東南大學傳熱學課件：第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性

1、第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性 熱輻射是三種基本熱量傳遞方式之一。 熱輻射是通過電磁波來傳遞能量的。 熱輻射的機理與導熱和對流不同，它是非接觸式的熱量傳遞。 本章，我們將首先從電磁輻射的觀點來認識熱輻射的本質及輻射能量傳遞過程中的一些特點，然后著重討論熱輻射的幾個基本定律，最后介紹實際物體（固體和液體）的輻射特性，以便為下一章討論輻射的計算打下基礎。 第一節(jié) 熱輻射的基本概念 輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。 按照產生電磁波的不同原因可以得到不同頻率的電磁波。高頻振蕩電路產生的電波就是一種電磁波。此外還有紅外線、可見光、紫外線、X射線及射線等各種電磁波。 由于熱的原因而產生的電磁波輻射稱為

2、熱輻射熱輻射（熱輻射這一名詞有時也指熱輻射傳遞能量的過程）。 熱輻射的機理 由于物體內部微觀粒子在不停的進行著熱運動，當其運動狀態(tài)發(fā)生改變時會激發(fā)出電磁波，從而產生熱量的傳遞。 只要物體的溫度高于“絕對零度”，物體內部的分子就在不停地進行熱運動，就會不斷地產生電磁波，向外發(fā)出熱輻射。 同時，物體也不斷地吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射，并把吸收的輻射能重新轉變成熱能。 輻射換熱就是指物體之間相互輻射和吸收的總效果。 當物體與環(huán)境處于熱平衡時，其表面上的熱輻射仍在不停地進行，只是其輻射換熱量等于零。 熱輻射的特點 熱輻射具有一般輻射現(xiàn)象的共性。 例如，各種電磁波都以光速在空間傳播，這是電磁波輻射

3、的共性，熱輻射也不例外。 電磁波的速度、波長和頻率之間存在如下的關系： ：電磁波的傳播速度， ； ：頻率， ； ：波長，單位為 ，常用單位為 （微米），。fc cfm/s1smm電磁波的波譜 電磁波的波長范圍成為電磁波的波譜。 在整個波譜范圍內可以將電磁波進行命名。 插入波譜圖。 從理論上說，物體熱輻射的電磁波也可以包括整個波譜，即波長從零到無窮大。 熱射線的波長范圍 從理論上說，物體熱輻射的電磁波也可以包括整個波譜，即波長從零到無窮大。 然而，在工業(yè)上所遇到的溫度范圍內，即2000K以下，有實際意義的熱輻射波長位于0.38100之間，且大部分能量位于紅外線區(qū)段的0.7620范圍內，所以熱射線

4、人們的眼睛是看不見的。 如果我們把溫度的范圍擴大到太陽輻射。情況就會有變化。太陽的表面溫度大約微5800K，太陽輻射的主要能量集中在0.22的波長范圍，其中可見光區(qū)段占有很大的比重。紅外線的分類和應用 紅外線又有遠紅外和近紅外之分，大體上以25為限，波長在25以下的紅外線稱為近紅外線，25以上的稱為遠紅外線。 20世紀70年代初期發(fā)展起來的遠紅外加熱技術，就是利用遠紅外線來加熱物體的。 遠紅外線可穿過塑料、玻璃及陶瓷制品，但卻會被像水那樣的具有極性分子的物體所吸收，在物體內部產生熱源，從而使物體比較均勻的得到加熱。 各類食品中的主要成分是水，因而遠紅外加熱是一種比較理想的加熱手段。 物體對熱射

5、線的反應 當熱輻射的能量投射到物體表面上時，和可見光一樣，物體也會對熱輻射發(fā)生吸收、反射和穿透現(xiàn)象。 插入圖：物體對熱輻射的吸收、反射和穿透 根據(jù)能量守恒定律有 QQQQa1QQQQQQa幾個定義 吸收比： 反射比： 穿透比：QQ能量外界投入到該物體上的被物體吸收的輻射能QQ能量外界投入到該物體上的被物體反射的輻射能QQ能量外界投入到該物體上的穿過物體的輻射能不同物體對熱輻射的反應 對某一物體而言，當輻射能投入到其表面后，一定滿足 當物體為固體或液體時，滿足 當物體為氣體時，滿足1a1a1a幾種特殊表面的定義 絕對黑體：吸收比為1的物體稱為絕對黑體，簡稱黑體。 透熱體（透明體）：透射比為1的物

