第8章熱輻射的基本定律

1、2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 導(dǎo)熱數(shù)值解基礎(chǔ)導(dǎo)熱數(shù)值解基礎(chǔ) v導(dǎo)熱問(wèn)題的求解目標(biāo)和思路：導(dǎo)熱問(wèn)題的求解目標(biāo)和思路： 問(wèn)題分析問(wèn)題分析建立物理模型建立物理模型建立數(shù)建立數(shù)學(xué)模型學(xué)模型求解求解v主要任務(wù)：主要任務(wù)： 求解溫度場(chǎng)和熱流場(chǎng)求解溫度場(chǎng)和熱流場(chǎng) 2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：對(duì)流換熱分析（分析法、類比法、實(shí)驗(yàn)法）對(duì)流換熱分析（分析法、類比法、實(shí)驗(yàn)法）單相流體對(duì)流換熱單相流體對(duì)流換熱凝結(jié)與沸騰換熱凝結(jié)與沸騰換熱v基本定律：基本定律： 牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律v主要任務(wù)：主要任務(wù)： 求解表面換熱系數(shù)求

2、解表面換熱系數(shù)h h及換熱量及換熱量v重點(diǎn)：準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的應(yīng)用重點(diǎn)：準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的應(yīng)用2021-11-4傳熱學(xué) 李瓊3 2021-11-4李瓊傳熱學(xué)2021-11-4李瓊傳熱學(xué)2021-11-4李瓊傳熱學(xué)2021-11-4李瓊傳熱學(xué)太陽(yáng)能的利用主要有兩大方向：轉(zhuǎn)化為熱能和轉(zhuǎn)太陽(yáng)能的利用主要有兩大方向：轉(zhuǎn)化為熱能和轉(zhuǎn)化為電能。化為電能。2021-11-4李瓊傳熱學(xué)2021-11-4李瓊傳熱學(xué)輻射干燥機(jī)輻射干燥機(jī)2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v機(jī)理上本質(zhì)不同：機(jī)理上本質(zhì)不同：在導(dǎo)熱與對(duì)流過(guò)程中，能量傳遞依靠介質(zhì)微觀在導(dǎo)熱與對(duì)流過(guò)程中，能量傳遞依靠介質(zhì)微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)和宏觀運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)；粒子熱運(yùn)動(dòng)和宏觀運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

3、；熱輻射中，能量的傳遞依靠電磁波傳遞實(shí)現(xiàn)，熱輻射中，能量的傳遞依靠電磁波傳遞實(shí)現(xiàn)，并伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化；并伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化；v研究方法不同：研究方法不同： 電磁輻射的物理基礎(chǔ)電磁輻射的物理基礎(chǔ)熱輻射的基本定熱輻射的基本定律律理想物體和實(shí)際物體的輻射特性理想物體和實(shí)際物體的輻射特性物物體間輻射換熱量計(jì)算體間輻射換熱量計(jì)算2021-11-4李瓊傳熱學(xué)fc1 1、定義和本質(zhì)：、定義和本質(zhì)：輻射：以電磁波傳遞能量的過(guò)程。輻射：以電磁波傳遞能量的過(guò)程。熱輻射：由于自身溫度或熱的原因而發(fā)生的電磁波熱輻射：由于自身溫度或熱的原因而發(fā)生的電磁波傳遞。傳遞。 熱輻射是電磁波，它就由一般電磁波的共性，即熱輻

4、射是電磁波，它就由一般電磁波的共性，即它是以光速在空間傳播的。有下列關(guān)系成立：它是以光速在空間傳播的。有下列關(guān)系成立：hfe2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v式中：式中： 在真空中在真空中c=3.0c=3.010108 8m/s;h=6.63m/s;h=6.631010-34-34JsJsv不同波長(zhǎng)、不同頻率的電磁波具有不同的能量；不同波長(zhǎng)、不同頻率的電磁波具有不同的能量；v輻射能即電磁波或光子所運(yùn)載的能量；輻射能即電磁波或光子所運(yùn)載的能量；v波粒二重性波粒二重性（電磁波理論和量子理論）；（電磁波理論和量子理論）；v研究方法：研究方法：以量子理論為基礎(chǔ)的微觀方法（主要用于解釋物以量子理論為基礎(chǔ)的微

