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1、第四章第四章辐射换热辐射换热u热辐射的基本概念热辐射的基本概念u热辐射的基本定律热辐射的基本定律u实际物体的辐射实际物体的辐射第第4-1节节热辐射的基本概念热辐射的基本概念l热辐射的本射的本质在物体内，在物体内，当原子内部的当原子内部的电子受激和振子受激和振动时，产生交替生交替变化的化的电场和磁和磁场，发出的磁波向空出的磁波向空间传播，播，这就是就是辐射。射。辐射有一个重要特点，就是它是辐射有一个重要特点，就是它是“对等的对等的”。不论物体。不论物体( (气体气体) )温度高低都向外辐射，甲物体可以向乙物体辐射，同时温度高低都向外辐射，甲物体可以向乙物体辐射，同时乙也可向甲辐射。这一点不同于传
2、导，传导是单向进行的。乙也可向甲辐射。这一点不同于传导，传导是单向进行的。 发射射辐射能是各射能是各类物物质的固有特性。由于激的固有特性。由于激发的的原因原因不同，不同，所所产生的生的电磁波波磁波波长就不同，它就不同，它们投射到物体上投射到物体上产生的效生的效应也也不同。如果是由于自身温度或不同。如果是由于自身温度或热运运动的原因而激的原因而激发的的电磁波磁波传播，就称播，就称为热辐射。射。各各类电磁波的波磁波的波长分布如分布如图4-1。波波长=0.380.76m的的电磁波属可磁波属可见光，光，波波长1000m的的电磁波是无磁波是无线电波。波。热辐射的热辐射的波波长主要集中在主要集中在=0.1
3、1000m的的范围内，范围内，其其中包括可中包括可见光光线，部分紫外，部分紫外线和部分和部分红外外线，它，它们投射到物投射到物体上能体上能产生生热效效应。图图4-1电磁波波谱电磁波波谱l热辐射的特点射的特点热射射线的本的本质决定了决定了热辐射射过程有以下特点：程有以下特点：1、它不依靠物它不依靠物质的接触而的接触而进行行热量量传递导热和和对流流换热都必都必须有冷有冷热物体直接接触或通物体直接接触或通过中中间介介质相接触才能相接触才能进行。行。2、辐射射换热过程伴随着能量形式的两次程伴随着能量形式的两次转化化即物体的部分内能即物体的部分内能转化化为电磁波能磁波能发射出去，当其射出去，当其辐射射到
4、另一物体表面而被吸收到另一物体表面而被吸收时，电磁能磁能又又转化化为内能。内能。3、一切物体只要温度大于一切物体只要温度大于绝对零度，都不断地零度，都不断地发射射热射射线即使各物体的温度相同，即使各物体的温度相同，辐射射换热仍在不断仍在不断进行，只是行，只是每一物体每一物体辐射出去的能量等于吸收的能量，射出去的能量等于吸收的能量，处于于动态平衡。平衡。l吸收、反射与透射吸收、反射与透射 与可见光一样，当热辐射能投射到实际物体表面上时，与可见光一样，当热辐射能投射到实际物体表面上时，将有一部分被物体表面吸收，有一部分被物体反射，其将有一部分被物体表面吸收，有一部分被物体反射，其余部分透过物体，如
5、动画余部分透过物体，如动画4 4-1所示。所示。动画画4-1物体物体对热辐射的吸收、反射和穿透射的吸收、反射和穿透 单位时间内投射到单位面积物体表面上的全波长范围内单位时间内投射到单位面积物体表面上的全波长范围内的辐射能称为的辐射能称为投入辐射投入辐射，用，用 Q Q 来表示。其中被物体吸收、来表示。其中被物体吸收、反射和透射的部分分别为反射和透射的部分分别为Q Q、Q Q 和和Q Q，所占的份额分别所占的份额分别为：为： = Q= Q/Q /Q ； = Q= Q/Q /Q ； = Q= Q/Q /Q ；、分别为物体对投射辐射能的吸收比、分别为物体对投射辐射能的吸收比、反射比反射比与透与透射比
