第八章 熱輻射基本定律和輻射基本特性

1、傳熱學(xué)傳熱學(xué)第八章第八章 熱輻射基本定律和輻射特性熱輻射基本定律和輻射特性8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念熱輻射現(xiàn)象的基本概念1. 熱輻射特點(diǎn)熱輻射特點(diǎn)(1)(1) 定義定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量；：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量；(2)(2) 特點(diǎn)特點(diǎn)：a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 0K，就會(huì)不停地向周，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；圍空間發(fā)出熱輻射；b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播；c 伴隨能量形伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；式的轉(zhuǎn)變；d 具有強(qiáng)烈的方向性；具有強(qiáng)烈的方向性；e 輻射能與溫度和波長(zhǎng)輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；均有關(guān)；f 發(fā)射輻射取決于

2、溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。次方。(3) (3) 輻射傳熱輻射傳熱熱力學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能輻射能輻射能 電磁波譜2. 電磁波譜電磁波譜(2). 熱輻射的波長(zhǎng)范圍熱輻射的波長(zhǎng)范圍 理論上理論上 ：0 整個(gè)波譜；整個(gè)波譜； 日常生活日常生活, 工業(yè)上常見的溫度范圍（太陽輻射）工業(yè)上常見的溫度范圍（太陽輻射） ：0.1100 m， 包括部分紫外線、可見光、部分紅外線；包括部分紫外線、可見光、部分紅外線；(1). 傳播速率與波長(zhǎng)，頻率間的關(guān)系傳播速率與波長(zhǎng)，頻率間的關(guān)系cfQQQQ一、吸收比、反射比和穿透比一、吸收比、反射比和穿透比 吸收比吸收比反射比反射比穿透比穿透比8-1 1QQQQ

3、QQ1, 對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于不含顆粒的氣體：對(duì)于不含顆粒的氣體：1, 01, 0（ 2 ）鏡反射和漫反射鏡反射和漫反射二、黑體模型二、黑體模型 能吸收投入到其表面上的所有熱輻射能的物體，是能吸收投入到其表面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)中并不存在。一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)中并不存在。111透明體：透明體：黑體：黑體：白體或鏡體：白體或鏡體：煤煙、炭黑、粗糙的鋼板煤煙、炭黑、粗糙的鋼板0.9以上 白雪白雪 ： （接近黑體）；（接近黑體）； 白布，黑布吸收比基本相同；白布，黑布吸收比基本相同； 玻璃可透過可見光，對(duì)紅外線幾乎不透過。玻璃可透過可

4、見光，對(duì)紅外線幾乎不透過。 94. 0例如例如黑體，白體不同于黑色物體，白色物體。黑體，白體不同于黑色物體，白色物體。區(qū)別區(qū)別黑體吸收和發(fā)射輻射能的能力最強(qiáng)黑體吸收和發(fā)射輻射能的能力最強(qiáng)輻射力輻射力E： 單位時(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所單位時(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。有波長(zhǎng)的能量總和。 (W/m2)；三、輻射力和光譜輻射力三、輻射力和光譜輻射力0dEE光譜輻射力光譜輻射力E： 單位時(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)(包含某一給定波長(zhǎng)包含某一給定波長(zhǎng))，物體的單位，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。表面積向半球空間發(fā)射的能量。(W/

5、m3)；2Ar2ddcAr2dsin d= sin d drrr 熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱均與面積有關(guān)，熱輻射是表面向空間發(fā)出熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱均與面積有關(guān)，熱輻射是表面向空間發(fā)出輻射，輻射換熱無需換熱面直接接觸從而產(chǎn)生立體角問題。輻射，輻射換熱無需換熱面直接接觸從而產(chǎn)生立體角問題。 單位時(shí)間、單位可見輻射面積向單位時(shí)間、單位可見輻射面積向（，）方向的單位立體角內(nèi)發(fā)）方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的所有波長(zhǎng)的總輻射能射的所有波長(zhǎng)的總輻射能。 定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度I( , )能流能流d( , )( , )d cosdIA /22cos d dEI 251b/1CTCEeC1= 3.74310-16 W m2