5、觀方法（主要用于解釋物體的發(fā)射與吸收特性）；體的發(fā)射與吸收特性）；以能量守恒為基礎(chǔ)的宏觀方法（主要用于輻射換以能量守恒為基礎(chǔ)的宏觀方法（主要用于輻射換熱計(jì)算）。熱計(jì)算）。fchfe 2021-11-4李瓊傳熱學(xué)2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v熱輻射的主要波譜：熱輻射的主要波譜：0.10.1100m100m 熱效應(yīng)顯著，稱為熱射線，包括可見(jiàn)光線、部熱效應(yīng)顯著，稱為熱射線，包括可見(jiàn)光線、部分紅外和紫外線；分紅外和紫外線；v可見(jiàn)光：可見(jiàn)光：0.380.380.76m0.76mv紫外、倫琴射線：紫外、倫琴射線：0.38m0.38mv紅外線：紅外線：0.760.76100m100mv地球上大部分物體地球上

6、大部分物體2000K2000K，大部分能量在，大部分能量在0.760.7620m20m，可見(jiàn)光段內(nèi)熱輻射比重不大；，可見(jiàn)光段內(nèi)熱輻射比重不大；v太陽(yáng)：太陽(yáng)：5762K5762K，主要能量集中在，主要能量集中在0.20.22m2m，可，可見(jiàn)光段內(nèi)熱輻射很大比重。見(jiàn)光段內(nèi)熱輻射很大比重。2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v不不依賴物體的接觸而進(jìn)行熱量傳遞，可以依賴物體的接觸而進(jìn)行熱量傳遞，可以在真空中傳播；在真空中傳播；v伴隨能量形式的兩次轉(zhuǎn)變：伴隨能量形式的兩次轉(zhuǎn)變：發(fā)射：內(nèi)能發(fā)射：內(nèi)能電磁波電磁波吸收：電磁波吸收：電磁波內(nèi)能內(nèi)能v任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 K0 K，就會(huì)不停地，

7、就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；向周圍空間發(fā)出熱輻射；2021-11-4李瓊傳熱學(xué)2021-11-4李瓊傳熱學(xué)當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖所示。反射和穿透，如圖所示。11GGGGGGGGGG 2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v稱為物體的吸收比，表示投射的總能量中被稱為物體的吸收比，表示投射的總能量中被吸收的能量所占份額；吸收的能量所占份額；v稱為物體的反射比，表示被反射的能量所占稱為物體的反射比，表示被反射的能量所占份額；份額；v 稱為物體的穿透比，表示被透射的能量所稱為物體的穿透比，表示被透射的能

8、量所占份額；占份額；v如果投射能量是某一波長(zhǎng)下的輻射能，上述關(guān)如果投射能量是某一波長(zhǎng)下的輻射能，上述關(guān)系同樣適用；系同樣適用；v、 、 是物體表面的輻射特性，和物體是物體表面的輻射特性，和物體的性質(zhì)、溫度及表面狀況有關(guān)。的性質(zhì)、溫度及表面狀況有關(guān)。2021-11-4李瓊傳熱學(xué)對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：1, 01,0對(duì)于純氣體（不含顆粒）：對(duì)于純氣體（不含顆粒）：2021-11-4李瓊傳熱學(xué)反射又分鏡反射和漫反射兩種：反射又分鏡反射和漫反射兩種：鏡反射鏡反射漫反射漫反射鏡面反射：入射角鏡面反射：入射角= =反射角，表面粗糙度反射角，表面粗糙度 波長(zhǎng)波長(zhǎng)2021-11-4李瓊

9、傳熱學(xué)鏡體或白體：鏡體或白體：透明體：透明體：111黑體：黑體：v 黑體不是黑色物體；黑體不是黑色物體；v 黑體，鏡體和透明體并不存在。黑體，鏡體和透明體并不存在。人工可以制造十分接近黑體人工可以制造十分接近黑體( (內(nèi)表內(nèi)表面面6%6%的小孔，的小孔，0.996)0.996)的模型。的模型。v 黑體如同不可壓流體、可逆循環(huán)黑體如同不可壓流體、可逆循環(huán)等一樣，是一種理想化的研究方等一樣，是一種理想化的研究方法。法。2 2、理想輻射模型：、理想輻射模型：v鏡反射和漫反射。一般工程材料均形成鏡反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。漫反射。v物體的顏色。關(guān)鍵在于是物體本身發(fā)射物體的顏色。關(guān)鍵在于是

10、物體本身發(fā)射可見(jiàn)光還是物體反射可見(jiàn)光?？梢?jiàn)光還是物體反射可見(jiàn)光。v理想輻射模型均是對(duì)全波長(zhǎng)而言的。理想輻射模型均是對(duì)全波長(zhǎng)而言的。2021-11-4李瓊傳熱學(xué)2021-11-4李瓊傳熱學(xué)1 1、 立體角立體角 平面角如圖，平面角如圖，s s為弧長(zhǎng)，為弧長(zhǎng)，r r為半徑。為半徑。 =s/r =s/r （radrad） 立體角如圖，一個(gè)半球，在球面上取一個(gè)小面立體角如圖，一個(gè)半球，在球面上取一個(gè)小面積，在這個(gè)面積周邊向球心做射線，則這些射線所積，在這個(gè)面積周邊向球心做射線，則這些射線所包圍的空間即為立體角。立體角的度量用球面度。包圍的空間即為立體角。立體角的度量用球面度。rs 平面角定義圖平面角定

