熱輻射基本定律

1、熱輻射的基本定律1樓smyt_1983 2位粉絲在工程技術(shù)中，在日常生活中，輻射換熱現(xiàn)象是屢見不 鮮的。太陽對大地的照射是最常見的輻射現(xiàn)象。高爐中 灼熱的火焰會烘烤得人們難以忍受，太陽對人造衛(wèi)星的 輻射，會使衛(wèi)星的朝陽面的溫度明顯地高于衛(wèi)星背陽面 的溫度；高溫發(fā)動機部件與飛機機體之間的輻射換熱嚴 重地影響著飛機的結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計，等等。特別是近年 來，人類對太陽能的利用，都大大地促進了人們對輻射 換熱的研究。本章首先介紹輻射的基本特性和基本規(guī)律；然后重點討 論物體之間的輻射換熱規(guī)律；最后對氣體輻射換熱的特 點作扼要的介紹。第一節(jié)基本概念1- 1熱輻射的本質(zhì)和特征由于不同的原因，物體能夠向其所在的

2、空間發(fā)射各種不 同波長的電磁波；不同波長的電磁波具有不同的效應(yīng)， 人們可以利用不同波長的電磁波效應(yīng)達到一定的目的。 比如，人們可以利用無線電波傳送信息，利用x射線穿透物質(zhì)的能力進行零件探傷，利用熱射線傳遞熱能，等 等。人們根據(jù)電磁波不同效應(yīng)把電磁波分成若干波段。波長入=0.38一 0.76 pm的電磁波段稱為可見光波段入=0.76- 1000的電磁波段稱為紅外波段（一般將紅外波段范圍又分為近紅外波段和遠紅外波段，近紅外波段為 入=0.7- 25 mi,遠紅外波段為 入=25- 1000 m）波長大 于1000 pm的電磁波段稱為無線電波段 （根據(jù)其波長的不 同又可分為雷達、視頻和廣播三個波段）

3、；波長小于0.4 am的電磁波依次分為紫外線、x射線和Y射線等。可見光和紅外線以及紫外線的一部分被物體吸收后產(chǎn)生熱效 應(yīng)，即波長 入=0.1 1000叩范圍內(nèi)的電磁技能被物體 吸收變?yōu)闊崮?，因此，這一波長范圍的電磁波稱為熱射 線。因為在一般常見的工業(yè)溫度條件下，其輻射波長均 在這一范圍，所以本課程所感興趣的將是熱射線，下面 將專門討論這一波長范圍內(nèi)電磁波的發(fā)射、傳播和吸收 的規(guī)律。、熱輻射的本質(zhì)和特點1、發(fā)射輻射能是各類物質(zhì)的固有特性。當原子內(nèi)部的電子受溫和振動時，產(chǎn)生交替變化的電場和磁場，發(fā)出電 磁波向空間傳播，這就是輻射。由于自身溫度或熱運動 的原因面激發(fā)產(chǎn)生的電磁波傳播，就稱熱輻射。顯然

4、， 熱輻射是電磁波，電磁波的波長范圍可從幾萬分之一微 米到數(shù)千米，它們的名稱和分類如圖所示。通常把 入=0.1- 100 Mi范圍的電磁波稱熱射線，其中包括可見光線、 部分紫外線和紅外線具有波動和量子特性。2、特點熱輻射的本質(zhì)決定了熱輻射過程有如下三個特點：輻射換熱與導熱、對流換熱不同、它不依賴物體的接 觸而進行熱量傳遞，而導熱和對流換熱都必須由冷、熱 物體直接接觸或通過中間介質(zhì)相接觸才能進行。輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化，即物體的 部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁波能發(fā)射出去，當此波能射及另一 物體表面而被吸收時，電磁波能又轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。一切物體只要其溫度 T > 0K ,都會不斷地發(fā)射熱射線

5、。 當物體間有溫差時，高溫物體輻射給低溫物體的能量大 于低溫物體輻射給高溫物體的能量，因此總的結(jié)果是高 溫物體把能量傳給低溫物體。即使各個物體的溫度相同, 輻射換熱仍在不斷進行， 只是每一物體輻射出去的能量， 等于吸收的能量，從而處于動平衡的狀態(tài)。二、物體的熱輻射特性-吸收、反射和透射當熱射線投射到物件上時，遵循著可見光的規(guī)律，其中 部分被物體吸收，部分被反射，其余則透過物體。如圖 所示，其中反射存在漫反射和鏡反射兩種情況。在物體表面對射線的吸收、反射和透射的過程中，能量 平衡關(guān)系為：由此可定義吸收率、反射率和透射率: 物體吸收率：；物體反射率：；物體透射率 其中；對于單色吸收率、單色反射率、