6、;C2 = 1.43910-2 m K。 黑體的輻射力按波長(zhǎng)的分布規(guī)律黑體的輻射力按波長(zhǎng)的分布規(guī)律33max2.8976 102.9 10m KT2541bb/()00dd1CTCEETe黑體的所有波長(zhǎng)輻射力總和黑體的所有波長(zhǎng)輻射力總和12bE2121bbdEE21bb00ddEE12bE21121221bbb00bb 0b 0bbbddEEEFFFEEE251/0b0b 044dd1CTCEeFTT25/0d1TCTCTTfTe1221bbb 0b 0EFFE,II 常量常量d( , )( , )d cosdIA d( )cosddIA 給出了黑體表面發(fā)出的輻射能在所面對(duì)的半球空間不同方給出

7、了黑體表面發(fā)出的輻射能在所面對(duì)的半球空間不同方向上的分布規(guī)律向上的分布規(guī)律 表明：服從蘭貝特定律的輻射從單位輻射面積發(fā)出的輻射表明：服從蘭貝特定律的輻射從單位輻射面積發(fā)出的輻射能，落到空間不同方向單位立體角內(nèi)的輻射能量的數(shù)值并不能，落到空間不同方向單位立體角內(nèi)的輻射能量的數(shù)值并不相等，其值正比于該方向與輻射面法線方向夾角的余弦，故相等，其值正比于該方向與輻射面法線方向夾角的余弦，故蘭貝特定律又稱余弦定律。蘭貝特定律又稱余弦定律。 余弦定律說明，余弦定律說明，EI 大多數(shù)工程材料表面輻射近似服從蘭貝特定律，服從蘭貝特大多數(shù)工程材料表面輻射近似服從蘭貝特定律，服從蘭貝特定律的表面稱為定律的表面稱為

8、漫射表面漫射表面 漫射表面的輻射力是定向輻射強(qiáng)度的漫射表面的輻射力是定向輻射強(qiáng)度的倍倍 歸納歸納 黑體的輻射力由斯成藩黑體的輻射力由斯成藩-玻耳茲曼玻耳茲曼 定律確定，輻射力正比于熱力學(xué)溫度的四次方；定律確定，輻射力正比于熱力學(xué)溫度的四次方； 黑體輻射能量按波長(zhǎng)的分布服從普朗克定律，按空間方向黑體輻射能量按波長(zhǎng)的分布服從普朗克定律，按空間方向的分布服從蘭貝特定律；的分布服從蘭貝特定律； 黑體光譜輻射力有峰值，與此峰值相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)黑體光譜輻射力有峰值，與此峰值相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)m由維恩由維恩位移定律確定，隨著溫度的升高位移定律確定，隨著溫度的升高m向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。 例例8-1

9、/22cos d dEI 例例8-1 太陽是一個(gè)直徑大約太陽是一個(gè)直徑大約1.39109 m，表面溫度達(dá)，表面溫度達(dá)5 762 K的熾熱火球，它的總輻射功率達(dá)到的熾熱火球，它的總輻射功率達(dá)到3.81026 W，達(dá)到地球范圍，達(dá)到地球范圍的輻射能量?jī)H占其中的的輻射能量?jī)H占其中的22億分之一。試計(jì)算億分之一。試計(jì)算5 762 K溫度下黑體溫度下黑體輻射中可見光（輻射中可見光（0.38 0.76 m）和一定范圍內(nèi)紅外輻射（）和一定范圍內(nèi)紅外輻射（0.76 40 m）能量的比例。）能量的比例。 解：計(jì)算從零至給定波長(zhǎng)各段輻射能量的比例解：計(jì)算從零至給定波長(zhǎng)各段輻射能量的比例 10.38 m 5 762

10、 K2 189.6 m KT20.76 m 5 762 K4 379.1 m K T340 m 5 762 K230 480 m K T查黑體輻射函數(shù)表查黑體輻射函數(shù)表(表表8-1)得得100.099 32TF200.5458TF301.0TF可見光波段的輻射能量比例為可見光波段的輻射能量比例為 0.545 80.099 32 = 0.446 5 0.76 m 40 m紅外波段的輻射能量比例紅外波段的輻射能量比例 1.00.545 8 = 0.454 2 計(jì)算表明：計(jì)算表明： (1) 大氣層外太陽輻射中可見光的能量比例接近大氣層外太陽輻射中可見光的能量比例接近45，而，而40 m以內(nèi)的紅外輻射