11、義圖2021-11-4李瓊傳熱學(xué)如圖，在半球上割下一塊微元面積如圖，在半球上割下一塊微元面積dAdA2 2，則，則dAdA2 2對(duì)應(yīng)的立體角為微元立體對(duì)應(yīng)的立體角為微元立體角角為清楚起見(jiàn)，將這個(gè)立體角放大，為清楚起見(jiàn)，將這個(gè)立體角放大， sr)(22rA rad)(rrrssr)(222222 rrrA22rdAd 即：即：半圓：半圓：半球：半球： ddrdrrddAsinsin22 ddrdAdsin22 2021-11-4李瓊傳熱學(xué)目的：輻射能按方向分布目的：輻射能按方向分布比較基礎(chǔ)：相同的立體角比較基礎(chǔ)：相同的立體角 相同的可見(jiàn)表面積相同的可見(jiàn)表面積 定義：定義：在某給定輻射方向上，單位

12、時(shí)間、在某給定輻射方向上，單位時(shí)間、單位可見(jiàn)單位可見(jiàn)輻射面積輻射面積、單位立體角內(nèi)所發(fā)射全部波長(zhǎng)的能量。用、單位立體角內(nèi)所發(fā)射全部波長(zhǎng)的能量。用I I表示，單位：表示，單位： W/(mW/(m2 2Sr)Sr)srW/(mcos),(),(I2ddAdddAd cosdAdA 為可見(jiàn)輻射面積。為可見(jiàn)輻射面積。 其中：其中：2 2、定向輻射強(qiáng)度、定向輻射強(qiáng)度( (Intensity of radiationIntensity of radiation) ) ： 2021-11-4李瓊傳熱學(xué)可見(jiàn)輻射面積的重要性可見(jiàn)輻射面積的重要性2021-11-4李瓊傳熱學(xué)光譜定向輻射強(qiáng)度：光譜定向輻射強(qiáng)度：指在

13、某給定方向上，單位時(shí)間、單位可見(jiàn)輻射面積，指在某給定方向上，單位時(shí)間、單位可見(jiàn)輻射面積，在波長(zhǎng)在波長(zhǎng)附近的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)、單位立體角所發(fā)射附近的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)、單位立體角所發(fā)射的能量，稱為光譜定向輻射強(qiáng)度（單色定向輻射強(qiáng)度）的能量，稱為光譜定向輻射強(qiáng)度（單色定向輻射強(qiáng)度），符號(hào)為，符號(hào)為I I，單位為單位為W/(mW/(m2 2m Sr )m Sr )。0,dIIddII2021-11-4李瓊傳熱學(xué)3 3、輻射力、輻射力定向輻射力定向輻射力E E：在某給定方向上，：在某給定方向上，單位輻射面積單位輻射面積、在單位立體角內(nèi)所發(fā)射全波長(zhǎng)的能量，稱為定向輻在單位立體角內(nèi)所發(fā)射全波長(zhǎng)的能量，稱為定向輻

14、射力，符號(hào)為射力，符號(hào)為E E，單位為，單位為W/(mW/(m2 2sr)sr)。dAddE),(cosIE nnIE 時(shí)，法線方向o0 2021-11-4李瓊傳熱學(xué)輻射力輻射力E E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球單位時(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和?？臻g發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。 (W/m(W/m2 2) )；dEE0光譜輻射力光譜輻射力E E： 22cos dIEddEEdEE或光譜定向輻射力光譜定向輻射力E E，： 20,ddEE2021-11-4李瓊傳熱學(xué)黑體：黑體：是指能吸收投入到其是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物面上的所有熱輻射能的物體，是一

15、種科學(xué)假想的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。但卻可以人工制造出的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。近似的人工黑體。 黑體模型黑體模型2021-11-4李瓊傳熱學(xué)1)(512TcbecE式中：式中： 波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，m m ；T T 黑體溫度，黑體溫度，K K ；c c1 1 第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2；c c2 2 第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.4391.4391010-2-2 W W K K； Planck 定律的圖示定律的圖示2021-11-4李瓊傳熱學(xué)KmTm 6 .2897vPlan

