熱輻射基本定律

第八章熱輻射基本定律和輻射特性主要內(nèi)容▲熱輻射的基本概念▲黑體輻射基本定律

1、普朗克定律2、維恩位移定律3、斯忒藩—玻爾茲曼定律（四次方定律）4、蘭貝特定律（朗伯定律）▲固體和液體的輻射特性▲實際物體對輻射能的吸收與輻射的關(guān)系---基爾霍夫定律▲太陽與環(huán)境輻射熱輻射基本定律8.1熱輻射現(xiàn)象的基本概念2.熱輻射的特點熱輻射可在真空中傳播,不需要任何中間介質(zhì)(在真空中傳遞的效率最高)；且輻射能的傳播具有直線性b.在發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的同時還伴有能量形式的轉(zhuǎn)換輻射:以電磁波形式傳遞能量的過程熱輻射:由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射輻射傳熱:物體間相互輻射和吸收的總效果1.輻射、熱輻射與輻射傳熱8.1.1熱輻射的定義及特點8.1.2熱輻射的電磁波特性1.傳播速率、波長、頻率間的關(guān)系可見光:0.38～0.76;熱射線:0.1～1002.電磁波波譜波長3.物體表面對電磁波的作用特例：固、液：α+ρ=1；τ=0氣體：α+τ=1；ρ=0(1)吸收、反射、穿透及相互關(guān)系

Qα+Qρ+Qτ=Q

α+ρ+τ=1-穿透率-反射率-吸收率

(2)固體表面的反射類型鏡反射:從某一方向入射的輻射按反射角等于入射角的規(guī)律反射(表面的不平整尺寸小于投入輻射的波長)漫反射:從某一方向入射的輻射向空間各個向方向反射出去(發(fā)生于表面的不平整尺寸大于投入輻射的波長的場合)

鏡反射漫反射

黑體：能吸收所有投射到其表面上的輻射能的物體(即α=1的物體)鏡體：反射比等于1的物體(當(dāng)反射為漫反射時稱為白體)透明體：穿透比等于1的物體1.幾個理想物體8.1.3黑體模型

2.黑體模型(3)E與Eλ的關(guān)系：輻射力的概念8.2黑體輻射的基本定律(1)(全色)輻射力E——單位時間內(nèi)物體的單位表面積向半球空間的所有方向輻射出去的全部波長范圍內(nèi)的能量,W/m2。表征物體表面向外界發(fā)射輻射能本領(lǐng)的大小。(2)單色輻射力Eλ（光譜輻射力）

——單位時間內(nèi)物體的單位表面積向半球空間的所有方向輻射出去的在包含λ在內(nèi)的單位波長內(nèi)的能量，W/m3。8.2.1斯忒藩—玻耳茲曼定律（四次方定律）——反映黑體的(全色)輻射力與溫度的關(guān)系其中：σ——黑體輻射常數(shù)(5.67×10-8W/m2.K4)C0——黑體輻射系數(shù)(5.67W/m2.K4)8.2.2普朗克定律式中:1.普朗克定律——反映在一定溫度下，黑體的光譜(單色)輻射力隨波長的分布規(guī)律：規(guī)律：(1)T一定時，Ebλ與波長有關(guān)(為一連續(xù)曲線)，在λ=0→∞之間單色輻射力存在一峰值(Ebλ)max；(2)對應(yīng)不同的溫度，有不同的能量分布曲線：隨T的升高，出現(xiàn)峰值的位置向短波方向移動，同時(Ebλ)max值增大。2、維恩位移定律（反映出現(xiàn)最大單色輻射力的波長λm與絕對溫度T之間的關(guān)系）：P362例8—1：維恩位移定律的應(yīng)用結(jié)果：一般工業(yè)高溫范圍(2000K),λm=1.45μm(紅外區(qū)段)太陽表面溫度(5800K),λm=0.50μm(可見光)定律的應(yīng)用：分析金屬在不同溫度下的顏色變化。

λmT=2.8976×10-3m.K≈2.9×10-3m.K3、普朗克定律與斯忒藩—玻耳茲曼定律的關(guān)系4、黑體輻射能按波段的分布(即黑體的波段輻射力△Eb的確定)a.黑體輻射函數(shù)Fb(0—λ)的概念定義：b.黑體的波段輻射力△Eb由輻射函數(shù)的定義可得:所以：平面角：8.2.3蘭貝特定律