6、體稱為透熱體或透明體。 絕對白體：反射比為1的物體稱為絕對白體或者鏡體，當物體表面為漫反射表面時稱為絕對白體；當物體表面為鏡反射表面時稱為鏡體。人工黑體 盡管在自然界并不存在黑體，但用人工的方法可以制造出十分接近黑體的模型。 選用吸收比小于1的材料制造一個空腔，并在空腔壁面上開一個小孔,再設法使空腔壁面維持均勻的溫度，這時空腔上的小孔就具有黑體的特性。這種帶有小孔的溫度均勻的空腔就是一個黑體的模型。 小孔面積占空腔內壁總面積的份額越小，小孔的吸收比就越高。若小孔占內壁面積小于0.6，當內壁吸收比為0.6時，計算表明，小孔的吸收比可大于0.996。 演示：黑體模型 黑體在輻射換熱中的作用 黑體在

7、熱輻射分析中有其特殊的重要性。 下節(jié)的討論將表明：在相同溫度的物體中，黑體的輻射能力最大。 在研究黑體輻射的基礎上，我們處理其他物體輻射的思路是：把其他物體的輻射和黑體輻射相比較，從中找出其與黑體輻射的偏離，然后確定必要的修正系數(shù)，本章下面的討論將按照這一思路來進行。 第二節(jié) 黑體輻射的基本定律 本節(jié)著重介紹黑體輻射的三個基本定律，它們分別是：（1）表征黑體總輻射能力的斯蒂芬玻耳茲曼定律；（2）表征黑體在某一波長時輻射能力大小的普朗克定律；（3）表征黑體在某一方向上輻射能力大小的蘭貝克定律。 兩個基本概念 輻射力單位時間內物體的單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射出去的全部波長的輻射能的總量，稱為

8、物體的輻射力，輻射力用符號E表示，其單位為 。對于黑體，輻射力用 表示。輻射力從總體上表征了物體發(fā)射輻射能的本領。 光譜輻射力（單色輻射力）單位時間內物體的單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射出去的在包含 的單位波長范圍內的輻射能，稱為光譜輻射力，用符號 表示，其單位為 。黑體的光譜輻射力用 表示。 2W/mbEE3W/mbE 光譜輻射力與波長有關。即在同一溫度下，當波長不同時，其光譜輻射力不同； 光譜輻射力與溫度有關。即在同一波長下，當溫度不同時，其光譜輻射力不同,而且溫度越高，同樣條件下光譜輻射力越大； 每條曲線下的面積表示相應溫度下黑體的輻射力。 輻射力和光譜輻射力的關系 由上面的圖可以看出

9、，物體的輻射力和光譜輻射力之間存在著如下的關系 對于黑體，其關系為0EE d0bbEE d普朗克定律 普朗克定律揭示了黑體的輻射能力按波長分布的規(guī)律，說明了黑體的單色輻射力與波長和溫度的關系。根據(jù)量子理論可以得到普朗克定律的表達形式為 式中， 稱為第一輻射常數(shù) 稱為第二輻射常數(shù)1/512TcbecE2161mW10742. 3cKm104388. 122c對普朗克定律的解釋 普朗克定律說明的是黑體的光譜輻射力隨溫度和波長的變化關系。 當溫度一定時，黑體的光譜輻射力隨波長的增加，其變化為先增后減，有一個最大值。 該最大值對應的波長用 表示。 當溫度增加時，最大光譜輻射力所對應的波長逐漸變小，即向