16、ckPlanck定律揭示了黑體輻射光譜的變化規(guī)定律揭示了黑體輻射光譜的變化規(guī)律；律；v在某一波長(zhǎng)上，黑體光譜輻射力會(huì)達(dá)到一在某一波長(zhǎng)上，黑體光譜輻射力會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng)；個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng)；v曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積表示黑體輻射力曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積表示黑體輻射力的大小；的大小；vmm與與T T 的關(guān)系由的關(guān)系由WienWien位移定律給出：位移定律給出：2021-11-4李瓊傳熱學(xué)式中，式中，b b= 5.67= 5.671010-8-8 w/(m w/(m2 2 K K4 4) )，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常數(shù)。常數(shù)

17、。24 W/mTbv針對(duì)黑體發(fā)射的能量對(duì)半球空間所有方針對(duì)黑體發(fā)射的能量對(duì)半球空間所有方向及全部波長(zhǎng)范圍而言；向及全部波長(zhǎng)范圍而言；v描述黑體輻射力描述黑體輻射力E Eb b隨隨T T的變化規(guī)律；的變化規(guī)律；v依據(jù)：依據(jù)：18791879年，年，StefanStefan實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)； 18841884年，年，BoltzmannBoltzmann熱力學(xué)理論；熱力學(xué)理論； 現(xiàn)可直接由現(xiàn)可直接由PlankPlank定律導(dǎo)出。定律導(dǎo)出。2021-11-4李瓊傳熱學(xué) 21 dEEbb黑體在波長(zhǎng)黑體在波長(zhǎng)11和和22區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力，如區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力，如圖所示：圖所示：特定波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力特

18、定波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力2021-11-4李瓊傳熱學(xué)黑體輻射函數(shù)：黑體在黑體輻射函數(shù)：黑體在0 0波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能在其輻射力中所占的份額。在其輻射力中所占的份額。)(104b00)T0(TfdETdEdEFbbbb 例例8-2；8-3)F(FEET)b(T)b(b)b(122100 某一波段內(nèi)輻射能份額：某一波段內(nèi)輻射能份額：2021-11-4李瓊傳熱學(xué)試分別計(jì)算溫度為試分別計(jì)算溫度為1000K1000K、1400K1400K、3000K3000K、6000K6000K時(shí)時(shí)可見(jiàn)光和紅外輻射在黑體總輻射中所占的份額可見(jiàn)光和紅外輻射在黑體總輻射中所占的份額。所 占 分 額溫 度

19、K可 見(jiàn) 光紅 外 線100014003000600099.999.8888.543.0輻射與顏色的關(guān)系：輻射與顏色的關(guān)系： 夏天穿白色衣服涼快，因?yàn)槲覀兾盏氖翘?yáng)夏天穿白色衣服涼快，因?yàn)槲覀兾盏氖翘?yáng)輻射輻射(0.2-2 (0.2-2 例題：例題：2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v描述黑體輻射能量沿半球空間方向的變化規(guī)律；描述黑體輻射能量沿半球空間方向的變化規(guī)律；v漫表面：既是漫輻射又是漫反射。漫表面：既是漫輻射又是漫反射。漫輻射：物體發(fā)射的輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)的性漫輻射：物體發(fā)射的輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)的性質(zhì)；質(zhì)；漫反射：反射的輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)的性質(zhì)；漫反射：反射的輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)的性質(zhì)；漫

20、表面的性質(zhì)：發(fā)射和反射輻射強(qiáng)度與方向無(wú)漫表面的性質(zhì)：發(fā)射和反射輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)；關(guān)；vLambert Lambert 定律：定律：nIKII212021-11-4李瓊傳熱學(xué)表明：表明：v單位輻射面積上發(fā)出的輻射能落到空間不同單位輻射面積上發(fā)出的輻射能落到空間不同方向單位立體角內(nèi)的能量是不等的，其值正方向單位立體角內(nèi)的能量是不等的，其值正比于該方向與輻射面法線夾角的余弦；比于該方向與輻射面法線夾角的余弦；v法線方向的定向輻射力最大，切線方向最小，法線方向的定向輻射力最大，切線方向最小，但其定向輻射強(qiáng)度卻相同；但其定向輻射強(qiáng)度卻相同；v除黑體外，只有漫輻射表面才遵守蘭貝特定除黑體外，只有漫輻射表

