1、第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,1,第八章 熱輻射基本定律及 物體的輻射特性,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,2,主要內(nèi)容,熱輻射現(xiàn)象的基本概念 黑體熱輻射的基本定律 固體和液體的輻射特性 實(shí)際物體對輻射能的吸收與輻射的關(guān)系,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,3,8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念,1. 熱輻射特點(diǎn) (1) 定義：由熱運(yùn)動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量； (2) 特點(diǎn)：a 任何物體，只要溫度高于0 K，就會不停地向周圍空間發(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均有關(guān)；f 發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。,2. 電磁波譜,

2、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0.1100m。 電磁波的傳播速度： c = f 式中：f 頻率，s-1; 波長，m,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,4,電 磁 輻 射 波 譜,圖8-1 電磁波的波譜,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,5,當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖8-2所示。,3. 物體表面對電磁波的作用,圖8.2物體對熱輻射的吸收反射和穿透,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,6,對于大多數(shù)的固體和液體： 對于不含顆粒的氣體： 對于黑體： 鏡體或白體：,透明體：,反射又分鏡反射和漫反

3、射兩種,圖8-3 鏡反射,圖8-4 漫反射,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,7,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，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8-5 黑體模型,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,8,輻射力E： 單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和。 (W/m2)； 光譜輻射力E： 單位時間內(nèi)，單位波長范圍內(nèi)(包含某一給定波長)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。 (W/m3)；,1.熱輻射能量的表示方法,E、E關(guān)系:,顯然， E和E之間具有如下關(guān)系：,黑體一般采用下標(biāo)b表示，

4、如黑體的輻射力為Eb，黑體的光譜輻射力為Eb,8-2 黑體輻射的基本定律,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,9,2.黑體輻射的三個基本定律及相關(guān)性質(zhì),式中， 波長，m ； T 黑體溫度，K ； c1 第一輻射常數(shù)，3.74210-16 Wm2； c2 第二輻射常數(shù)，1.438810-2 WK；,(1)Planck定律(第一個定律)：,圖8-7是根據(jù)上式描繪的黑體光譜輻射力隨波長和溫度的依變關(guān)系。 m與T 的關(guān)系由Wien位移定律給出，,圖8-7 Planck 定律的圖示,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,10,(2)Stefan-Boltzmann定律(第二個定律)：,式中，= 5.6710-

5、8 w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常數(shù)。,(3)黑體輻射函數(shù),黑體在波長1和2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力，如圖8-8所示：,圖8-8 特定波長區(qū)段內(nèi)的 黑體輻射力,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,11,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8-9所示：,(4)立體角,黑體輻射函數(shù):,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,12,圖8-9 立體角定義圖,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,13,計(jì)算微元立體角的幾何關(guān)系,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,14,定義：單位時間內(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)射的一切波長的能量，參見圖8-1

6、0。,(5) 定向輻射強(qiáng)度L(, )：,圖8-10 定向輻射強(qiáng)度 的定義圖,(6) Lambert 定律(黑體輻射的第 三個基本定律),它說明黑體的定向輻射力隨天頂角呈余弦規(guī)律變化，因此， Lambert定律也稱為余弦定律。,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,15,Lambert定律圖示,沿半球方向積分上式，可獲得了半球輻射強(qiáng)度E:,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,16,黑體輻射規(guī)律,黑體輻射的輻射力由Stefan-Boltzmann定律確定，輻射力正比例于熱力學(xué)溫度的四次方；黑體輻射能量按波長的分布服從普朗克定律，而按空間方向的分布服從蘭貝特定律；黑體的光譜輻射力有個峰值，與此峰值相對應(yīng)的

7、波長m由維恩位移定律確定，即隨著溫度的升高，m向波長短的方向移動,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,17, 8-3 固體和液體的輻射特性,1 實(shí)際物體的輻射力 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； 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:,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,18,2 實(shí)際物體的光譜輻射力 實(shí)際物體的光譜輻射力往往隨波長作不規(guī)則變化 實(shí)際物體的光譜輻射力按波長分布的規(guī)律與普朗克定律不同，但在定性上是一致的 光譜發(fā)射率：實(shí)際物體的光譜

8、輻射率與同溫度下黑體的光譜輻射力之比,實(shí)際物體的輻射力并不嚴(yán)格地同熱力學(xué)溫度的四次方成正比，但要對不同 物體采用不同方次的規(guī)律計(jì)算，實(shí)用上不方便。在工程計(jì)算中仍認(rèn)為一切 實(shí)際物體的輻射力都與熱力學(xué)溫度的四次方成正比，而把由此引起的修正 包括到用實(shí)驗(yàn)方法確定的發(fā)射率中去,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,19,3 實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,20,圖8-15 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),第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,21,影響物體發(fā)射率的因素 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 發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有

9、關(guān)，而不涉及外界條件,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,22,對應(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：,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：,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,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)射面，這是對大多數(shù)實(shí)際表面的一種很好的近似。,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,24,前面講過，黑體、灰體、白體

10、等都是理想物體，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，(1)實(shí)際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見圖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，它們一般需要實(shí)驗(yàn)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。,圖8-12 實(shí)際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,25,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Lamber

