第六章 熱輻射的基本定律

1、傳熱學(xué)Heat Transfer，講師：徐志祥，節(jié)能波長，m，1，傳播速率與波長，頻率關(guān)系，2，電磁波光譜，熱輻射： 0.1100m，包括可見光、部分紫外輻射和紅外線，0.38，圖1電磁輻射光譜，0.76，紅外線輻射響應(yīng)以波長4m為界分為近紅外線和遠(yuǎn)紅外線，1，20世紀(jì)70年代發(fā)展的遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)2，微波： 1mm1m，3，1m的電磁波廣泛應(yīng)用于無線電技術(shù)。 科學(xué)家首次觀察到光的波粒二象性統(tǒng)一，科技高等院校郭光翠院士認(rèn)為，當(dāng)熱輻射被目標(biāo)心理投射時(shí)，依據(jù)可見光規(guī)律，其一部分被目標(biāo)吸收，一部分被反射，其馀部分透過目標(biāo)。 3、物體表面對(duì)電磁波的作用、物體對(duì)熱輻射的吸收反射和透射、(1)吸收比、反射比

2、和透射比之間的一般關(guān)系、吸收比反射比透射比、許多固體和液體：不含粒子的氣體：固體和液體對(duì)投入輻射的吸收和反射特性是在物體表面進(jìn)行的，與物體內(nèi)部無關(guān)。 瓦斯氣體的輻射和吸收在整個(gè)瓦斯氣體容積中進(jìn)行，表面狀況不重要。 (2)固體表面的兩個(gè)反射，鏡面反射：入射角=反射角，表面粗度波長，漫反射：表面粗度波長，一般工程材料形成漫反射。 黑體：=1=0=0，以便研究圖3的漫反射、圖2的鏡子反射和輻射特性； 白體：=0=1=0； 透明體：=0=0=1、在自然段和工序的應(yīng)用中不存在完全符合理想要求的黑體、黑體和透明體，但有與它們類似的物體。 例如，煤的吸收率達(dá)到0.96，打磨后的金的反射比大致達(dá)到0.98，常

3、溫下空氣對(duì)熱線顯示出透明的性質(zhì)。 6.1.3黑體模型及其重要性在于，在具有小孔的等溫腔表面上，當(dāng)來自外部的輻射從小孔進(jìn)入腔內(nèi)時(shí)，一定會(huì)在其內(nèi)表面經(jīng)歷無數(shù)的吸收和反射，最后從小孔中重新選擇的輻射能量必然是微乎其微的。 一般認(rèn)為入射能量的大部分被空洞吸收。 從這個(gè)意義上說，小孔非常接近黑體的性質(zhì)。 黑體有最大的吸收力(=1)，云同步有最大的放射力(=1)。 因?yàn)閷?shí)際物體中絕對(duì)不存在黑體，所以要引出人工黑體。 6.1.4兩個(gè)重要的輻射殘奧計(jì)，1輻射力，定義：單位時(shí)間內(nèi)，物體每單位表面積向表面上半球空間所有方向輻射的全波長電磁波能量的總和用e表示，單位。 很明顯，放射力的數(shù)值表示物體放射放射能的能力。

4、 在此，不是一定的，對(duì)于某個(gè)物體，根據(jù)溫度的不同，放射能力也不同。 黑體輻射力：Eb，2 .單色輻射力，定義：單位波長內(nèi)的能量，包括單位表面積在單位時(shí)間內(nèi)向該半球空間的所有方向放射的波長：的定義與e有積分關(guān)系，放射力是各種波長的單色輻射力沿波長積分的： 物體發(fā)射的是該波段的輻射能量是多少，6.2黑體輻射的基本規(guī)律，在本節(jié)中聚焦黑體輻射的兩個(gè)基本規(guī)律，即史蒂芬玻耳茲曼定律、平板支撐定律，揭示了黑體輻射的總能量計(jì)算方法和不同波長的分布。 6.2.1史蒂芬-玻耳茲曼定律(四次方定律)，1定義式，公式中，稱為黑體輻射系數(shù)，t是黑體熱力學(xué)溫度，即黑體在某溫度下的輻射力，稱為黑體輻射常數(shù)，由此可知，Eb與