21、面才遵守蘭貝特定律。律。EIIEnncoscoscos 2021-11-4李瓊傳熱學(xué)漫輻射表面的輻射力是任意方向定向輻射強(qiáng)度的漫輻射表面的輻射力是任意方向定向輻射強(qiáng)度的倍。倍。該定律描述了黑體及漫輻射表面定向輻射力按空間該定律描述了黑體及漫輻射表面定向輻射力按空間方向的分布變化規(guī)律。方向的分布變化規(guī)律。2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v暖氣取暖時(shí)與方向有關(guān)，太陽(yáng)輻射與方向暖氣取暖時(shí)與方向有關(guān)，太陽(yáng)輻射與方向有關(guān)，是否與有關(guān)，是否與LambertLamberts Law s Law 相矛盾？（黑相矛盾？（黑體在任何方向上的定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)體在任何方向上的定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)）關(guān)） 答：將定向輻

22、射強(qiáng)度定義變形得輻射能：答：將定向輻射強(qiáng)度定義變形得輻射能： 人與暖氣的距離不變時(shí)，人與暖氣的距離不變時(shí)，d=constd=const，dA=constdA=const，I=constI=const，角度不同，角度不同，coscos不同，當(dāng)不同，當(dāng)=0=0時(shí)，輻射面獲得的能量最多。時(shí)，輻射面獲得的能量最多。故故I I與方向無(wú)關(guān)，而與方向無(wú)關(guān)，而dd（）與方向有關(guān)。）與方向有關(guān)。cos)(dAdId2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v思路分析：思路分析：A A1 1AA2 2輻射，求投入輻射能。輻射，求投入輻射能。 cos)(1AIGbEI4TEbb22lA0求得求得G A1A2l2021-11-4李

23、瓊傳熱學(xué)A1A2xld偏移偏移x距離距離 1cos5 . 0AIGG222cosxlAcos)(22xll22222122221)(cosxllAAIxlAAIGx=0.19m 2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v黑體輻射力黑體輻射力E Eb b由四次方定律確定由四次方定律確定，v黑體輻射能量按波長(zhǎng)分布服從黑體輻射能量按波長(zhǎng)分布服從, ,按空間方向分布則服從按空間方向分布則服從v黑體的光譜輻射力黑體的光譜輻射力E Ebb有峰值，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)有峰值，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)maxmax由由確定。隨溫度確定。隨溫度T T升高升高,maxmax向短波移動(dòng)。向短波移動(dòng)。24 W/mTEbb 2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v輻

24、射特性：漫射體性質(zhì)輻射特性：漫射體性質(zhì)向半球空間各個(gè)方向發(fā)射的輻射強(qiáng)度是向半球空間各個(gè)方向發(fā)射的輻射強(qiáng)度是均勻的；輻射能隨均勻的；輻射能隨coscos變化；變化；在規(guī)定的溫度下，黑體發(fā)射的輻射能按在規(guī)定的溫度下，黑體發(fā)射的輻射能按波長(zhǎng)分布不均勻；波長(zhǎng)分布不均勻；和其他任何物體比較，以黑體發(fā)射的輻和其他任何物體比較，以黑體發(fā)射的輻射能最多；射能最多；v吸收特性吸收特性吸收率：表示物體吸收投射輻射的能力吸收率：表示物體吸收投射輻射的能力黑體黑體1 11 bbbb2021-11-4李瓊傳熱學(xué)1 1、 發(fā)射率發(fā)射率v前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射

25、熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長(zhǎng)；射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長(zhǎng)；v真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；v因此，定義了發(fā)射率因此，定義了發(fā)射率 ( (也稱為黑度也稱為黑度) ) ：相同溫：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比射力之比: :4TEEEb 2021-11-4李瓊傳熱學(xué)上面公式只是針對(duì)方向和波長(zhǎng)平均的情況，但實(shí)際上面公式只是針對(duì)方向和波長(zhǎng)平均的情況，但實(shí)際上，真實(shí)表面的發(fā)射能力是隨方向和波長(zhǎng)變化的。上，真實(shí)表面的發(fā)射能力是隨方向和波長(zhǎng)變化的。Wavelen

26、gthDirection (angle from the surface normal)2021-11-4李瓊傳熱學(xué)因此，我們需要定義因此，我們需要定義光譜定向發(fā)射率光譜定向發(fā)射率，對(duì)于某一指，對(duì)于某一指定的方向定的方向( ( , , ) ) 和波長(zhǎng)和波長(zhǎng) ,b , ,EE bb ,EE dE dE 0,0對(duì)上面公式在所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分，可得到方向總對(duì)上面公式在所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分，可得到方向總發(fā)射率，即發(fā)射率，即實(shí)際物體的實(shí)際物體的定向發(fā)射率定向發(fā)射率：2021-11-4李瓊傳熱學(xué) b EE 對(duì)于指定波長(zhǎng)，而在方向上對(duì)于指定波長(zhǎng)，而在方向上平均的情況，則定義了半球平均的情況，則定義了半球光譜光

