1、第八章熱輻射(fsh)基本定律和輻射(fsh)特性共七十一頁主要(zhyo)內(nèi)容熱輻射的基本概念黑體(hit)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共七十一頁8.1 熱輻射現(xiàn)象(xinxing)的基本概念2.熱輻射的特點(tdin)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

2、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共七十一頁 8.1.2 熱輻射的電磁波特性(txng)1.傳播速率、波長、頻率間的關(guān)系共七十一頁可見光: 0.380.76 ; 熱射線: 0.1100 2.電磁波波譜(bp)波長共七十一頁 3.物體(wt)表面對電磁波的作用特例(tl)：固、液：+=1；=0 氣體： +=1；=0(1)吸收、反射、穿透及相互關(guān)系 Q+Q+Q=Q +=1-穿透率-反射率-吸收率共七十一頁 (2)固體表面(biomin)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

3、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(ch q) ( 發(fā)生于表面的不平整尺寸大于 投入輻射的波長的場合)共七十一頁 鏡反射(fnsh)漫反射共七十一頁 黑體：能吸收所有投射到其表面上的輻射(fsh) 能的物體(即=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(lxing)物體8.1.3 黑體模型共七十一頁 2. 黑體(hit)模型共七十一頁(3) E與E 的關(guān)系：輻射力的概念(ginin)8.2 黑體(hit)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

4、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E （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在內(nèi)的單位波長內(nèi)的能 量，W/m3。共七十一頁8.2.1 斯忒藩玻耳茲曼定律（四次方定律） 反映(fnyng)黑體的(全色)輻射力與溫度的關(guān)系其中： 黑體輻射常數(shù)(chngsh)(5.6710-8W/m2.K4) C0黑體輻射系數(shù)(5.67W/m2.K4)共七十一頁8.2.2 普朗克定律(dngl)式中:1.普朗克定律(dngl)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：

5、共七十一頁規(guī)律：(1)T一定時，Eb 與波長有關(guān)(為一連續(xù)曲線)，在 =0 之間單色輻射力存在一峰值(Eb )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 (Eb )max值增大。共七十一頁2、維恩位移(wiy)定律（反映出現(xiàn)最大單色輻射力的波 長m與絕對溫度T之間的關(guān)系）：P362例81：維恩位移定律的應(yīng)用結(jié)果：一般工業(yè)高溫范圍(2000K), m =1.45 m(紅外區(qū)段) 太陽(tiyng)表面溫度(5800K), m=0.50 m (可見光)定律的應(yīng)用：分析金屬在不同溫度下的顏色變化。 m T=2.897610-3m.K 2.

6、910-3m.K共七十一頁3、普朗克定律(dngl)與斯忒藩玻耳茲曼定律的關(guān)系共七十一頁4、黑體(hit)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(fsh)函數(shù)Fb(0)的概念定義：共七十一頁b.黑體(hit)的波段輻射力Eb由輻射(fsh)函數(shù)的定義可得:所以：共七十一頁平面角：8.2.3 蘭貝特定律(dngl) -(反映黑體輻射能按空間方向的分布規(guī)律)1.立體角共七十一頁立體角：共七十一頁 2.定向輻射強度 I 定義(dngy)：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：共七十一頁3. 蘭貝特定律(余弦定律)： -黑體輻射的定向(dn

7、 xin)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(b tn)方 向的分布按緯度角的余弦規(guī)律變化.共七十一頁4. 蘭貝特定律與斯忒藩玻耳茲曼定律間的關(guān)系(gun x) 即定向輻射強度I與輻射力E之間的關(guān)系對于(duy)服從蘭貝特定律的輻射，有：即:共七十一頁(3) E與E 的關(guān)系(gun x)： 1. 輻射力的概念(ginin)8.2 黑體輻射基本定律(1) (全色)輻射力E(2) 單色輻射力E （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)系共七十一頁3.普朗克定律反映