10、短波方向移動。 溫度與 的關系可由維恩定律來表述。mm維恩定律 維恩定律表述的是最大光譜輻射力所對應的波長與溫度之間的關系。此關系為 說明，溫度與最大光譜輻射力所對應的波長成反比。所以，當溫度增加時，最大光譜輻射力所對應的波長變短，即向短波方向移動。所以維恩定律也稱為維恩位移定律。 該定律是通過普朗克定律對 求導數(shù)并令其為零而得到的。 Km102.9Km10897. 233Tmm維恩定律的應用 實際物體的光譜輻射力按波長分布的規(guī)律與普朗克定律是不同的，但定性上是一致的。 所以，我們可以應用維恩位移定律來解釋，對一個物體進行加熱時，為什么隨著加熱溫度的提高，被加熱物體會出現(xiàn)由暗紅、鮮紅、橘黃直至

11、白熾等顏色的變化。 金屬在不同的溫度下呈現(xiàn)的各種顏色，說明了隨著溫度的升高，熱輻射中可見光及可見光中短波的比例不斷增加。斯蒂芬玻爾茲曼定律 該定律表示的是黑體的輻射力與溫度之間的關系。 根據(jù)輻射力與光譜輻射力的定義，可以知道兩者之間有一定的關系，即 此關系說明，黑體的輻射力只與溫度有關，而且與溫度的四次方成正比，所以該定律也稱為四次方定律。 40/51012TdecdEETcbb對斯蒂芬玻爾茲曼定律的說明 該定律中的 稱為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)。 工程上為計算方便，常把上式改寫為 稱為黑體輻射系數(shù)。 428KmW/1067. 540100TCEb420KmW/67. 5C某一波段內輻射力的計算 如

12、計算黑體在 區(qū)段的輻射力，即21bEdEdEdEEbbbb122100TbbbbbTfTdTEdETdEdEF05040001121221210000401bbbbbbbFFdEdETdEdEF214bbFTE蘭貝特定律 該定律要表述的是物體發(fā)射的輻射能與方向之間有無關系？ 如有，是什么樣的關系？ 為了說明輻射能在空間不同方向上的分布規(guī)律，我們要引入一個新的概念立體角。 為了理解立體角的概念，先來復習平面角。 平面角的定義和計算 定義：以角端為圓心畫任意半徑的園，則任意段的弧長與半徑之比稱為該弧長所對用的平面角。 計算：根據(jù)定義可以計算平面角 平面角的單位是 rad（弧度）rs立體角的定義和計

13、算 定義：以立體角的角端為中心畫一個任意半徑的半球，在半球表面上任意一塊面積與半徑平方之比，稱為該面積對應的立體角，簡稱立體角。 計算： ddrdrrdrdAdcsinsin22不同方向輻射能的定義 物體單位面積、單位時間、單位立體角沿法線方向輻射的能量； 物體單位面積、單位時間、單位立體角沿方向輻射的能量。 則根據(jù)實驗觀察，可以發(fā)現(xiàn)，物體法線方向輻射出去的能量最多，而隨著離開法線方向角度的增加，輻射能逐漸減小，到平面的切線方向時，輻射能量為零。 所以不同方向輻射能具有如下的關系nEEsrmW/cos2nEE蘭貝特定律的表達式 上述這種表示漫射表面的輻射能按不同方向的分布規(guī)律，稱為蘭貝特定律，

14、或稱為余玄定律。由該定律可知，物體向各個方向發(fā)射的輻射能是不同的，法線方向最大，而切線方向最小。 蘭貝特定律的表達式為srmW/cos2nEE各個方向輻射能不同的原因 為什么各個方向的輻射能分布不同呢？ 這主要是因為發(fā)射輻射能的物體面積 在半球空間各個方向上的投影面積 不同，或者說可見輻射面積不同而造成的。 對于輻射面積 ，其在各個方向的投影面積 兩者的關系可表述為：dAdAdAdAcosdAdAdAdA方向的可見輻射面積其在射面積其在法線方向的可見輻不同方向定向輻射強度的定義 定向輻射強度的定義：單位時間、單位可見輻射面積、單位立體角內的輻射能稱為定向輻射強度，并記為 法線方向的定向輻射強度