6、。射比。 据能量守恒定律，据能量守恒定律，Q = QQ = Q + Q + Q + Q + Q （式（式5-15-1） 则，则， += 1 += 1 （式（式5-25-2）（1）如果吸收比）如果吸收比=1，则表明该物体能吸收全波长域的所则表明该物体能吸收全波长域的所有辐射能，称为绝对黑体。它吸收热辐射的能力最强。有辐射能，称为绝对黑体。它吸收热辐射的能力最强。（2）如果）如果= 1= 1，则表明该物体能反射所有投射来的辐射能，则表明该物体能反射所有投射来的辐射能，称为绝对白体，简称白体。称为绝对白体，简称白体。（3 3）如果）如果= 1= 1，则，则表明该物体能全部透过投射来的辐射能，表明该物
7、体能全部透过投射来的辐射能，称为绝对透明体，简称透明体。称为绝对透明体，简称透明体。v黑体黑体= 1= 1的物体称为黑体，黑体是一种理的物体称为黑体，黑体是一种理想物体，在自然界是不存在的，不过想物体，在自然界是不存在的，不过有些有些物质很接近黑体，如沥青（物质很接近黑体，如沥青（=0.98）雪雪和霜（和霜（=0.97）等。也可制造出接近于）等。也可制造出接近于黑体的模型，如图黑体的模型，如图4-2。人工黑体模型：一个内表面吸收比较高的空腔，空腔的壁面上有一个人工黑体模型：一个内表面吸收比较高的空腔，空腔的壁面上有一个小孔。只要小孔的尺寸与空腔相比足够小，则从小孔进入空腔的辐射能小孔。只要小孔
8、的尺寸与空腔相比足够小，则从小孔进入空腔的辐射能经过空腔壁面的多次吸收和反射后，几乎全部被吸收，相当于小孔的吸经过空腔壁面的多次吸收和反射后，几乎全部被吸收，相当于小孔的吸收比接近于收比接近于1，即接近于黑体。，即接近于黑体。黑体研究的重要意义：由于实际物体的热辐射特性和规律非常复杂，黑体研究的重要意义：由于实际物体的热辐射特性和规律非常复杂，所以人们首先研究黑体辐射的性质和规律，把实际物体的辐射特性与之所以人们首先研究黑体辐射的性质和规律，把实际物体的辐射特性与之比较，找出与黑体辐射的区别，再将黑体辐射的规律进行修正后用于实比较，找出与黑体辐射的区别，再将黑体辐射的规律进行修正后用于实际物体
9、。际物体。图4-2人工黑体模型人工黑体模型反射比反射比=1的物体称为镜体（或白体）。抛光的金的物体称为镜体（或白体）。抛光的金属表面接近白体（属表面接近白体（=0.97）透射比透射比=1的物体称之为绝对透明体。镜体、绝对的物体称之为绝对透明体。镜体、绝对透明体与黑体一样，都是一种理想物体，自然界中并不透明体与黑体一样，都是一种理想物体，自然界中并不存在。存在。另外，不能凭物体颜色的黑白来判断它对热辐射吸另外，不能凭物体颜色的黑白来判断它对热辐射吸收比的大小。例如，白雪对红外线的吸收比高达收比的大小。例如，白雪对红外线的吸收比高达0.97；白布和黑布对可见光的吸收比差别很大，但对红外线的白布和黑
10、布对可见光的吸收比差别很大，但对红外线的吸收比基本相同吸收比基本相同.l镜反射与漫反射镜反射与漫反射物体表面对热辐射的反射有两种现象：镜反射与漫反射。物体表面对热辐射的反射有两种现象：镜反射与漫反射。镜反射的特点是反射角等于入射角，如动画镜反射的特点是反射角等于入射角，如动画4-2所示所示漫反射时被反射的辐射能在物体表面上方空间各个方向漫反射时被反射的辐射能在物体表面上方空间各个方向上均匀分布，如动画上均匀分布，如动画4-3所示。所示。动画画4-2镜反射反射动画画4-3漫反射漫反射1、镜反射、漫反射的条件：、镜反射、漫反射的条件：取决于物体表面的粗糙程度和投射辐射能的波长。取决于物体表面的粗糙
11、程度和投射辐射能的波长。当物体表面粗糙度当物体表面粗糙度投投时，产生镜反射，例如高度抛时，产生镜反射，例如高度抛光的金属表面就会产生镜反射；光的金属表面就会产生镜反射；当物体表面粗糙度当物体表面粗糙度投投时，产生漫反射。时，产生漫反射。2、之间的关系之间的关系一般固体、液体都是不透明体，即一般固体、液体都是不透明体，即=0，则式则式4-2可简化为：可简化为：+= 1 = 1 （式（式4-34-3） 可见，固体和液体材料如果吸收能力大，则反射能力可见，固体和液体材料如果吸收能力大，则反射能力小，反之，吸收能力小，则反射能力大。小，反之，吸收能力小，则反射能力大。 气体对辐射能几乎没有反射能力，即