8、在一定溫度下，黑體(hit)的光譜(單 色)輻射力隨波長的分布規(guī)律規(guī)律(gul)：(1)T一定時，Eb 與波長有關(guān)(為一連續(xù)曲線)，在 =0 之間單色輻射力存在一峰值(Eb )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 (Eb )max值增大。共七十一頁4、維恩位移定律（反映出現(xiàn)最大單色輻射力的波 長m與絕對溫度(juduwnd)T之間的關(guān)系）： m T=2.897610-3m.K 2.910-3m.K5、普朗克定律(dngl)與斯忒藩玻耳茲曼定律的關(guān)系6. 黑體的波段輻射力Eb共七十一頁7. 蘭貝特定律(反映(fnyng)黑體輻射

9、能按空間方向的分布規(guī)律)(1)立體角與定向(dn xin)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：共七十一頁8.3 實際(shj)固體和液體的輻射特性共七十一頁特征：在相同(xin tn)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(chbi)用發(fā)射率(黑度)表示共七十一頁 反映(fnyng)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

10、關(guān)（具體關(guān)系由實驗測定）8.3.1 實際(shj)物體的輻射力E(全色輻射力) 與發(fā)射率定義: 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), 用表示： 則實際物體的輻射力為: 共七十一頁 黑度與單色黑度 間的關(guān)系：8.3.2 實際物體(wt)的光譜輻射力E與光譜發(fā)射率()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()表示： 一般, 實際物體的黑度(hi d)除與表面性質(zhì)有關(guān)外,還與溫度存在依變關(guān)系.共七十一頁8.3.3 實際物體(wt)的定向輻射強度I()與定向發(fā)射率定義: 實際物體在某一方向的

11、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; 方向上的定向輻射強度 同溫度下黑體的定向輻射強度共七十一頁1. 定向(dn xin)發(fā)射率 隨角的變化規(guī)律共七十一頁共七十一頁2. 定向發(fā)射率與半球平均(pngjn)發(fā)射率間的關(guān)系簡化式(工程計算中黑度的實用處理(chl)方法)：式中: 為法向發(fā)射率(見P369表8-2)共七十一頁金屬表面(表面高度磨光時取上限) M=1.21.3, 即=(1.21.3) n(2) 非導(dǎo)體, M=0.951.0(3) 實用中，對于工程材料(高度磨光表面除外)，一 般可取

12、M1.0，即n (實際情況: 有光滑表面的物體(wt)， =0.95n 粗糙的物體， =0.98n) 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=0.9共七十一頁P370 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

13、表面狀況。 這說明發(fā)射率只與發(fā)射輻射(fsh)的物體本身 有關(guān)，而不涉及外界條件。共七十一頁2、光譜吸收比(單色吸收比) () 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(biomin)對輻射能的吸收特性8.4 實際物體對輻射能的吸收(xshu)與輻射的關(guān)系 一般，()與波長有關(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.共七十一頁共七十一頁溫室效應(yīng)：利用了玻璃對輻射能吸收(xshu)的選擇性 （對3m的輻射能穿透比

14、很大， 對3m的輻射能穿透比很小）物體(wt)的顏色變化：取決于物體(wt)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)、物體的顏色等共七十一頁3、吸收比 物體對投入輻射(fsh)所吸收的百分比. (表征物體表面對外來能量的反應(yīng)) 的數(shù)值取決于： (1) 吸收輻射(fsh)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：共七十一頁對于(duy)來自黑體的輻射 ，有： 對于給定的物體，對黑體(hit)輻射的吸收比則只 是溫度T1、T2的函數(shù)（見P375圖8-19）共七十一頁規(guī)律：T1一定時，非導(dǎo)電 體對黑體輻射的

15、吸 收比 隨溫度(wnd)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 隨溫度 T2的 增加(zngji)而增大共七十一頁 物體(wt)顏色對吸收比的影響情況： 對可見光呈強烈的選擇性； 對紅外輻射幾乎無選擇性。共七十一頁 8.4.2 灰體 光譜吸收(xshu)比()與波長無關(guān)的物體即對于灰體有： ()=常數(shù)，故有： 與黑體類似，灰體也是一種(y zhn)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0.7610 m之間, 此時 一般不隨波長作顯著變化）共七十一頁 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

16、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(fnb)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)。共七十一頁 8.4.3 吸收(xshu)比與發(fā)射率之間的關(guān)系 基爾霍夫(Kirchhoff)定律1、實際物體(wt)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：共七十