11、也占大約以內(nèi)的紅外輻射也占大約45。 (2) 太陽輻射溫度下，太陽輻射溫度下，40 m以上的紅外輻射能量幾乎為零。以上的紅外輻射能量幾乎為零。 8-3 灰體和基爾霍夫定律灰體和基爾霍夫定律實(shí)際物體實(shí)際物體輻射特性：輻射特性：光譜輻射力隨波長(zhǎng)呈現(xiàn)不規(guī)則的變化；光譜輻射力隨波長(zhǎng)呈現(xiàn)不規(guī)則的變化；輻射力并不嚴(yán)格地同熱力學(xué)溫度四次方成正比；輻射力并不嚴(yán)格地同熱力學(xué)溫度四次方成正比；定向輻射強(qiáng)度在不同方向上有變化。定向輻射強(qiáng)度在不同方向上有變化。發(fā)射率發(fā)射率 修正黑體的輻射力修正黑體的輻射力Eb光譜發(fā)射率光譜發(fā)射率 ( ) 修正光譜輻射力修正光譜輻射力Eb 定向發(fā)射率定向發(fā)射率 ( ) 修正定向輻射強(qiáng)度

12、修正定向輻射強(qiáng)度I發(fā)射率（黑度）發(fā)射率（黑度） 實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力的比值實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力的比值。實(shí)際物體的光譜輻射力與同溫度下黑體光譜輻射力的比值。實(shí)際物體的光譜輻射力與同溫度下黑體光譜輻射力的比值。實(shí)際物體的實(shí)際物體的光譜發(fā)射率（單色黑度）光譜發(fā)射率（單色黑度） bEE b04bdEEET 光譜光譜發(fā)射率發(fā)射率描述實(shí)際物體的輻射力隨波長(zhǎng)不規(guī)則變化的特性；描述實(shí)際物體的輻射力隨波長(zhǎng)不規(guī)則變化的特性； 發(fā)射率發(fā)射率。bEE044b100TEETC實(shí)際物體的輻射力實(shí)際物體的輻射力 表表8-2 一些材料的法向發(fā)射率一些材料的法向發(fā)射率 實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度

13、與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比bbI()I()()I ()I 1、將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)、將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜，很難理論確定；雜，很難理論確定；2、實(shí)際物體的定向發(fā)射率并不完全符合蘭貝特定律，但、實(shí)際物體的定向發(fā)射率并不完全符合蘭貝特定律，但仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從蘭貝特定律；仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從蘭貝特定律；3、發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界、發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。條件。討論討論（1）投入輻射）投入輻射 ： 單位時(shí)間內(nèi)從外界輻射到物體單位

14、表面積單位時(shí)間內(nèi)從外界輻射到物體單位表面積 上的能量。上的能量。（2）選擇性吸收：）選擇性吸收： 投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際物體對(duì)投入輻投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際物體對(duì)投入輻 射的吸收能力也根據(jù)其波射的吸收能力也根據(jù)其波 長(zhǎng)不同而變化長(zhǎng)不同而變化選擇性吸收。選擇性吸收。二、灰體二、灰體)(投入輻射投入的能量吸收的能量1光譜吸收比光譜吸收比 （3）光譜吸收比：）光譜吸收比： 物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能 所吸收的百分?jǐn)?shù)所吸收的百分?jǐn)?shù)(單色吸收比單色吸收比)。能量投入的某一特定波長(zhǎng)的能量吸收的某一特定波長(zhǎng)的),(1T 實(shí)際物體的光譜吸收比隨投入輻射的波長(zhǎng)

15、而異，因而物體實(shí)際物體的光譜吸收比隨投入輻射的波長(zhǎng)而異，因而物體的吸收比比發(fā)射率更為復(fù)雜。給輻射換熱計(jì)算帶來很大困難。的吸收比比發(fā)射率更為復(fù)雜。給輻射換熱計(jì)算帶來很大困難。如果物體光譜吸收比與波長(zhǎng)無關(guān)，則不管投入輻射分布如何，如果物體光譜吸收比與波長(zhǎng)無關(guān)，則不管投入輻射分布如何，吸收比只決定于物體自身狀況，是同一常數(shù)。吸收比只決定于物體自身狀況，是同一常數(shù)。 熱輻射分析中，把光譜吸收比與波長(zhǎng)無關(guān)的物體稱為熱輻射分析中，把光譜吸收比與波長(zhǎng)無關(guān)的物體稱為灰體灰體。2灰體灰體( )( , )TT = 常數(shù)常數(shù)灰體的光譜輻射特性不隨波長(zhǎng)而變化?；殷w的光譜輻射特性不隨波長(zhǎng)而變化。 1859年，年，Kir

