物體的熱輻射特性

物體的熱輻射特性第1頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性2§7-1熱輻射的基本概念1.熱輻射特點(diǎn)(1)

定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量；(2)

特點(diǎn)：a任何物體，只要溫度高于0K，就會(huì)不停地向周?chē)臻g發(fā)出熱輻射；b可以在真空中傳播；c伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d具有強(qiáng)烈的方向性；e輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；f發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。2.電磁波譜電磁輻射包含了多種形式，如圖7-1所示，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.1~100μm。電磁波的傳播速度：

c=fλ

式中：f—頻率，s-1;λ—波長(zhǎng)，μm第2頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性3電磁輻射波譜圖7-1第3頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性4當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖7-2所示。3.

物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透

圖7.2物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透吸收比、反射比、透射比體現(xiàn)了能量的守衡第4頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性5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)于黑體：鏡體或白體：透明體：反射又分鏡面反射和漫反射兩種圖7-3鏡面反射圖7-4漫反射第5頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性6第6頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性71.黑體概念黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，（吸收比α=1的物體），是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。圖7-5黑體模型§7-2黑體輻射的基本定律第7頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性8第8頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性9輻射力E：?jiǎn)挝粫r(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。

(W/m2)；單色(或光譜)輻射力Eλ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，對(duì)某一給定波長(zhǎng)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。

(W/m2)；2.熱輻射能量的表示方法E、Eλ關(guān)系:顯然，E和Eλ之間具有如下關(guān)系：黑體一般采用下標(biāo)b表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的單色(或光譜)輻射力為Ebλ第9頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性103.黑體輻射的三個(gè)基本定律及相關(guān)性質(zhì)

式中，λ—

波長(zhǎng)，m；T

—

黑體溫度，K；

c1

—

第一輻射常數(shù)，3.742×10-16W·m2；

c2—

第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2WK；

(1)普朗克定律(第一個(gè)定律)：圖7-6是根據(jù)上式描繪的黑體單色輻射力隨波長(zhǎng)和溫度的依變關(guān)系。λm與T

的關(guān)系由維恩（Wien）定律給出，圖7-6Planck定律的圖示第10頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性11(2)斯忒藩-珀耳茲曼（Stefan-Boltzmann）定律(第二個(gè)定律)：

式中，σ=5.67×10-8W/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常數(shù)。又稱為四次方定律.第11頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性12第12頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性13圖7-8立體角定義圖定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面度)，如圖7-8和7-9所示（半球的立體角為2π）(3)立體角第13頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性14圖7-9計(jì)算微元立體角的幾何關(guān)系第14頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性15定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體在單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長(zhǎng)的能量。(4)定向輻射力Eθ第15頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性16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，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長(zhǎng)的能量，參見(jiàn)圖7-10。

(5)定向輻射強(qiáng)度L(,)：圖7-10定向輻射強(qiáng)度的定義圖(6)蘭貝特（Lambert）定律(黑體輻射的第三個(gè)基本定律)它說(shuō)明黑體的定向輻射力隨天頂角呈余弦規(guī)律變化，見(jiàn)圖7-11，因此，Lambert定律也稱為余弦定律。黑體的定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)。第16頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性17圖7-11Lambert定律圖示沿半球方向積分上式，可獲得半球輻射強(qiáng)度E:第17頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性18第18頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性19第19頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性20§

7-3實(shí)際固體和液體的輻射特性1發(fā)射率前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長(zhǎng)；真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；因此，定義了發(fā)射率

(也稱為黑度)

：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:第20頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性21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。WavelengthDirection(anglefromthesurfacenormal)第21頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性22

對(duì)應(yīng)于黑體的輻射力Eb，光譜輻射力Eb和定向輻射強(qiáng)度L，分別引入了三個(gè)修正系數(shù)，即，發(fā)射率，光譜發(fā)射率()和定向發(fā)射率()，其表達(dá)式和物理意義如下實(shí)際物體的輻射力與黑體輻射力之比:實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比(光譜輻射力)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：(定向發(fā)射率)第22頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性23漫發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射率()與方向無(wú)關(guān)，即定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，滿足上述規(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。圖7-15幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率()(t=150℃)第23頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性24圖7-16幾種非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率()(t=0~93.3℃)第24頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性25黑體、灰體等都是理想物體，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，(1)實(shí)際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見(jiàn)圖7-14；(2)

實(shí)際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；(3)

實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守Lambert定律，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)來(lái)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。圖7-14實(shí)際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜第25頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性26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，很難理論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)；服從Lambert定律的表面稱為漫射表面。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；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(shuō)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。第26頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性27第27頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性28第28頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性29第29頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性30§7-4實(shí)際固體的吸收比和基爾霍夫定律

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)投入輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對(duì)其作出解答。Semi-transparentmediumAbsorptivitydealswithwhathappensto_______________________________,while

emissivitydealswith

_____________________第30頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性311.投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能2.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3.吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用表示，即首先介紹幾個(gè)概念：第31頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性32(4)光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。圖7-17和7-18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。圖7-17金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系第32頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性33圖7-18非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系灰體：光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體。此時(shí)，不管投入輻射的分布如何，吸收比都是同一個(gè)常數(shù)。第33頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性34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)1、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1的吸收比為第34頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性35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(lái)看一下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，1859年，Kirchhoff用熱力學(xué)方法回答了這個(gè)問(wèn)題，從而提出了Kirchhoff定律。最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無(wú)限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。如圖7-20所示，板1是黑體，板2是任意物體，參數(shù)分別為Eb,T1以及E,,T2，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有圖7-20平行平板間的輻射換熱第35頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性36

此即Kirchhoff定律的表達(dá)式之一。該式說(shuō)明，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有如下限制：整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關(guān)，因此二者只有處于同一溫度下的值才能相等；投射輻射源必須是同溫度下的黑體。為了將Kirchhoff定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們考察、推導(dǎo)了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達(dá)式，見(jiàn)表7-2。第36頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性37層次數(shù)學(xué)表達(dá)式成立條件光譜，定向光譜，半球全波段，半球無(wú)條件，為天頂角漫射表面與黑體處于熱平衡或?qū)β冶砻姹?-2Kirchhoff定律的不