17、一頁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(wt)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(dngl)的證明（見P377）共七十一頁2. 特例漫射灰體吸收(xshu)比與發(fā)射率之間的關(guān)系(1)由灰體的定義=()=常數(shù)，有=()=常數(shù)(2)對于灰體，不論對于來自何處的輻射(fsh)，也不論是 否處于熱平衡，恒有=結(jié)論: 在灰體層面上, 善于輻射的物體必善于吸收共七十一頁 關(guān)于基爾霍夫定律及灰體假設(shè)(jish)的幾點說明1、基爾霍夫定律在不同(b tn)層次上有不同(b tn)的表達

18、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）共七十一頁層 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?-3 Kirchhoff 定律(dngl)的不同表達式共七十一頁8.4.4 溫室效應(yīng)(wn sh xio yn)溫室(wnsh): 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

19、選擇性 見P378圖8-21 （對3m的熱輻射有很高的穿透比， 對3m的熱輻射的穿透比則很?。┪招詺怏w溫室氣體(二氧化碳、多種CFC制冷劑如冰箱制冷劑R12)共七十一頁P378 例8-7:已知：煤層溫度2000K，可作黑體；爐墻為溫射表面(biomin)， 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)射率與對煤層輻射(fsh)的吸收比共七十一頁解：(1)先求發(fā)射率。由發(fā)射率的定義(dngy)可得： 其中： 1、2、3已 知，F(xiàn)b(01)、Fb(12)及Fb(2)可根據(jù)(gnj)T1值從黑體輻射函數(shù)表查得。代入數(shù)據(jù)后可得：(T1)=0.61共七十一頁(2)再求對煤層(micng)輻射

20、的吸收比由對黑體輻射的吸收(xshu)比的定義式(7-23b)可得： 其中： 1、2、3已 知，F(xiàn)b(01)、Fb(12)及Fb(2)可根據(jù)T2值從黑體輻射函數(shù)表查得。代入數(shù)據(jù)后可得：(T1、T2)=0.395 (T1)共七十一頁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)(duyng)波長： max=0.50m, 99%能量集中區(qū)域： =0.2m3m8.5 太陽與環(huán)境(hunjng)輻射8.5.1 太陽常數(shù)共七十一頁共七十一頁共七十一頁式中：f地日距離修正系數(shù)，0.971.03 天頂角(dn jio)（太陽射線與地面法線之間的夾角） Sc太陽常數(shù)（日地

21、平均距離處，大氣層外緣 與太陽射線相垂直的單位(dnwi)表面積所接受到 的太陽輻射能，其值為(13706)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)熱量共七十一頁8.5.2 太陽能穿過(chun u)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(yuy)大氣層中的塵埃與懸浮微粒所 造成, 使輻射能

22、基本沿投入輻射方 向繼續(xù)向前傳遞,直接到達地球表面共七十一頁8.5.3 環(huán)境(hunjng)輻射環(huán)境輻射-地球(dqi)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) 共七十一頁8.5.4 物體(wt)對太陽能的吸收部分(b fen)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共七十一頁 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(r shu)的熱能的設(shè)備）共七十一頁 2. 太陽能集熱器的效率(xio l)：(10-4)

23、1. 穩(wěn)態(tài)條件(tiojin)下，集熱器單位面積的熱平衡方程:（10-3）共七十一頁3. 提高(t go)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(bol)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s/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。共七十一頁一、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(biomin)對熱輻射的反應(yīng)(吸收比、反射 比、穿透比);幾個理想物體 4、輻射力與光譜輻射力; 發(fā)射率 5、投入輻射 6、灰體與漫射體本章內(nèi)容(nirng)小結(jié)共七十一頁 二、黑體輻射基本定律 1、普朗克定律 反映在一定溫度下，黑體的輻射力隨波 長的分布規(guī)律 2、維恩(位移)定律 反映出現(xiàn)最大單色輻射力的波長m與 絕對溫度T之間的關(guān)系(gun x)(成反比 ) 3、斯忒藩玻爾茲曼定律（四次方定律） 反映黑體 (全色)輻射力與溫度的關(guān)系 4、蘭貝特定律（朗伯定律） 反映黑體輻射按空間方向的