----(反映黑體輻射能按空間方向的分布規(guī)律)1.立體角立體角：2.定向輻射強度I

定義：單位時間內(nèi)、單位可見輻射面積、單位立體角的輻射能量稱為定向輻射強度即：3.蘭貝特定律(余弦定律)：----黑體輻射的定向輻射強度等于常量,與方向無關(guān)故由式(8-15b)又有：即：Ip=Im=In=‥‥‥=I表明:黑體單位面積輻射出去的能量在空間不同方向的分布按緯度角θ的余弦規(guī)律變化.4.蘭貝特定律與斯忒藩—玻耳茲曼定律間的關(guān)系——即定向輻射強度I與輻射力E之間的關(guān)系對于服從蘭貝特定律的輻射，有：即:(3)E與Eλ的關(guān)系：1.輻射力的概念8.2黑體輻射基本定律(1)(全色)輻射力E(2)單色輻射力Eλ（光譜輻射力）2.斯忒藩—玻耳茲曼定律（四次方定律）——反映黑體的(全色)輻射力與溫度的關(guān)系3.普朗克定律——反映在一定溫度下，黑體的光譜(單色)輻射力隨波長的分布規(guī)律規(guī)律：(1)T一定時，Ebλ與波長有關(guān)(為一連續(xù)曲線)，在λ=0→∞之間單色輻射力存在一峰值(Ebλ)max；(2)對應(yīng)不同的溫度，有不同的能量分布曲線：隨T的升高，出現(xiàn)峰值的位置向短波方向移動，同時(Ebλ)max值增大。4、維恩位移定律（反映出現(xiàn)最大單色輻射力的波長λm與絕對溫度T之間的關(guān)系）：

λmT=2.8976×10-3m.K≈2.9×10-3m.K5、普朗克定律與斯忒藩—玻耳茲曼定律的關(guān)系6.黑體的波段輻射力△Eb7.蘭貝特定律(反映黑體輻射能按空間方向的分布規(guī)律)(1)立體角與定向輻射強度的概念(2)蘭貝特定律(余弦定律)----黑體輻射的定向輻射強度等于常量,與方向無關(guān)即：Ip=Im=In=‥‥‥=I表明:黑體單位面積輻射出去的能量在空間不同方向的分布按緯度角θ的余弦規(guī)律變化.(3)蘭貝特定律與斯忒藩—玻耳茲曼定律間的關(guān)系:對于服從蘭貝特定律的輻射，有：8.3實際固體和液體的輻射特性特征：在相同溫度下，實際物體的輻射力總是小于黑體的輻射力兩者的差別用發(fā)射率(黑度)表示ε反映物體發(fā)射輻射能的能力大小，對于一定的物體表面，其數(shù)值與溫度有關(guān)（具體關(guān)系由實驗測定）8.3.1實際物體的輻射力E(全色輻射力)與發(fā)射率ε定義:實際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之為實際物體的發(fā)射率(黑度),用ε表示：則實際物體的輻射力為:黑度ε與單色黑度ελ間的關(guān)系：8.3.2實際物體的光譜輻射力Eλ與光譜發(fā)射率ε(λ)定義:實際物體的光譜輻射力與同溫度下黑體在同一波長下的光譜輻射力之比稱為實際物體的光譜發(fā)射率(光譜黑度),用ε(λ)表示：一般,實際物體的黑度ε除與表面性質(zhì)有關(guān)外,還與溫度存在依變關(guān)系.8.3.3實際物體的定向輻射強度I(θ)與定向發(fā)射率定義:實際物體在某一方向的定向輻射強度與同溫度下黑體的定向輻射強度之比稱為實際物體的定向發(fā)射率(定向黑度),用表示：式中:—輻射方向與輻射面法線方向之間的夾角;—θ方向上的定向輻射強度—同溫度下黑體的定向輻射強度1.定向發(fā)射率隨θ角的變化規(guī)律2.定向發(fā)射率與半球平均發(fā)射率間的關(guān)系簡化式(工程計算中黑度ε的實用處理方法)：式中:為法向發(fā)射率(見P369表8-2)金屬表面(表面高度磨光時取上限)M=1.2～1.3,

即ε=(1.2～1.3)εn(2)非導(dǎo)體,M=0.95～1.0(3)實用中，對于工程材料(高度磨光表面除外)，一般可取M≈1.0，即ε≈εn(實際情況:有光滑表面的物體，ε=0.95εn

粗糙的物體，ε=0.98εn)