15、:單位時間、單位可見輻射面積、單位立體角內法線方向的輻射能稱為法線方向定向輻射強度，并記為 方向的定向輻射強度 ：單位時間、單位可見輻射面積、單位立體角內 方向的輻射能稱為方向的定向輻射強度，并記為srmW/2L nL L不同方向定向輻射強度的關系 根據(jù)定向輻射強度的定義，有 上面的分析表明，對于黑體輻射而言，在半球空間上物體的定向輻射強度與方向無關，且各個方向的定向輻射強度都相等，即 nnnEdAdAEdAdAEnL nnEdAdAEdAdAELcoscos 常數(shù)LLnL蘭貝特定律的另一種表述 將定向輻射強度與方向無關的規(guī)律也稱為蘭貝特定律。 蘭貝特定律有兩種表述形式。 以發(fā)射輻射能的物體面

16、積作為計算依據(jù)時，物體向各個不同方向發(fā)射的輻射能是不同的，法線方向最大，切線方向最小，遵從蘭貝特定律。 當以可見輻射面積作為計算依據(jù)時，由于物體發(fā)射輻射能的面積在各個不同方向的可見面積不同，因此，當把這個因素考慮進去后，各個方向的定向輻射強度應該相等。服從蘭貝特定律。定向輻射強度與輻射力之間的關系 假設有一個漫射表面 ，其單位時間向外某一個方向發(fā)射的輻射能為 。則根據(jù)定向輻射強度的定義，有 再根據(jù)輻射力的定義，有dAdQdLdAdLdAdQcosLLddLddLdLdAdLdAdAdQEb2/02202/02222sin212cossinsincoscoscos關系黑體輻射的總結 黑體輻射的輻

17、射力由斯蒂芬玻爾茲曼定律來確定，即黑體的輻射力只與溫度有關，而且與溫度的四次方成正比，其比例系數(shù)即為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)； 黑體輻射能量按波長分布服從普朗特定律； 黑體輻射能量按空間分布服從蘭貝特定律； 黑體的光譜輻射力有一個峰值，與此峰值相對應的波長 由維恩定律確定，即隨著溫度的升高，峰值所對應的波長向短波方向移動。 m第三節(jié) 實際固體和液體的輻射特性 在這一節(jié)里，我們將把實際物體的輻射特性與黑體相比較，從輻射總能量按波長和方向分布的規(guī)律出發(fā)，分別引出發(fā)射率、光譜發(fā)射率及定向發(fā)射率的概念。 實際物體光譜輻射力的特征 實際物體的光譜輻射力往往隨波長作不規(guī)則的變化 。 實際物體的輻射力就等于光譜輻

18、射力曲線與橫坐標軸圍成的面積。 實際物體的輻射力小于同溫度下黑體的輻射力。實際物體的發(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比稱為實際物體的發(fā)射率，習慣上稱為黑度，記為 40TdEEEbb實際物體的光譜發(fā)射率 定義：物體某一特定波長下的光譜輻射力與同溫度、同波長條件下黑體的光譜輻射力之比，稱為物體的光譜發(fā)射率，記為 光譜輻射力有時也稱為單色黑度。 bEE實際物體輻射力的計算 當已知實際物體的黑度時，其輻射力可按下面的公式計算 實驗結果發(fā)現(xiàn)，實際物體的輻射力并不嚴格地同熱力學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)律來計算，在實用上很不方便。所以，在工程計算中仍認為一切實

19、際物體的輻射力都與熱力學溫度的四次方成正比，而把由此引起的修正包括到用實驗方法確定的發(fā)射率中去。由于這個原因，發(fā)射率還與溫度有依賴關系。404100TCTEEb Tf實際物體的定向發(fā)射率 定義：實際物體在某方向的輻射強度與同溫度、同方向黑體的輻射強度之比，稱為實際物體的定向發(fā)射率，記為 定向發(fā)射率也被稱為定向黑度。 實際物體的輻射不符合蘭貝特定律，即實際物體的定向輻射強度在各個方向是不同的。 bbLLLL金屬導體定向黑度的特點 在表面的法線方向附近，定向黑度較??； 從法線方向開始，在一定的角度內，定向黑度都比較小，且保持不變； 到達一定的角度之后，隨著角度的增加，定向黑度也急劇地增加； 在接近