27、譜發(fā)射率發(fā)射率，即，即實(shí)際物體的實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比射力之比E如果已知某物體的發(fā)射率如果已知某物體的發(fā)射率，則該物體的輻射力，則該物體的輻射力為：為：4100 TEEbb2021-11-4李瓊傳熱學(xué)漫發(fā)射漫發(fā)射的概念：表面的定向發(fā)射率的概念：表面的定向發(fā)射率 與方向無(wú)與方向無(wú)關(guān)，即定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，滿足上訴規(guī)律關(guān)，即定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面，這是對(duì)大多數(shù)實(shí)際表面的的表面稱為漫發(fā)射面，這是對(duì)大多數(shù)實(shí)際表面的一種很好的近似。一種很好的近似。幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率 (

28、( )(t=150)(t=150)2021-11-4李瓊傳熱學(xué)幾種非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率幾種非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率 (t=093.3)(t=093.3)2021-11-4李瓊傳熱學(xué)但從圖中可以看出，金屬在但從圖中可以看出，金屬在=0-400-40o o、非金屬在、非金屬在=0-60=0-60o o的單色的單色發(fā)射率基本為常數(shù)，所以較為粗發(fā)射率基本為常數(shù)，所以較為粗糙的實(shí)際物體表面可作為漫射表糙的實(shí)際物體表面可作為漫射表面處理，但其發(fā)射率應(yīng)做如下修面處理，但其發(fā)射率應(yīng)做如下修正：正：（非金屬）（非金屬）（磨光金屬表面）（磨光金屬表面）2021-11-4李瓊傳熱學(xué)各朝向

29、輻射同性的表面稱為漫輻射表面，各朝向輻射同性的表面稱為漫輻射表面， f()f()；f()f()符合蘭貝特余弦定律；符合蘭貝特余弦定律；定向吸收比與空間方向無(wú)關(guān)。定向吸收比與空間方向無(wú)關(guān)。輻射力符合四次方定律：輻射力符合四次方定律：E=EE=Eb b=E Eb b一般較為粗糙的實(shí)際物體表面可作為漫射表面處理。一般較為粗糙的實(shí)際物體表面可作為漫射表面處理。2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v實(shí)際材料表面的光譜輻射力不遵守普朗克定律，實(shí)際材料表面的光譜輻射力不遵守普朗克定律，或者說(shuō)不同波長(zhǎng)下光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)的變化比或者說(shuō)不同波長(zhǎng)下光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)的變化比較大，并且不規(guī)則。較大，并且不規(guī)則。v某一溫度下，實(shí)

30、際物體的單色輻射力隨波長(zhǎng)的某一溫度下，實(shí)際物體的單色輻射力隨波長(zhǎng)的變化是不規(guī)則的。但工程上，實(shí)際物體一般可變化是不規(guī)則的。但工程上，實(shí)際物體一般可用用灰體灰體近似替代。近似替代。2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v灰體：是指物體光譜輻射力與同溫度黑體光譜灰體：是指物體光譜輻射力與同溫度黑體光譜輻射力隨波長(zhǎng)的變化曲線相似，或它的單色發(fā)輻射力隨波長(zhǎng)的變化曲線相似，或它的單色發(fā)射率不隨波長(zhǎng)變化，即：射率不隨波長(zhǎng)變化，即： f()f()；f()f()v輻射是連續(xù)的光譜：輻射是連續(xù)的光譜：E E=E Eb,b,v輻射力符合四次方定律：輻射力符合四次方定律：E=EE=Eb b=E Eb b一般實(shí)際物體表面在紅外

31、線一般實(shí)際物體表面在紅外線波長(zhǎng)范圍內(nèi)，可以近似作為波長(zhǎng)范圍內(nèi)，可以近似作為灰體處理?；殷w處理。 2021-11-4李瓊傳熱學(xué)(1)(1)實(shí)際物體的輻射力與黑體和實(shí)際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見(jiàn)圖；灰體的輻射力的差別見(jiàn)圖；(2)(2)實(shí)際物體的輻射力并不完全實(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；與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；(3)(3)實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守不嚴(yán)格遵守LambertLambert定律，定律，實(shí)際物體、黑體和灰體的實(shí)際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜輻射能量光譜因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，形因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，形