即:大部分工程材料的定向發(fā)射率可近似取為定值,故可作漫射體處理(4)非金屬材料，當(dāng)缺乏資料時，可近似取ε=0.9P370例8-5、8-6*本節(jié)中，還有幾點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)雜很難理論確定，實際上是一種權(quán)宜之計；2.服從Lambert定律的表面稱為漫射表面。雖然實際物體的定向發(fā)射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從Lambert定律，這有許多原因；3.影響物體表面發(fā)射率的因素: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)，而不涉及外界條件。2、光譜吸收比(單色吸收比)α(λ)——物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分比8.4.1實際物體的吸收比——表示物體表面對輻射能的吸收特性8.4實際物體對輻射能的吸收與輻射的關(guān)系一般，α(λ)與波長λ有關(guān)(物體對輻射能吸收的選擇性）——見P372圖8-17、圖8-181、投入輻射G——單位時間內(nèi)從外界投射到物體單位表面積上的各種波長能量的總和，稱為對該表面的投入輻射.單位W/m2.溫室效應(yīng)：利用了玻璃對輻射能吸收的選擇性（對λ＜3μm的輻射能穿透比很大，對λ＞3μm的輻射能穿透比很?。┪矬w的顏色變化：取決于物體表面對可見光的選擇性吸收特性選擇性吸收和穿透實例：溫室效應(yīng)、物體的顏色等3、吸收比α——物體對投入輻射所吸收的百分比.(表征物體表面對外來能量的反應(yīng))α的數(shù)值取決于：(1)吸收輻射物體本身的狀況(表面1的性質(zhì)和溫度);(2)投入輻射的特性(能量按波長的分布)(即表面2的性質(zhì)和溫度)。即：對于來自黑體的輻射，有：

對于給定的物體，對黑體輻射的吸收比則只是溫度T1、T2的函數(shù)（見P375圖8-19）規(guī)律：T1一定時，非導(dǎo)電體對黑體輻射的吸收比α隨溫度T2

的增加而減小(2)T1一定時，導(dǎo)電體對黑體輻射的吸收比α隨溫度T2的增加而增大

物體顏色對吸收比α的影響情況：對可見光呈強烈的選擇性；對紅外輻射幾乎無選擇性。8.4.2灰體——光譜吸收比α(λ)與波長無關(guān)的物體即對于灰體有：α(λ)=常數(shù)，故有：與黑體類似，灰體也是一種理想物體。實用中，大多數(shù)工程材料均可作灰體處理（工業(yè)上的熱輻射范圍絕大部分在紅外區(qū)段的0.76～10μm之間,此時αλ一般不隨波長作顯著變化）

物體的選擇性吸收特性，在實際生產(chǎn)中利用的例子很多，但也給工程中輻射換熱的計算帶來巨大麻煩。對此，一般有兩種處理方法，即(1)灰體法：即將光譜吸收比()等效為常數(shù)，=()=const，將物體作為灰體處理。誤差在允許范圍內(nèi)；(2)譜帶模型法:即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，每個小區(qū)域被稱為一個譜帶，在每個譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體假設(shè)。8.4.3吸收比與發(fā)射率之間的關(guān)系——基爾霍夫(Kirchhoff)定律1、實際物體吸收比與發(fā)射率之間的關(guān)系式(8-25a)成立的條件：熱平衡(1)基爾霍夫定律的表述在熱平衡條件下，任何物體的輻射力與對黑體輻射的吸收比之比恒等于同溫度下黑體的輻射力。即：基爾霍夫定律的另一表述：在熱平衡條件下，任意物體對黑體輻射的吸收比恒等于同溫度下該物體的發(fā)射率。即結(jié)論同溫度下，物體的輻射力越大，吸收比也就越大同溫度下，所有物體中黑體的輻射力最大(2)定律的證明（見P377）2.特例——漫射灰體吸收比與發(fā)射率之間的關(guān)系(1)由灰體的定義α=α(λ)=常數(shù)，有ε=ε(λ)=常數(shù)(2)對于灰體，不論對于來自何處的輻射，也不論是否處于熱平衡，恒有α=ε結(jié)論:

在灰體層面上,善于輻射的物體必善于吸收關(guān)于基爾霍夫定律及灰體假設(shè)的幾點說明1、基爾霍夫定律在不同層次上有不同的表達式（詳見P377表8-3）2、在常見的溫度范圍內(nèi)，大多數(shù)工程材料均可作灰體處理（漫灰表面）3、由定律可得出結(jié)論：物體的輻射能力越大，其吸收能力也越大（善于輻射必善于吸收）——條件：灰體4、上述處理方法不適用于對太陽輻射的吸收——（大多數(shù)物體對可見光有強烈的選擇性）層次數(shù)學(xué)表達式成立條件光譜，定向光譜，半球全波段，半球無條件，為緯度角漫射表面與黑體處于熱平衡或?qū)β冶砻姹?-3Kirchhoff定律的不同表達式8.4.4溫室效應(yīng)溫室:位于太陽照耀下的封閉的空間(小轎車、暖房等)原理:利用玻璃對太陽輻射的強烈的選擇性見P378圖8-21（對λ＜3μm的熱輻射有很高的穿透比，對λ＞3μm的熱輻射的穿透比則很小）吸收性氣體—溫室氣體(二氧化碳、多種CFC制冷劑—如冰箱制冷劑R12)P378例8-7:已知：煤層溫度2000K，可作黑體；爐墻為溫射表面，內(nèi)表面溫度500K，光譜發(fā)射率如圖。求：爐墻內(nèi)表面的發(fā)射率ε與對煤層輻射的吸收比α解：(1)先求發(fā)射率ε。由發(fā)射率的定義可得：

其中：ελ

1、ελ2、ελ3已知，F(xiàn)b(0—λ1)、Fb(λ1—λ2)及Fb(λ2—∞)可根據(jù)λT1值從黑體輻射函數(shù)表查得。代入數(shù)據(jù)后可得：ε(T1)=0.61(2)再求對煤層輻射的吸收比α由對黑體輻射的吸收比的定義式(7-23b)可得：

其中：ελ

1、ελ2、ελ3已知，F(xiàn)b(0—λ1)、Fb(λ1—λ2)及Fb(λ2—∞)可根據(jù)λT2值從黑體輻射函數(shù)表查得。代入數(shù)據(jù)后可得：α(T1、T2)=0.395≠ε(T1)1、太陽輻射的光譜分布特點：近似于5762K（5800K）的黑體輻射最大能量對應(yīng)波長：λmax=0.50μm,99%能量集中區(qū)域：λ=0.2μm～3μm8.5太陽與環(huán)境輻射8.5.1太陽常數(shù)式中：f——地日距離修正系數(shù)，0.97～1.03θ——天頂角（太陽射線與地面法線之間的夾角）

Sc——太陽常數(shù)（日地平均距離處，大氣層外緣與太陽射線相垂直的單位表面積所接受到的太陽輻射能，其值為(1370±6)W/m2大氣層外緣水平面上單位面積接受到的太陽輻射能(8-26)2.太陽常數(shù)故,單位時間內(nèi)照射到地球上的太陽輻射能約為:相當(dāng)于每秒鐘燃燒600萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量8.5.2太陽能穿過大氣層時的削弱大氣層對太陽輻射的兩種削弱作用:1.包含在大氣層中的吸收性氣體的吸收作用(臭氧、水蒸汽、二氧化碳、各種CFC氣體)2.散射作用:對太陽投入輻射的重輻射分子散射—基本上向整個空間均勻地進行米散射----由于大氣層中的塵埃與懸浮微粒所造成,使輻射能基本沿投入輻射方向繼續(xù)向前傳遞,直接到達地球表面8.5.3環(huán)境輻射環(huán)境輻射----地球及大氣層中某些具有輻射能力成份的輻射.氣象研究表明,大氣層對地球表面的投入輻射為:式中:—等效天空溫度,其值與氣象條件有關(guān)8.5.4物體對太陽能的吸收部分物體對太陽輻射的吸收比見P383表8-4在研究物體與太陽輻射的相互作用時，不能把物體作灰體，即其中，為物體對太陽輻射的吸收比太陽能的應(yīng)用實例——太陽能集熱器（將太陽能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)—熱水的熱能的設(shè)備）

2.太陽能集熱器的效率：(10-4)1.穩(wěn)態(tài)條件下，集熱器單位面積的熱平衡方程:（10-3）3.提高太陽能集熱器效率的途徑和措施

措施:利用對太陽光透明的玻璃或塑料薄膜使吸熱面不直接暴露于外界環(huán)境;采用雙層玻璃覆蓋層;吸熱面采用光譜選擇性涂層(具有較高的αs/ε值)

途徑：在保持最大限度采集太陽輻射的同時，盡可能減小其對流和輻射散熱損失。一、熱輻射的基本概念

1、輻射、熱輻射與輻射傳熱2、熱輻射的特點3、物體表面對熱輻射的反應(yīng)(吸收比、反射比、穿透比);幾個理想物體