20、表面切線方向附近的極小角度內，定向黑度又有減小。非導體材料的定向黑度與方向的關系非導電體材料定向黑度的特點 從法線方向開始，在一定的角度內，定向黑度較大，且保持不變； 當角度大于一定的角度之后，隨著角度的增加，定向黑度明顯地減小，直到表面切線方向時，減為零。 所以對金屬輻射而言，角度較大時輻射的能量較多；而角度較小時輻射的能量相對較少。 對于非導體材料，角度較小時輻射的能量較多；而角度較大時輻射的能量較少；實際物體的平均黑度與定向黑度的關系 盡管實際物體的定向發(fā)射率有上述變化，但并不顯著地影響在半球空間的平均值。大量實驗表明，物體的半球平均發(fā)射率與法向發(fā)射率的比值，對于高度拋光的金屬表面約為1

21、.20，對其他具有光滑表面的物體約為0.95，對粗糙表面的物體約為0.98。因此往往不考慮的變化細節(jié)，而近似地認為大多數(shù)工程材料也服從蘭貝特定律。我們稱服從蘭貝特定律的表面為漫射表面。黑度可認為是物性參數(shù) 實際物體的發(fā)射率只取決于物體的種類、物體的表面溫度及其物體的表面狀況，而與外界無關，這說明物體的發(fā)射率只與自身的性能有關，因此可以被認為是物性參數(shù)。影響物體發(fā)射率的主要因素 物質的種類。 例如，常溫下白色大理石的發(fā)射率為0.95，而鍍鋅鐵皮的發(fā)射率只有0.23。 物質的表面溫度 。例如，嚴重氧化的鋁表面50時其發(fā)射率為0.2，而500時為0.3。 物體的表面狀況。例如，在常溫下無光澤黃銅的發(fā)

22、射率為0.22，而磨光后黃銅的發(fā)射率是0.05。說明，同一材料，高度磨光表面的發(fā)射率很小，而粗糙表面和受氧化作用后的表面發(fā)射率常常為磨光表面的數(shù)倍。 第四節(jié) 實際物體的吸收比與基爾霍夫定律 本節(jié)主要介紹實際物體的吸收特性以及吸收特性與發(fā)射特性的關系。 在吸收特性中主要研究其主要影響因素及在特定條件下的計算。 介紹灰體的概念。 介紹物體的吸收比與發(fā)射率之間的關系，即基爾霍夫定律。 給出基爾霍夫定律的適用條件。相關概念 投入輻射：單位時間內從外界輻射到單位表面積上的總輻射能稱為投入輻射。 選擇性吸收 ：對外界來的不同波長的投入輻射，其吸收比不同，這種性質被稱為選擇性吸收。 吸收比：物體對投入輻射所

23、吸收的百分數(shù)稱為吸收比。 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)稱為光譜吸收比，也稱為單色吸收比。實際物體的吸收比 定義：物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)稱為吸收比，通常用 表示。 ）投入的能量（投入輻射吸收的能量實際物體的光譜吸收比 定義：物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分數(shù)稱為光譜吸收比，也稱為單色吸收比，用符號 表示。 GG,投入的某一波長的能量吸收的某一波長的能量實際物體吸收比的特點 實際物體的吸收比取決于兩方面的因素： 吸收物體本身的情況：所謂物體本身的情況，是指物體的種類、物體的溫度及物體的表面狀況等。 發(fā)射輻射能的物體的情況：包括發(fā)射物體的種類、溫度和表面狀況等。

24、由此可見，物體的吸收比比起發(fā)射率來要更加復雜。金屬導體的光譜吸收比與波長的關系非導體材料光譜吸收比與波長的關系選擇性吸收 物體的光譜吸收比隨波長而變化的特性稱為物體的吸收具有選擇性。 在工農業(yè)生產中常常利用這種選擇性來達到一定的目的。如：（1）暖房（2）有色眼鏡（3）不同的顏色等暖房原理 暖房是用玻璃或塑料制成的。當太陽光照射到玻璃上時，由于玻璃對波長小于 的輻射能吸收比很小，從而使大部分太陽能可以進入暖房。但暖房中的植物由于溫度較低，其輻射能絕大部分位于波長大于 的紅外范圍內，而玻璃對于波長大于 的輻射能的吸收比很大，從而阻止了輻射能向暖房外的散失。這樣對暖房而言，進入的熱量多于出去的熱量，

