1、第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,1,7-1 熱輻射的基本概念,1. 熱輻射特點 (1) 定義：由熱運動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量； (2) 特點：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,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,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,2,電 磁

2、 輻 射 波 譜,圖7-1,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,3,當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7-2所示。,3. 物體對熱輻射的吸收、反射和穿透,圖7.2物體對熱輻射的吸收、反射和穿透,吸收比、反射比、透射比,體現(xiàn)了能量的守衡,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,4,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：,反射又分鏡面反射和漫反射兩種,圖7-3 鏡面反射,圖7-4 漫反射,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,5,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,6,1.黑體概念 黑體：是指能吸收投入到其

3、面 上的所有熱輻射能的物體，（吸收比=1的物體），是 一種科學假想的物體，現(xiàn)實生 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,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,7,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,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)； 單色(或光譜)輻射力E： 單位時間內(nèi)，對某一給定波長，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。 (W/m2)；,2.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b表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體

4、的單色(或光譜)輻射力為Eb,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,9,3.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)普朗克定律(第一個定律)：,圖7-6是根據(jù)上式描繪的黑體單色輻射力隨波長和溫度的依變關(guān)系。 m與T 的關(guān)系由維恩（Wien）定律給出，,圖7-6 Planck 定律的圖示,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,10,(2)斯忒藩-珀耳茲曼（Stefan-Boltzmann）定律(第二個定律)：,式中，= 5.6710-8 W/(m2

5、K4)，是Stefan-Boltzmann常數(shù)。,又稱為四次方定律.,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,11,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,12,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2）,(3)立體角,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,13,圖7-9 計算微元立體角的幾何關(guān)系,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,14,定義：單位時間內(nèi)，物體在單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長的能量。,(4)定向輻射力E,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,15,定義：單位時間內(nèi)，物體在

6、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7-10。,(5) 定向輻射強度L(, )：,圖7-10 定向輻射強度 的定義圖,(6) 蘭貝特 （ 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，見圖7-11，因此， Lambert定律也稱為余弦定律。,黑體的定向輻射強度與方向無關(guān)。,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,16,圖7-11 Lambert定律圖示,沿半球方向積分上式，可獲得半球輻射強度E:,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,17,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,18,第七章 熱輻射基本定律

7、及物體的輻射特性,19, 7-3 實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，包括所有方向和所有波長； 真實物體表面的發(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，實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,20,上面公式只是針對方向和光譜平均的情況，但實際上，真實表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。,Wavelength,Direction (angle from the surface normal),第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,21,對應(yīng)于黑體

8、的輻射力Eb，光譜輻射力Eb和定向輻射強度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( )，其表達式和物理意義如下,實際物體的輻射力與黑體輻射力之比:,實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),實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比：(定向發(fā)射率),第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,22,漫發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射率 () 與方向無關(guān)，即定向輻射強度與方向無關(guān)，滿足上述規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面，這是對大多數(shù)實際表面的一種很好的近似。,圖7-15 幾種金屬導體在不同方向上的定向發(fā)射率( )(t=150),第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特

9、性,23,圖7-16 幾種非導電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率( )(t=093.3),第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,24,黑體、灰體等都是理想物體，實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) 實際物體的輻射力并不完全與熱力學溫度的四次方成正比；(3) 實際物體的定向輻射強度也不嚴格遵守Lambert定律，等等。所有這些差別全部歸于上面的系數(shù)，因此，他們一般需要實驗來確定，形式也可能很復雜。在工程上一般都將真實表面假設(shè)為漫發(fā)射面。,圖7-14 實際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜,第七章 熱輻射基本定律及物體

10、的輻射特性,25,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雜，很難理論確定，實際上是一種權(quán)宜之計； 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； 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。,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,26,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,27,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,28,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,29,7-4 實際固體的

11、吸收比和基爾霍夫定律,上一節(jié)簡單介紹了實際物體的發(fā)射情況，那么當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 to _, while emissivity deals with _,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,30,1. 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

12、射所吸收的百分數(shù)，通常用表 示，即,首先介紹幾個概念：,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,31,(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數(shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長的變化體現(xiàn)了實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的關(guān)系。,圖7-17 金屬導電體的光譜吸收比同波長的關(guān)系,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,32,圖7-18 非導電體材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系,灰體：光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱為灰體。此時，不管投入輻射的分布如何，吸收比都是同一個常數(shù)。,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,33,根據(jù)

13、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,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,34,在學習了發(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 用熱力學方法回答了這個問題，從而提出了Kirchhoff 定律。 最簡單的推導是用兩塊無限大平板間的熱力學平衡方法。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，則當系統(tǒng)處于熱平衡時，有,圖7-20 平行平板間的輻射換熱,第七章 熱輻

14、射基本定律及物體的輻射特性,35,此即Kirchhoff 定律的表達式之一。該式說明，在熱力學平衡狀態(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)； 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、推導了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達式，見表7-2。,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,36,表7-2 Kirchhoff 定律的不同表達式,注： 漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強度與空間方向無關(guān)，即符合Lambert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。,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,37,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,38,思考題： 1.什么是黑體, 灰體? 實際物體在什么樣的條件下可以看成是灰體? 2.光譜輻射力,輻射力和定向輻射強度的物理意義. 它們之間有什么關(guān)系? 3.物體的發(fā)射率, 吸收率, 反射率, 穿透率是怎樣