12、气体对辐射能几乎没有反射能力，即= 0= 0，则式则式4-24-2简化为：简化为： + = 1 = 1 （式式4-44-4） 可见，透射性好的气体吸收能力差，透射性差的气体可见，透射性好的气体吸收能力差，透射性差的气体吸收能力好。吸收能力好。平面角的度量：所对的弧长平面角的度量：所对的弧长s除以半径除以半径r，即即=s/r（式（式4-5）立体角的度量：半球表面上立体角的度量：半球表面上被立体角所切割的面积被立体角所切割的面积dA2除除以半径的平方以半径的平方r2,即，即，（式（式4-6）第第4-2节节辐射基本定律辐射基本定律l辐射能量与辐射力辐射能量与辐射力1 1、辐射能量的表示方法：方向角和
13、立体角、辐射能量的表示方法：方向角和立体角 辐射能是按空间方向分布的，在不同方向上有不同的数值；辐射能是按空间方向分布的，在不同方向上有不同的数值； 辐射能又是按波长分布的，不同波长具有不同的能量。辐射能又是按波长分布的，不同波长具有不同的能量。 图图4-3立体角立体角2 2、辐射强度：、辐射强度：I(I(单位：单位：W/mW/m2 2sr)sr) 定义：物体表面在某辐射方向上的单位投影面积，在定义：物体表面在某辐射方向上的单位投影面积，在单位时间、单位立体角内发射的全波域的能量，称为辐单位时间、单位立体角内发射的全波域的能量，称为辐射强度或定向辐射强度。射强度或定向辐射强度。表达式为：表达式
14、为：图图4-4辐射强度的定义辐射强度的定义单色辐射强度（单色辐射强度（I I）：）： 辐射波长辐射波长在在dd范范围内发射的能量。围内发射的能量。表达式为表达式为: : （式（式4-8）（式（式4-9）（式（式4-7）3 3、辐射力：、辐射力： E（单位：单位：W/m2） 定义：在单位时间内，每单位面积的物体表面发射定义：在单位时间内，每单位面积的物体表面发射的全部波长的辐射能总和称为该物体表面的的全部波长的辐射能总和称为该物体表面的辐射力辐射力。E 与与I的关系：的关系：（式（式4-10）单色辐射力（单色辐射力（E）（式式4-11）定向辐射力（定向辐射力（E）（式式4-12）l热辐射的基本定
15、律热辐射的基本定律1、普朗克定律、普朗克定律1900年，普朗克（年，普朗克（M.PlanckM.Planck）根据量子理论，揭示了）根据量子理论，揭示了黑体单色辐射力黑体单色辐射力 与与T T、之间的函数关系，称为普朗之间的函数关系，称为普朗克定律，克定律，即：即：（式（式4-13）2、随随T、变化的规律变化的规律黑体辐射力相当于绝对温度黑体辐射力相当于绝对温度T曲线下的面积，由图可知：曲线下的面积，由图可知：（1）黑体的辐射力随着波长的增加，先增大，后减小。黑体的辐射力随着波长的增加，先增大，后减小。（2）随着温度的升高，随着温度的升高，T曲线下的面积增大，黑体辐射力增强，曲线下的面积增大，
16、黑体辐射力增强，而且而且所对应的所对应的，也随着，也随着T T 的增加，曲线峰值向左移动，的增加，曲线峰值向左移动，移向较短的移向较短的， T T与与的关系：的关系： （式（式4-144-14） 表明表明 与与 T T 成反比例规律，成反比例规律，称为维恩位移定律。称为维恩位移定律。图图 4-32、斯特藩、斯特藩-波尔兹曼定律（四次方定律）波尔兹曼定律（四次方定律）（1）表达式）表达式该定律主要用于确定黑体的辐射力，由普朗克表达式积该定律主要用于确定黑体的辐射力，由普朗克表达式积分而来，即分而来，即 积分后，得积分后，得或或其中，其中，b黑体辐射常数，黑体辐射常数，5.6710-8w/m2k4
17、Cb黑体辐射系数，黑体辐射系数，5.67w/m2k4表明黑体辐射力仅与温度有关，与表明黑体辐射力仅与温度有关，与T4成正比。成正比。（式式4-15）（式式4-16）（2）黑体辐射函数）黑体辐射函数工程上，为确定某波段的辐射能，常把波段内的辐射能表工程上，为确定某波段的辐射能，常把波段内的辐射能表示为占同温度下黑体辐射力示为占同温度下黑体辐射力Eb的百分数，称为黑体辐射函数。的百分数，称为黑体辐射函数。例如（例如（0-1）波段内的辐射能占温度为波段内的辐射能占温度为T的黑体辐射力的百的黑体辐射力的百分数为分数为（0-2）波段内的辐射能占温度为波段内的辐射能占温度为T的黑体辐射力的百分数为：的黑体