5、黑體絕對(duì)溫度的四次方成正比。 2實(shí)際物體的輻射力、實(shí)際物體的輻射力也與溫度有關(guān)，但根據(jù)各自的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際物體的輻射力不嚴(yán)格與熱力學(xué)溫度的4次方成比例，并且對(duì)于不同的物體幾次方不一定，在計(jì)算上極為不便。 因此，發(fā)射率這一概念被定義了。發(fā)射率(黑度) :任何物體的放射力e與同溫度下黑體的放射力Eb之比稱為該物體的發(fā)射率：黑度的定義，所以史蒂芬玻耳茲曼定律能夠近似于實(shí)際物體的計(jì)算：說明：發(fā)射率的值在01之間，具體的數(shù)值是實(shí)驗(yàn)測(cè)量，物體的放射力在同溫度下的黑物體的發(fā)射率受溫度影響，氧化鋁表面、50、500、表面狀況對(duì)發(fā)射率也有很大影響，大多數(shù)非金屬材料和表面氧化的金屬材料發(fā)射率高，一般為0.750.

6、95，與表面狀況無關(guān)。 真的嗎？ 的表面，無光澤，拋光，6.2.2平板支撐規(guī)律，物體的輻射力按波長分布不均勻，即物體發(fā)射不同熱線的能力也不同。 明確了黑體輻射能量隨波長的分布規(guī)律。1定義式、式中被稱為第一放射常數(shù)、被稱為第二放射常數(shù)、平板支撐法則的圖、單色輻射功率隨著波長的增加而增大，越過峰值隨著波長的增加而減小。 根據(jù)維也納位移定律：維也納位移定律，用光學(xué)儀器測(cè)量某黑體表面的最大分光放射力的波長，即可算出其黑體表面的溫度。 如果知道太陽，就能得到太陽的表面T=5795.2 K。 隨著溫度的升高，輻射力中可見光的份額增加，熱物體的亮度發(fā)生變化。 分析：黑體輻射的光譜是一系列的連續(xù)光譜，某溫度下

7、的黑體輻射力等于與該溫度對(duì)應(yīng)的曲線上的面積，溫度越高，輻射力越大。史蒂芬-玻耳茲曼定律、【解】應(yīng)用維也納位移定律T=2000K時(shí)max=2.9103/2000=1.45 m T=5800K時(shí)max=2.9103/5800=0.50 m中常見的與物體最大放射力對(duì)應(yīng)的波長為紅外線區(qū)中太陽輻射最小2黑體輻射函數(shù)，定義：在波長范圍內(nèi)黑體輻射能量占其輻射力的份額。 由平板支撐定律可知，黑體輻射函數(shù)是波長與溫度乘積的函數(shù)。黑體輻射函數(shù)，實(shí)際上，可要求某一特定波長的輻射能量。 圖中1和2之間的線下面的面積。 黑體在波長1和2區(qū)間放射的放射力：特定波長區(qū)間的黑體輻射力、=、Stefan-Boltzmann的法

8、則：黑體輻射力、Planck的法則：黑體輻射能量在波長分布的法則：維也納位移的法則：確定與黑體的光譜放射力的峰值對(duì)應(yīng)的最大波長。 黑體輻射基本規(guī)律總結(jié)如下： 6.3基爾霍夫法則，6.3.1實(shí)物的輻射、吸收特性、輻射面：實(shí)物的單色輻射力隨波長和溫度的變化而不規(guī)則，單色輻射模量，實(shí)物的單色輻射力與同溫度下黑體的單色輻射力之比。 實(shí)際物體的單色輻射模量，1，注入輻射：單位時(shí)間內(nèi)被心理投射到單位表面積的總輻射能量，實(shí)際物體的吸收比，吸收比：物體對(duì)注入輻射的吸收比用通常來表示，實(shí)際物體的吸收比不僅取決于物體本身的情況，也取決于注入輻射的特性。 物體本身的狀況：物質(zhì)的種類、物體的溫度和表面狀況。 1、單色