25、所以暖房內的溫度較室外的溫度要高，所以稱之為暖房。m2 . 2m3m3為什么會有各種不同的顏色 世上萬物呈現(xiàn)不同顏色的主要原因也在于物體選擇性的吸收與輻射。當陽光照射到一個物體表面上時，如果該物體能夠幾乎全部吸收各種可見光，它就呈現(xiàn)黑色；如果幾乎全部反射可見光，它就呈白色；如果幾乎均勻地吸收各種可見光并均勻地反射各種可見光，它就呈灰色；如果只反射了一種波長的可見光而幾乎全部吸收了其他可見光，則它就呈現(xiàn)被反射的這種可見光的顏色。 實際物體吸收比的計算 要計算1物體的吸收比，假設2為投射物體，則 的性質的性質，表面表面21,210220221020211TTfdTETdTETTdTGdTGTbb對

26、黑體投入輻射的吸收比 如果投入輻射來自黑體，則物體的吸收比可以表示成 此時，只要知道物體的光譜吸收比與溫度的關系，則可求得物體的吸收比。 的性質表面1,2142021020211TTfTdTETdTEdTETbbb物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關系光譜吸收比與波長無關 根據(jù)吸收比的計算式，可以得到下面的計算結果 常數(shù)10202102202211,TdETdETTdTETdTETTbbbb灰體 定義：我們將光譜吸收比與波長無關的物體稱為灰體。所以對于灰體其吸收比為常數(shù)。 像黑體一樣，灰體也是一種理想物體。工業(yè)上通常遇到的熱輻射，其主要波長大多位于紅外范圍內，在此范圍內大多數(shù)工程材料當作灰體來

27、處理所引起的誤差是可以被允許的，而這種簡化處理卻給輻射換熱計算帶來了極大的方便。實際物體吸收比的確定 由于實際物體的吸收比遠比發(fā)射率要復雜，所以無論是用計算的方法還是實驗的方法都比較難于直接獲得。 那么，實際物體的吸收比與發(fā)射率之間有無關系呢？如果能夠找到實際物體的吸收比與發(fā)射率之間的關系，那么就可以通過計算物體的發(fā)射率來確定其吸收比。 基爾霍夫定律揭示了實際物體的發(fā)射率與吸收比之間的關系?；鶢柣舴蚨?假設有兩個表面彼此靠得很近，以至于每個表面輻射出去能量可以全部落到另一個表面上。設兩個表面的溫度分別為 ，面積為 ，并且 現(xiàn)在，假設表面1是任意表面，表面2是黑體表面，則任意表面1的凈輻射換熱

28、量為 假設兩個表面處于熱平衡狀態(tài)，則 21TT、21AA、AAA21bEEqbEE0bEE基爾霍夫定律的表達式 將上面的關系式推廣，有 根據(jù)黑度的定義，有 比較上面兩式 ，可以得到bEEEE 2211bEE基爾霍夫定律成立的條件 基爾霍夫定律成立的條件即為推到基爾霍夫定律時用到的條件。 有兩個條件：（1）輻射物體與吸收物體處于熱平衡狀態(tài)，即具有相同的溫度 ；（2）發(fā)射物體必須為黑體 。實際計算中基爾霍夫定律的適用條件 將灰體表面與黑體表面組成封閉的輻射系統(tǒng)。當兩表面處于熱平衡時，對灰體表面而言，其一定滿足基爾霍夫定律，即 改變灰體的環(huán)境，將黑體換成不同溫度的任意物體，但使灰體仍然保持原來的溫度。在此新環(huán)境下，對于灰體表面有 新環(huán)境條件下，灰體的吸收比為 所以，在新的輻射系統(tǒng)中，有 或者寫成 TT TT TT TT重要的結論 上面的關系式說明，對于灰體表面不論投入輻射是否來