业上有实践意义的热辐射波长范围. . 近红近红外外, , 远红外辐射概念远红外辐射概念. .5.5.漫射外表的概念漫射外表的概念. .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, , 而不涉及外而不涉及外部条件部条件. . 因此因此, , 发射率可看成是物性发射率可看成是物性. . 但是但是吸收率与外界条件有关吸收率与外界条件有关. . 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? ?7.7.维恩位移定律的表达式维恩位移定律的表达式. . 试思索一下它在自然科学试思索一下它在自然科学 及工程运用中的作用及工程运用中的作用. .8.8.四个黑体辐射根本定律的物理意义及计算运用四个黑体辐射根本定律的物理意义及计算运用. .