11、t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； 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)，而不涉及外界條件。,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,26,8-4 實(shí)際物體對輻射能的吸收與輻射的關(guān)系,上一節(jié)簡單介紹了實(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，該物體對投入輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對其作出解答。,Semi-transparent medium,Absorptivity deals with what happens

12、 to _, while emissivity deals with _,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,27,1. 投入輻射：單位時間內(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 物體對投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長的不同而變 化，這叫選擇性吸收 3. 吸收比：物體對投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用表 示，即,首先介紹幾個概念：,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,28,(4) 光譜吸收比：物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。,圖8-17和8-18分別給出了室溫下幾種材料的光

13、譜吸收比同波長的關(guān)系。,圖8-17 金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長的關(guān)系,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,29,圖8-18 非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,30,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,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,31,圖8-19給出了一些材料對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,32,圖8-19 物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,33

14、,物體的選擇性吸收特性，即對有些波長的投入輻射吸收多，而對另一些波長的輻射吸收少，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，人們在利用選擇性吸收的同時，也為其傷透了腦筋，這是因?yàn)槲毡扰c投入輻射波長有關(guān)的特性給工程中輻射換熱的計(jì)算帶來巨大麻煩，對此，一般有兩種處理方法，即 灰體法，即將光譜吸收比 () 等效為常數(shù)，即 = () = const。并將()與波長無關(guān)的物體稱為灰體，與黑體類似，它也是一種理想物體，但對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； 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)。,第八

15、章 熱輻射基本定律和輻射特性,34,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，1859年，Kirchhoff 用熱力學(xué)方法回答了這個問題，從而提出了Kirchhoff 定律。 最簡單的推導(dǎo)是用兩塊無限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。如圖8-20所示，板1時黑體，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，有,圖8-20 平行平板間的輻射換熱,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,35,該定律表述為：在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和它對來自黑體輻射的吸收比的比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力 也可表述為：熱平衡時，任意物體對黑體投入

16、輻射的吸收比，恒等于同溫度下該物體的發(fā)射率 對于光譜輻射，有： = 這是該定律更基本的表達(dá)式，不受投入輻射沿波長分布的約束 對于灰體，由=常數(shù)，可得：=常數(shù) 表明灰體輻射沿波長分布與黑體類似 對于灰體，不論投入輻射是否來自黑體，也不論是否處于熱平衡條件，恒有= 該結(jié)論對輻射換熱條件下的確定帶來實(shí)質(zhì)性的簡化,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,36,引出灰體概念給工程計(jì)算帶來的方便到此已十分清楚 對于接近灰體性質(zhì)的材料可近似作為灰體處理，取同 溫度下的值。在輻射換熱計(jì)算中，將工程材料作為灰 體對待 但是不能推廣到對太陽輻射的吸收，因?yàn)榇藭r可見光占 將近一半，顏色對可見光吸收呈現(xiàn)強(qiáng)烈的選擇性，吸收

17、比與發(fā)射率不相等,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,37,此即Kirchhoff 定律的表達(dá)式之一。該式說明，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： 整個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)； 如物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關(guān)，則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，見表7-2。,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,38,表8-3 Kirchhoff 定律的不同表達(dá)式,注： 漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空間方向無關(guān)，即符合Lamb

18、ert定律的物體表面； 灰體：指光譜吸收比與波長無關(guān)的物體，其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個相同的比例。,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,39,本章小結(jié),本章首先分析熱輻射的本質(zhì)和特點(diǎn)，結(jié)合表面的輻射特性引出有關(guān)熱輻射的一些術(shù)語和概念，然后提出了熱輻射的基本定律。學(xué)習(xí)的基本要求是：理解熱輻射的本質(zhì)和特點(diǎn)；掌握有關(guān)黑體、灰體、漫射體、發(fā)射率、吸收比的概念；理解和熟悉熱輻射的基本定律，重點(diǎn)是Stefan-Boltzmann定律和基爾霍夫定律；了解影響實(shí)際物體表面輻射特性的因素,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,40,本章小結(jié),（1）作為表面的熱輻射性質(zhì)，主要有：吸收比、反射

19、比、穿透比和發(fā)射率。對于實(shí)際表面，這些性質(zhì)既有方向性又具有光譜性，即它們既和輻射的方向有關(guān)，又和輻射的波長有關(guān)。工程上為簡化計(jì)算而提出了“漫”、“灰”模型：前者指各向同性的表面，后者指表面的發(fā)射輻射能的光譜與同溫度黑體的輻射光譜相似，或表面的光譜吸收比不隨波長而變化吧，是一個常數(shù)。如表面的輻射特性，除了與方向無關(guān)外，還與波長無關(guān)，則稱為“漫灰”表面，本教材主要針對這類表面作分析計(jì)算,第八章 熱輻射基本定律和輻射特性,41,本章小結(jié),（2）黑體既是一個理想的吸收體，又是理想的發(fā)射體，在熱輻射中可把它作為標(biāo)準(zhǔn)物體以衡量實(shí)際物體的吸收比和發(fā)射率。其特性為：同溫度下黑體具有最大的輻射力；黑體的輻射力是