16、chhoff 提出了提出了Kirchhoff 定律。定律。bbbEEEEEE Kirchhoff 定律揭示了實(shí)際物體輻射力定律揭示了實(shí)際物體輻射力E與吸收比與吸收比關(guān)系：關(guān)系： 。三、三、 基爾霍夫基爾霍夫 定律定律考慮處于平衡狀態(tài)下的兩物體：考慮處于平衡狀態(tài)下的兩物體：T1（黑體黑體）和和T2，對(duì)物體，對(duì)物體2立能量方程立能量方程 或或 顯然，這個(gè)比值與物性無關(guān)，僅與溫度有關(guān)。顯然，這個(gè)比值與物性無關(guān)，僅與溫度有關(guān)。討論討論（2）基爾霍夫定律的不同表達(dá)式）基爾霍夫定律的不同表達(dá)式整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；投射輻射源必須是同溫度下的黑體。投射輻射源必須是同溫度下的黑體。（

17、1）基爾霍夫定律使用條件：）基爾霍夫定律使用條件：（光譜吸收比與波長(zhǎng)無關(guān)的物體）（光譜吸收比與波長(zhǎng)無關(guān)的物體）（3）對(duì)于灰體）對(duì)于灰體),(),(TT),(),(TT)()(TT對(duì)漫反射物體，輻射特性與方向無關(guān)，基氏定律表達(dá)為對(duì)漫反射物體，輻射特性與方向無關(guān)，基氏定律表達(dá)為對(duì)漫反射灰體，輻射特性與方向、波長(zhǎng)均無關(guān)，基氏定律表達(dá)為對(duì)漫反射灰體，輻射特性與方向、波長(zhǎng)均無關(guān)，基氏定律表達(dá)為一般物體輻射特性與方向、波長(zhǎng)、溫度有關(guān)，基氏定律表達(dá)為一般物體輻射特性與方向、波長(zhǎng)、溫度有關(guān)，基氏定律表達(dá)為 工程材料在工程材料在2000K時(shí)，一般均能按漫灰體處理。時(shí)，一般均能按漫灰體處理。研究太陽研究太陽輻射時(shí)

18、一般物體不能簡(jiǎn)化為灰體。輻射時(shí)一般物體不能簡(jiǎn)化為灰體。 （5）顏色對(duì)可見光的吸收比有較大影響，對(duì)紅外輻射的吸）顏色對(duì)可見光的吸收比有較大影響，對(duì)紅外輻射的吸收比影響不大。收比影響不大。（4）由于在大多數(shù)情況下物體可作為灰體，則由基爾霍夫）由于在大多數(shù)情況下物體可作為灰體，則由基爾霍夫定律，善于輻射的物體必善于吸收，反之亦然。同溫度下黑定律，善于輻射的物體必善于吸收，反之亦然。同溫度下黑體的輻射力最大。體的輻射力最大。白漆對(duì)太陽輻射的吸收比為白漆對(duì)太陽輻射的吸收比為0.12、黑漆、黑漆0.96；兩者對(duì)紅外線的吸收比均為兩者對(duì)紅外線的吸收比均為0.9左右左右.例例8-2 因光譜吸收比與投射輻射波長(zhǎng)

19、無關(guān)，即只取決于本身情況因光譜吸收比與投射輻射波長(zhǎng)無關(guān)，即只取決于本身情況而與外界條件無關(guān)，所以不論投射輻射源是否為黑體，也不論而與外界條件無關(guān)，所以不論投射輻射源是否為黑體，也不論輻射源是否與灰體本身處于平衡狀態(tài)，輻射源是否與灰體本身處于平衡狀態(tài)，灰體的吸收率恒等于同灰體的吸收率恒等于同溫度下本身的發(fā)射率。溫度下本身的發(fā)射率?；殷w定義灰體定義 ，吸收率等于同溫度下發(fā)射率，故，吸收率等于同溫度下發(fā)射率，故( )( , )TT ( )( , )TT 例例8-2 溫度等于溫度等于800 K的一個(gè)漫射表面的光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)的一個(gè)漫射表面的光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)的變化如圖所示。求該表面的發(fā)射率和總輻射力。的

20、變化如圖所示。求該表面的發(fā)射率和總輻射力。 解：由于光譜發(fā)射率呈階梯狀分布，解：由于光譜發(fā)射率呈階梯狀分布，故表面的半球總發(fā)射率必須分作兩段故表面的半球總發(fā)射率必須分作兩段計(jì)算然后疊加。計(jì)算然后疊加。 bEE利用黑體輻射函數(shù)表求出兩個(gè)波段份額利用黑體輻射函數(shù)表求出兩個(gè)波段份額b0b( , )( , ) d( )T ETE T2m8m1b2b02mbddEEE102m228mFFF02 m = 1.972 %， F08 m = 76.92 % 所以所以 F2 m8 m = 74.95% 1221bb 0b 0FFF幻燈片幻燈片 66該表面的發(fā)射率該表面的發(fā)射率= 0.80.019 72 + 0.