9、吸收比：物體吸收某特定波長放射能的百分比稱為單色吸收比，也稱為光譜吸收比。 光譜吸收率根據(jù)波長表示實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。 物體的光譜吸收率隨波長而不同的特性被稱為物體的吸收率，具有選擇性。 2、實(shí)際物體吸收具有選擇性，工程應(yīng)用：溫室大棚、采暖、焊接時(shí)，生活中的例子：顏色、世界溫室效應(yīng)、思考問題：火星和地球距太陽的距離相當(dāng)，為什么與地球相比，火星的晝夜溫差較大？ 地球表面的大氣起到世界溫室效應(yīng)的作用，火星表面沒有大氣，因此晝夜溫差大。根據(jù)先前的定義，物體的吸收比除了自身的表面性質(zhì)和溫度之外，還與投入輻射的波長引起的能量分布有關(guān)。 代表分別研究下標(biāo)1、2的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，物體1的吸

10、收率不僅僅取決于物體自身的性質(zhì)，也取決于投影輻射，因?yàn)閷?shí)際物體的吸收選擇性給輻射傳熱計(jì)算帶來困難，輻射來自黑體時(shí)，上式發(fā)生變化，根據(jù)波長而變化， 依賴于投射輻射的波長分布，給實(shí)際物體的輻射傳熱計(jì)算帶來了很大的困難，基爾霍夫法則的提出為這一困難的解決奠定了基礎(chǔ)。 由于基爾霍夫法則、6.3.2、黑體1、實(shí)際表面2、板1、板2的溫度相等，因此系統(tǒng)必須處于熱平衡狀態(tài)，從板2發(fā)射的輻射能量與所吸收的輻射能量必須相等，即：t、t、發(fā)射率在熱平衡條件下， 記述了哪個(gè)物體的放射力和同溫度黑體放射的吸收比的比，與物性無關(guān)，只依賴于溫度，在同溫度下等于黑體的放射力。 推論1 :在相同溫度下，所有物體的輻射力都是黑

11、體的輻射力最大的推論2 :物體的輻射力越大，其吸收率越大。 熱平衡條件下，任意物體對(duì)黑體的吸收比等于同溫度下該物體的發(fā)射率。 語言描述：6.3.3灰體，定義：單色吸收比與波長無關(guān)，即物體?；覊m、灰塵、1、0.6、灰塵的光譜吸收比，一些說明：灰塵的總吸收比也是常數(shù)()； 對(duì)于灰體，永遠(yuǎn)成立的灰體是理想的輻射體，灰體的輻射特性也與黑體完全類似，光譜發(fā)射率也與波長沒有關(guān)系。 灰體、工程中，對(duì)實(shí)際表面的投射輻射主要集中在0.7620波長的熱線上，在該波長范圍內(nèi)，實(shí)際物體的輻射不隨波長變化。 因此，在很多情況下，實(shí)際物體可以作為灰體來處理。 例6. 1北方晚秋季節(jié)的早晨，樹葉葉面經(jīng)常結(jié)霜。 為什么樹葉上下面哪一面結(jié)霜？解：霜結(jié)在樹葉上面。 因?yàn)樵绯?，上面面向宇宙，下面面向地面?宇宙表面的溫度低于0，地球表面的溫度通常在0以上。 相對(duì)于葉子的下面，上面需要向宇宙放射更多的能量，因此下面的葉子的溫度更高，上面的溫度可能低于零度，容易結(jié)霜。 例6. 2對(duì)于放置在室外的冷凍庫，從減少冷凍庫冷熱損失的觀點(diǎn)出發(fā)，冷凍庫外殼的顏色應(yīng)該涂深色還是淺色？解：為了減少制冷損失，需要盡可能地吸收熱量，盡可能地將熱量