18、辐射力的百分数为：则（则（1-2）波段的辐射能占温度为）波段的辐射能占温度为T的黑体辐射力的百分数为：的黑体辐射力的百分数为：根据（根据（T）,查表可确定查表可确定和和（式式5-17）3、兰贝特定律、兰贝特定律黑体的辐射强度与方向无关，即在半球空间各个方向上黑体的辐射强度与方向无关，即在半球空间各个方向上的辐射强度都相等。的辐射强度都相等。（式式4-18）（式式4-19）第第4-34-3节节 实际物体的辐射实际物体的辐射l 实际物体的辐射与吸收特性实际物体的辐射与吸收特性辐射及吸收特性：辐射及吸收特性：实际物体的辐射力比黑体的要小，而且随着实际物体的辐射力比黑体的要小，而且随着不规则的变化，不
19、规则的变化，其变化规律完全不同于黑体和灰体。如图其变化规律完全不同于黑体和灰体。如图4-4。实际物体的辐射力不严格遵守温度的四次方定律实际物体的辐射力不严格遵守温度的四次方定律;辐射能在空间的分布不严格遵守兰贝特定律，在各个方向上不辐射能在空间的分布不严格遵守兰贝特定律，在各个方向上不完全相等。完全相等。图图 4-4实际物体、灰体与黑体的单色辐射力和吸收率实际物体、灰体与黑体的单色辐射力和吸收率l 基尔霍夫定律基尔霍夫定律1 1、表达式的推导过程、表达式的推导过程2 2、表达式、表达式 （式（式4-194-19） 在热平衡条件下，任何物体的辐射力和它的吸收率的比在热平衡条件下，任何物体的辐射力
20、和它的吸收率的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。值，恒等于同温度下黑体的辐射力。基尔霍夫定律确定了实际物体的辐射和吸收率之间的联系。基尔霍夫定律确定了实际物体的辐射和吸收率之间的联系。 与物体发射率的定义式相比较，可以得到基尔霍夫定律与物体发射率的定义式相比较，可以得到基尔霍夫定律的另一表达式：的另一表达式： = = （式式4-204-20） 该式表明该式表明, ,在温度平衡的条件下在温度平衡的条件下, ,实际物体的吸收率等于实际物体的吸收率等于其发射率其发射率, ,或物体的辐射能力越强或物体的辐射能力越强, ,则吸收能力越大。则吸收能力越大。 上式只适用于热平衡的条件。上式只适用于热平衡的条
21、件。第四章第四章综合题综合题4-14-1一个一个100 W100 W的钨丝灯泡，工作时钨丝的温度为的钨丝灯泡，工作时钨丝的温度为2778K,2778K,钨钨丝表面的半球黑度为丝表面的半球黑度为0.30.3，计算钨丝的面积。，计算钨丝的面积。 4 4-2-2利用光学仪器测得来自太阳的辐射光谱，得知其中最大单利用光学仪器测得来自太阳的辐射光谱，得知其中最大单色辐射力的波长为色辐射力的波长为0.50.5，试计算太阳表面的温度。，试计算太阳表面的温度。 4-34-3一个一个100 W100 W的灯泡在工作时，钨丝温度为的灯泡在工作时，钨丝温度为2778 K2778 K，钨丝表钨丝表面黑度为面黑度为0.
22、300.30。求其发光效率。求其发光效率。4-44-4如图所示有四个面，面积均为如图所示有四个面，面积均为410410-4-4m m2 2。测出由测出由A1A1面投向面投向A2A2，A3A3及及A4A4面的热流分别为面的热流分别为8.64108.6410-3-3W W，20102010-3-3W W，10101010- -3 3W W，试计算试计算A1A1面对其他各面的辐射强度。面对其他各面的辐射强度。4-4题图题图4-54-5一一漫漫发发射射表表面面，在在800K800K时时的的单单色色半半球球黑黑度度，单单色色半半球球吸吸收收率率及单色投射辐射分布如图所示，及单色投射辐射分布如图所示，求：（求：（1 1）全波段黑度）全波段黑度吸收率吸收率（2）表面在上述投射辐射作用下会升温还是降温。表面在上述投射辐射作用下会升温还是降温。