21、30.749 5 = 0.240 6 表面總輻射力表面總輻射力E= Eb=0.240 65.67108 W/(m2 K4)( 800 K)4 5 588 W/m2 討論：討論： (1) 該表面的半球向總發(fā)射率約為該表面的半球向總發(fā)射率約為0.24，比兩個(gè)波段的發(fā)射，比兩個(gè)波段的發(fā)射率都小。所以不能簡(jiǎn)單認(rèn)為表面的半球總發(fā)射率必定介于率都小。所以不能簡(jiǎn)單認(rèn)為表面的半球總發(fā)射率必定介于 1和和 2之間。如果表面溫度升至之間。如果表面溫度升至2 000 K，情況將完全不同。表明實(shí)際，情況將完全不同。表明實(shí)際表面半球總發(fā)射率不僅與光譜發(fā)射率有關(guān)，也與表面溫度相關(guān)。表面半球總發(fā)射率不僅與光譜發(fā)射率有關(guān)，也

22、與表面溫度相關(guān)。 (2)該表面顯然該表面顯然不是灰體不是灰體。就全波長(zhǎng)而言，。就全波長(zhǎng)而言， 它有約它有約75能量能量位于位于2 8 m之間，約之間，約2%在在02m，在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射率分，在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射率分別為常數(shù)，但在別為常數(shù)，但在8 m外仍有大約外仍有大約23的輻射能量，發(fā)射率為零。的輻射能量，發(fā)射率為零。 (3) 用階梯線逼近曲線是計(jì)算此類問題的常用方法。用階梯線逼近曲線是計(jì)算此類問題的常用方法。 102m228mFF熱輻射熱輻射 c電磁波的傳播速率，電磁波的傳播速率，m/s，真空中，真空中 83 10 m/sc 約0.380.76m，當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般當(dāng)熱輻射投射

23、到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即反射、吸收和穿會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即反射、吸收和穿透，如圖透，如圖7-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ3.3. 物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透 圖圖8.2 8.2 物體對(duì)熱輻物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和射的吸收、反射和穿透穿透Q Q QQ對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于不含顆粒的氣體：對(duì)于不含顆粒的氣體：對(duì)于黑體：對(duì)于黑體： 鏡體或白體：鏡體或白體：1111,01,0透明體：透明體：反射又分鏡反射和漫反射兩種反射又分鏡反射和漫反射兩種圖圖8-3 鏡反射鏡反射圖圖8-4 漫反射漫反射4.4.黑體黑體黑體：黑體

24、：是指能吸收投入到其面是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。但卻可以人活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。工制造出近似的人工黑體。圖圖8-5 8-5 黑體模型黑體模型 白雪白雪 ： （接近黑體）；（接近黑體）； 白布，黑布吸收比基本相同；白布，黑布吸收比基本相同； 玻璃可透過可見光，對(duì)紅外線幾乎不透過。玻璃可透過可見光，對(duì)紅外線幾乎不透過。 94. 0例如例如黑體，白體不同于黑色物體，白色物體。黑體，白體不同于黑色物體，白色物體。區(qū)別區(qū)別黑體吸收和發(fā)射輻射能的能力最強(qiáng)黑體吸收和發(fā)

25、射輻射能的能力最強(qiáng)輻射力輻射力E E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)單位時(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。射的所有波長(zhǎng)的能量總和。 (W/m2)；光譜輻射力光譜輻射力E E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)( (包含某一包含某一給定波長(zhǎng)給定波長(zhǎng)) )，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。 (W/m2 m)；1.1.熱輻射能量的表示方法熱輻射能量的表示方法E、E關(guān)系關(guān)系:顯然，顯然， E和和E之間具有如下關(guān)系：之間具有如下關(guān)系：dEE0黑體一般采用下標(biāo)黑體一般采用下標(biāo)b表示，如黑體的輻射力為表示，如