32、式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將真實(shí)表面假設(shè)為真實(shí)表面假設(shè)為漫射表面漫射表面。實(shí)際物體。實(shí)際物體在紅外波段范圍內(nèi)可近似視為在紅外波段范圍內(nèi)可近似視為灰體灰體。2021-11-4李瓊傳熱學(xué) 將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常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)；復(fù)雜，很難理論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)； 服從服從LambertLambert定律的表面成為漫射表面。雖然實(shí)際定律的表面成為漫射表面。雖然實(shí)際物體的定向發(fā)射率并不完全符合物體的定向發(fā)射率并不完全符合LambertLambert定律，但定律，但仍然近

33、似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從LambertLambert定律，定律，這有許多原因；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(shuō)明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有面狀況。這說(shuō)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。關(guān)，而不涉及外界條件。2021-11-4李瓊傳熱學(xué) 上一節(jié)簡(jiǎn)單介紹了實(shí)際物體的發(fā)射情況，那么當(dāng)上一節(jié)簡(jiǎn)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(shí)，該物體對(duì)投入輻外界的輻射投入到物體表面上時(shí)，該物體對(duì)投入輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對(duì)其作出解答。射吸收

34、的情況又是如何呢？本節(jié)將對(duì)其作出解答。Semi-transparent medium2021-11-4李瓊傳熱學(xué)1.1.投入輻射投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能。射能。 2.2.選擇性吸收選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變化，這叫選擇性吸收。同而變化，這叫選擇性吸收。3.3.吸收比吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用 表示表示，即，即)(投入輻射投入的能量吸收的

35、能量2021-11-4李瓊傳熱學(xué)4 4 光譜吸收比光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化所吸收的百分?jǐn)?shù)。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。能能量量投投入入的的某某一一特特定定波波長(zhǎng)長(zhǎng)的的能能量量吸吸收收的的某某一一特特定定波波長(zhǎng)長(zhǎng)的的 灰體：灰體：光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體。光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體。此時(shí)，不管投入輻射的分布如何，吸收比此時(shí)，不管投入輻射的分布如何，吸收比 都是同都是同一個(gè)常數(shù)。一個(gè)常數(shù)。2021-11-4李瓊傳熱學(xué)根據(jù)前面的定義可知，物體

36、的吸收比除與自身表面根據(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(zhǎng)的能量分性質(zhì)的溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布有關(guān)。設(shè)下標(biāo)布有關(guān)。設(shè)下標(biāo)1 1、2 2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體投入輻射的物體，則物體1 1的吸收比為的吸收比為)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質(zhì)表面的性質(zhì)，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbb2021-11-4李瓊傳熱學(xué)如果投入輻射來(lái)自黑體，由于如果投入輻射來(lái)自黑體，由于 ，則上式可變?yōu)閯t上式可變?yōu)?),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(

37、),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性質(zhì)表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb2021-11-4李瓊傳熱學(xué)2021-11-4李瓊傳熱學(xué)如圖所示，板如圖所示，板1 1是黑體，板是黑體，板2 2是任意物體，參數(shù)分是任意物體，參數(shù)分別為別為E Eb b, , T T1 1 以及以及E E, , , T, T2 2，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有時(shí)，有 bbEEEE 平行平板間的輻射平行平板間的輻射換熱換熱2021-11-4李瓊傳熱學(xué) 整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)； 如物體的吸收比和發(fā)射率與溫度有關(guān)，則二者如物

38、體的吸收比和發(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；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。投射輻射源必須是同溫度下的黑體。為了將為了將Kirchhoff Kirchhoff 定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人定律推向?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(jiàn)下表。同層次上的表達(dá)式，見(jiàn)下表。2021-11-4李瓊傳熱學(xué)層層 次次數(shù)學(xué)表達(dá)式數(shù)學(xué)表達(dá)式成立條件成立條件光譜，定向光譜，定向光譜，半球光譜，半球全波段全波段. .定向定向全波段，半球全波段，半球無(wú)條件，無(wú)條件， 為天頂角為天

39、頂角漫射表面漫射表面灰表面灰表面與黑體處于熱平衡或?qū)εc黑體處于熱平衡或?qū)β冶砻媛冶砻?()(,TT)()(TT)()(TT(1)(1)漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空間方向無(wú)關(guān)，即符合間方向無(wú)關(guān)，即符合LambertLambert定律的物體表面；定律的物體表面；(2)(2)灰體：指單色吸收率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體，其發(fā)灰體：指單色吸收率與波長(zhǎng)無(wú)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，只是減射和吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個(gè)相同的比例。小了一個(gè)相同的比例。)()(TT2021-11-4李瓊傳熱學(xué)v基本概念：基本概念： 黑體、