26、黑體的輻射力為Eb，黑體的黑體的光譜輻射力光譜輻射力為為Eb8-2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律2.黑體輻射的三個(gè)基本定律及相關(guān)性質(zhì)黑體輻射的三個(gè)基本定律及相關(guān)性質(zhì) 1)(512TcbecE式中，式中， 波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，m m ； T T 黑體溫度，黑體溫度，K K ； c c1 1 第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2； c c2 2 第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.43881.43881010-2-2 W W K K； (1)Planck(1)Planck定律定律( (第一個(gè)定律第一個(gè)定律) )：mm與與T T 的關(guān)系由的關(guān)系由Wi

27、enWien位移位移定律給出，定律給出，KmTm3108976. 2),(TfEb不同溫度下黑體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)的變化：不同溫度下黑體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)的變化： T一定時(shí)，一定時(shí)，00:0:max,bbmEE 一定時(shí)，一定時(shí)，bbEET,1251TCbeCE 隨隨T的升高，的升高，Eb,max對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng) 的波長(zhǎng)的波長(zhǎng)向短波遷移。向短波遷移。維恩位移定律維恩位移定律光譜輻射力為光譜輻射力為 Eb,max時(shí)，時(shí)，和和 T 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系?？傻每傻?KmTm33109.2108976.2并且并且:355max,/10106. 1mWTEb0ddEb當(dāng)溫度不變時(shí)當(dāng)溫度不變時(shí):推導(dǎo)推導(dǎo)1251T

28、CbeCE(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律( (第二個(gè)定律第二個(gè)定律) )： 40)(51012TdecdEETcbb式中，式中，= 5.67= 5.6710-8 w/(m210-8 w/(m2 K4)K4)，是是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常數(shù)。常數(shù)。舉舉例例計(jì)算黑體表面溫度為計(jì)算黑體表面溫度為27 和和627時(shí)時(shí)的輻射力的輻射力 Eb。解：黑體表面溫度為解：黑體表面溫度為27時(shí)時(shí)：244101/459)10027327(67. 5)100(mWTCEb黑體表面溫度為黑體表面溫度為627時(shí)時(shí)：234420

29、2/102 .37)100273627(67. 5)100(mWTCEb分分析析81, 31212bbEETT說說明明高溫和低溫兩種情況下，高溫和低溫兩種情況下，黑體的輻射能力有明顯的差別。黑體的輻射能力有明顯的差別。(3)波段內(nèi)黑體輻射力：波段內(nèi)黑體輻射力：dEEbb0實(shí)際問題：實(shí)際問題：dEEbb2121)( 引入輻射比引入輻射比)(21bF)0()0(400)(122121211bbbbbbFFdETdEdEF其中：其中： 為黑體輻射函數(shù)（表為黑體輻射函數(shù)（表8-1） )0(bF 則波段內(nèi)黑體輻射力：則波段內(nèi)黑體輻射力：bbbbEFFE)0()0()(1221(4)立體角立體角srrA2

30、球面度球面度 對(duì)整個(gè)半球：對(duì)整個(gè)半球：srrA222 對(duì)微元立體角：對(duì)微元立體角：srddrdAdsin2圖圖8-9 8-9 計(jì)算微元立體角的幾何關(guān)系計(jì)算微元立體角的幾何關(guān)系定義：定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上，單位時(shí)間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長(zhǎng)的能量，參見圖在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長(zhǎng)的能量，參見圖8-108-10。 dcosd),(d),(AI(5) 定向輻射強(qiáng)定向輻射強(qiáng)度度I I( ( , , ) )：圖圖8-10 8-10 定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度 的定義圖的定義圖(6) Lambert 定律定律cosdd),(dIA它說明黑體的

31、它說明黑體的定向輻射力定向輻射力隨天頂角隨天頂角 呈余弦規(guī)律變化，見圖呈余弦規(guī)律變化，見圖8-11，因，因此，此， Lambert定律也稱為余弦定定律也稱為余弦定律。律。圖圖8-11 Lambert8-11 Lambert定律圖示定律圖示沿半球方向積分上式，可獲得了半球輻射強(qiáng)度沿半球方向積分上式，可獲得了半球輻射強(qiáng)度E:E:2cosIdIE 8-3 固體和液體的輻射特性固體和液體的輻射特性 8.3.1 實(shí)際物體的輻射力實(shí)際物體的輻射力 1. 實(shí)際物體的發(fā)射率（黑度）實(shí)際物體的發(fā)射率（黑度） bEE2. 實(shí)際物體的輻射力：實(shí)際物體的輻射力：40)100(TCEEb反映了物體發(fā)射輻射能量的能力。反

32、映了物體發(fā)射輻射能量的能力。說明說明上面公式只是針對(duì)方向和光譜平均的情況，但實(shí)際上，真實(shí)上面公式只是針對(duì)方向和光譜平均的情況，但實(shí)際上，真實(shí)表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)T, T, T, T, T, blackbody, emitted actual, bEEEE對(duì)于指定波長(zhǎng)，而在方向上平均的對(duì)于指定波長(zhǎng)，而在方向上平均的情況，則定義了半球光譜發(fā)射率，情況，則定義了半球光譜發(fā)射率，即即實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之

33、比光譜輻射力之比E半球總發(fā)射率是對(duì)所有方向和所有波長(zhǎng)下的平均值半球總發(fā)射率是對(duì)所有方向和所有波長(zhǎng)下的平均值bbIIII)()()()(定向發(fā)射率是實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射定向發(fā)射率是實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比：強(qiáng)度之比：bbIIII)()()()( 對(duì)應(yīng)于黑體的輻射力對(duì)應(yīng)于黑體的輻射力Eb，光譜輻射力，光譜輻射力Eb 和定向輻射強(qiáng)度和定向輻射強(qiáng)度I，分別引入了三個(gè)修正系數(shù)，即，發(fā)射率分別引入了三個(gè)修正系數(shù)，即，發(fā)射率 ，光譜發(fā)射率，光譜發(fā)射率 ( )和定和定向發(fā)射率向發(fā)射率 ( )，其表達(dá)式和物理意義如下，其表達(dá)式和物理意義如下40)(TdEEEbb實(shí)際物體的

34、輻射力與實(shí)際物體的輻射力與黑體輻射力之比黑體輻射力之比:實(shí)際物體的光譜輻射實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比：力之比：bEE)(實(shí)際物體的定向輻射實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比射強(qiáng)度之比：漫發(fā)射漫發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射率的概念：表面的方向發(fā)射率 ( ) 與方向無關(guān)，即與方向無關(guān)，即定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)，滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)，滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面，這是對(duì)大多數(shù)實(shí)際表面的一種很好的近似。射面，這是對(duì)大多數(shù)實(shí)際表面的一種很好的近似。圖圖8-15 幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率幾種金屬導(dǎo)體在不

35、同方向上的定向發(fā)射率 ( )(t=150)圖圖8-16 幾種非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率幾種非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率 ( )(t=093.3)前面講過，黑體、灰體、白體等都是前面講過，黑體、灰體、白體等都是理想物體，而實(shí)際物體的輻射特性并理想物體，而實(shí)際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同，比如，不完全與這些理想物體相同，比如，(1)(1)實(shí)際物體的輻射力與黑體和灰體實(shí)際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見圖的輻射力的差別見圖8-148-14；(2)(2) 實(shí)際實(shí)際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；的四次方成正比；(3)

36、(3) 實(shí)際物體的定實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守LambertLambert定定律，等等。所有這些差別全部歸于上律，等等。所有這些差別全部歸于上面的系數(shù)，因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)面的系數(shù)，因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)來確定，形式也可能很復(fù)雜。在工程來確定，形式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將真實(shí)表面假設(shè)為漫發(fā)射面。上一般都將真實(shí)表面假設(shè)為漫發(fā)射面。圖圖8-14 實(shí)際物體、黑體實(shí)際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜和灰體的輻射能量光譜本節(jié)中，還有幾點(diǎn)需要注意本節(jié)中，還有幾點(diǎn)需要注意 將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜，將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜，

37、很難理論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)；很難理論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)； 服從服從LambertLambert定律的表面成為漫射表面。雖然實(shí)際物體的定律的表面成為漫射表面。雖然實(shí)際物體的定向發(fā)射率并不完全符合定向發(fā)射率并不完全符合LambertLambert定律，但仍然近似地認(rèn)定律，但仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從為大多數(shù)工程材料服從LambertLambert定律，這有許多原因；定律，這有許多原因；1.1.物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。這說明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外這說明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本

38、身有關(guān)，而不涉及外界條件。界條件。8-4 8-4 實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系 上一節(jié)簡(jiǎn)單介紹了實(shí)際物體的發(fā)射情況，那么當(dāng)外界的上一節(jié)簡(jiǎn)單介紹了實(shí)際物體的發(fā)射情況，那么當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時(shí)，該物體對(duì)投入輻射吸收的輻射投入到物體表面上時(shí)，該物體對(duì)投入輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對(duì)其作出解答。情況又是如何呢？本節(jié)將對(duì)其作出解答。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with what happens to _, while emissivity deals with _1. 1. 投入輻射投入輻射：