40、漫射表面、灰體、漫黑體、漫射表面、灰體、漫- -灰表面、發(fā)灰表面、發(fā)射率、吸收比、輻射強(qiáng)度、輻射力射率、吸收比、輻射強(qiáng)度、輻射力v基本定律基本定律普朗克定律普朗克定律斯蒂芬斯蒂芬- -玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律蘭貝特余弦定律蘭貝特余弦定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律2021-11-4李瓊傳熱學(xué)例題例題1 1：=與與=的區(qū)別是什么？的區(qū)別是什么？答：區(qū)別在于答：區(qū)別在于=的適用條件為灰體的適用條件為灰體表面，而表面，而=的適用條件為漫射表面。的適用條件為漫射表面。2021-11-4李瓊傳熱學(xué)例題例題2 2、應(yīng)用維恩定律解釋金屬加熱過(guò)程的、應(yīng)用維恩定律解釋金屬加熱過(guò)程的顏色變化。顏色變化。答：維恩定律維

41、恩定律maxmaxT=2897.6 T=2897.6 m mK K表明，表明，物體隨著溫度物體隨著溫度T T的升高，的升高，maxmax向波長(zhǎng)減小向波長(zhǎng)減小的方向移動(dòng)。金屬發(fā)射的能譜中可見(jiàn)光的方向移動(dòng)。金屬發(fā)射的能譜中可見(jiàn)光部分的份額越來(lái)越多，其可見(jiàn)光中的短部分的份額越來(lái)越多，其可見(jiàn)光中的短波部分也越來(lái)越多，因而感覺(jué)到金屬加波部分也越來(lái)越多，因而感覺(jué)到金屬加熱過(guò)程隨著熱過(guò)程隨著T T升高顏色由黑逐漸變?yōu)榘导t、升高顏色由黑逐漸變?yōu)榘导t、橘紅、鮮紅，甚至白亮色。橘紅、鮮紅，甚至白亮色。2021-11-4李瓊傳熱學(xué)例題例題3 3、試從熱輻射觀點(diǎn)分析，用電爐來(lái)烘烤、試從熱輻射觀點(diǎn)分析，用電爐來(lái)烘烤某一

42、工件，把工件放在電爐的正上方熱得某一工件，把工件放在電爐的正上方熱得快還是放在電爐的邊沿?zé)岬每欤繛槭裁?？快還是放在電爐的邊沿?zé)岬每?？為什么？答：雖然不論是放在上方，還是放在邊沿，雖然不論是放在上方，還是放在邊沿，工件被輻射照射面積相同，所張立體角也工件被輻射照射面積相同，所張立體角也相同，但一個(gè)是法向，一個(gè)是成相同，但一個(gè)是法向，一個(gè)是成角的偏角的偏向，而向，而E E=E=En ncoscos，所以工件放在電爐正，所以工件放在電爐正上方上方( (即法向即法向) )得到的輻射熱多，熱得快。得到的輻射熱多，熱得快。2021-11-4李瓊傳熱學(xué)例題例題4 4、實(shí)際物體表面的發(fā)射率和吸收比主、實(shí)際物體

43、表面的發(fā)射率和吸收比主要受哪些因素影響？要受哪些因素影響？答：發(fā)射率答：發(fā)射率與物體本身的性質(zhì)與物體本身的性質(zhì)( (種類種類) )、表面狀況、溫度及方向有關(guān)。吸收比表面狀況、溫度及方向有關(guān)。吸收比與物體的種類、表面狀況及溫度有關(guān)，與物體的種類、表面狀況及溫度有關(guān)，而且與入射的波長(zhǎng)有關(guān)。而且與入射的波長(zhǎng)有關(guān)。2021-11-4李瓊傳熱學(xué)例題例題5 5、何謂、何謂“漫漫灰表面灰表面”？ 有何實(shí)際意義？有何實(shí)際意義？答：答：1 1）“漫漫灰表面灰表面”是研究實(shí)際物體表面時(shí)建是研究實(shí)際物體表面時(shí)建立的理想體模型。立的理想體模型。 2 2）漫輻射、漫反射指物體表面在輻射、反射）漫輻射、漫反射指物體表面在輻射、反射時(shí)各方向相同。灰表面是指在同一溫度下表面時(shí)各方向相同?；冶砻媸侵冈谕粶囟认卤砻娴妮椛涔庾V與黑體輻射光譜相似，吸收比也取的輻射光譜與黑體輻射光譜相似，吸收比也取定值。定值。 3 3）“漫漫灰表面灰表面”的實(shí)際意義在于將物體的的實(shí)際意義在于將物體的輻射、反射、吸收等性質(zhì)理想化，可應(yīng)用熱輻輻射、反射、吸收等性質(zhì)理想化，可應(yīng)用熱輻射的基本定律了。射的基本定律了。 4