39、單位時(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能 2. 2. 選擇性吸收選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際 物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變 化，這叫選擇性吸收化，這叫選擇性吸收3. 3. 吸收比吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用 表表 示示，即，即)(投入輻射投入的能量吸收的能量首先介紹幾個(gè)概念：首先介紹幾個(gè)概念：(4) 光譜吸收比光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所

40、吸收的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性?；w現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。能量投入的某一特定波長(zhǎng)的能量吸收的某一特定波長(zhǎng)的),(1T圖圖8-17和和8-18分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸收比同分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系。波長(zhǎng)的關(guān)系。圖圖8-17 金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系圖圖8-18 8-18 非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系灰體灰體：光譜吸收比與波長(zhǎng)無關(guān)的物體稱為灰體。此時(shí)，不：光譜吸收比與波長(zhǎng)

41、無關(guān)的物體稱為灰體。此時(shí)，不管投入輻射的分布如何，吸收比管投入輻射的分布如何，吸收比 都是同一個(gè)常數(shù)。都是同一個(gè)常數(shù)。根據(jù)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)的溫根據(jù)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)的溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布有關(guān)。設(shè)下標(biāo)度有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布有關(guān)。設(shè)下標(biāo)1 1、2 2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體1 1的的吸收比為吸收比為)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質(zhì)表面的性質(zhì)，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbb圖圖8-18

42、給出了一些材料對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。給出了一些材料對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。如果投入輻射來自黑體，由于如果投入輻射來自黑體，由于 ，則上式可變?yōu)?，則上式可變?yōu)?),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性質(zhì)表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb圖圖8-19 8-19 物體表面對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系物體表面對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系 物體的選擇性吸收特性，即對(duì)有些波長(zhǎng)的投入輻射吸收多，物體的選擇性吸收特性，即對(duì)有些波長(zhǎng)的投入輻射吸收多，而對(duì)另一些波長(zhǎng)的輻射吸收少，在實(shí)際生

43、產(chǎn)中利用的例子很而對(duì)另一些波長(zhǎng)的輻射吸收少，在實(shí)際生產(chǎn)中利用的例子很多，但事情往往都具有雙面性，人們?cè)诶眠x擇性吸收的同多，但事情往往都具有雙面性，人們?cè)诶眠x擇性吸收的同時(shí)，也為其傷透了腦筋，這是因?yàn)槲毡扰c投入輻射波長(zhǎng)有時(shí)，也為其傷透了腦筋，這是因?yàn)槲毡扰c投入輻射波長(zhǎng)有關(guān)的特性給工程中輻射換熱的計(jì)算帶來巨大麻煩，對(duì)此，一關(guān)的特性給工程中輻射換熱的計(jì)算帶來巨大麻煩，對(duì)此，一般有般有兩種兩種處理方法，即處理方法，即 灰體法灰體法，即將光譜吸收比，即將光譜吸收比 ( ( ) ) 等效為常數(shù)，即等效為常數(shù)，即 = = ( ( ) ) = const= const。并將。并將 ( ( ) )與波長(zhǎng)

44、無關(guān)的物體稱為灰體與波長(zhǎng)無關(guān)的物體稱為灰體，與黑體類，與黑體類似，它也是一種理想物體，但對(duì)于大部分工程問題來講，灰似，它也是一種理想物體，但對(duì)于大部分工程問題來講，灰體假設(shè)帶來的誤差是可以容忍的；體假設(shè)帶來的誤差是可以容忍的；(1)(1)譜帶模型法譜帶模型法，即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干，即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域被稱為一個(gè)譜帶，在每個(gè)譜帶內(nèi)應(yīng)用灰小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域被稱為一個(gè)譜帶，在每個(gè)譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體假設(shè)。體假設(shè)。在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來看一在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來看一下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，18591859年，年，Kirchhoff Kirchhoff 用熱用熱力學(xué)方法回答了這個(gè)問題，從而提出了力學(xué)方法回答了這個(gè)問題，從而提出了Kirchhoff Kirchhoff 定律。定律。最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。如圖如圖8-208-20所示，板所示，板1 1時(shí)黑體，板時(shí)黑體，板2 2是任意物體，