6、單色透射率: 為研究輻射特性可提出以下理想輻射模型：黑體：a =1 p =0 t =0白體：a =0 p =1 t =0 2010-4-13 11:10* 回復透明體：a =0 p =0 t =1面smyt_1983 2位粉絲自然界和工程應(yīng)用中，完全符合理想要求的黑體、白體 和透明體雖然并不存在，但和它們根相象的物體卻是有 的。例如，煤炭的吸收比達到0.96,磨光的金子反射比幾乎等于0.98,而常溫下空氣對熱射線呈現(xiàn)透明的性質(zhì)。 但是，在分析實際物體表面的吸收、反射和透過特性的 時候，必須非常謹慎地對待波長，尤其要注意不能以肉 眼的直觀感覺來判斷某物體吸收比的高低。對于曰1的物體、說明它能允許

7、投射來的輻射能全部透 射過去、因此，稱為透明體。這種極限狀況在自然界中 并不存在，只能有近似的透明體，如雙原子氣體（氧氣、氮氣）可視為？= 1的透明體；干燥的空氣也可以近似視為 透休，但當空氣中摻有水蒸氣和二氧化碳氣時，它就不 再能作為透明體來處理，因為這兩種氣體的吸收率不等 于零。有些物體的透射性能與波長有關(guān)。也就是說，它 對于某一一波長范圍的輻射線表現(xiàn)出良好的透射性能， 而對另一些波長范圍則表現(xiàn)為非透明體性能，這就是物 體對波長的選擇性。例如普通玻璃對可見光來說是良好 的透明體，但對紫外線和紅外線來說就不是透明體。因 此人們在普通玻璃的室內(nèi)進行日光浴的效果就與室外顯 著不同。對大多數(shù)的固體

8、和液體來說，熱射線都是不能透射的，即 l 0。這時，a十p= 1由上式可以看到，對于 的物體，吸收能力越強，它的反射能力就越弱；或者說 反射能力越強的非透體，其吸收能力就越弱。這一知識 早巳被人們的日常生活所驗證。例如夏天人們總是喜歡 穿白色衣服，這就是利用白色對可見光反射能力強這一 特點，便衣服吸收的可見光減少，達到?jīng)鏊哪康?。?如在防原子輻射的設(shè)施上涂成白色也是這個道理。但是 應(yīng)該注意，顏色對可見光的特性并不能概括為額色對全 部熱射線的特性，上面已經(jīng)提及普通玻璃對可見光是透 體而對紫外線和紅外線卻不是進體。而白色滌對可見光 具有很高的反射串，但對于紅外線的反射率卻很低；白 族和黑漆對紅外

9、線的反射率和吸收牢幾乎沒有什么差 別?？梢?，對熱射線的吸收與反射并不取決于顏色，實 際上在很大程度上取決于物體表面的狀況、粗糙度等因 素。對于物體P= 1的極限情況，說明物體能將投射來的輻射 能全部反射掉。這種物體稱為白體。物體對投射來的射 線的反射可分為鏡反射和漫反射。鏡反射時射線入射角 等于射線的反射角，而漫反射則比較地元規(guī)律。表面粗糙度對射線的反射有決 定性的影響。注意，這里所指的表面扭糙度是相對于輻 射線的波長而言的。當表面不平整度（粗極度）小于投射射 線的波長時，即為光滑表面，這時形成鏡反射，如高度 拋光的金屬表面。一般的：t程材料表面對熱射線來說均 可視力粗糙表面，所以形成漫反射。

10、在本課程所涉及的 范圍內(nèi)都只限十漫射表面。對于。=1的物體，意味著它能全部吸收投射來的各種波長的輻射能，可見它是 物體吸收能力最強的一種物體，因此稱之為絕對黑體或 黑體。在自然界中并不存在絕對黑體。人們可以制造出 近似的黑體。例如在高吸收率不透明材料構(gòu)成的等壁溫 空腔上開一小扎，就可以把該小孔視為該溫度下的黑體。 由于投射到小7L上的射線進入空腔后，經(jīng)過反復吸收、 反射，而最后從小孔反射出去的能量可以忽略。可以認 為能量全部被小孔吸收。在理解上述基本概念時，應(yīng)注意以下幾個問題：鏡反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。物體的顏色。關(guān)鍵在于是物體本身發(fā)射可見光還是物 體反射可見光。理想輻射模型均

11、是對全波長而言的。三、輻射強度和輻射力所有的固體和液體表面都隨時向其上方的整個空間(稱為半球空間)發(fā)射不同波長的輻射能量。為了進行輻射換熱的工程計算，必須研究物體輻射能量隨波長的分布特 性，以及在半球空間各個方向亡的分布規(guī)律。一輻射強度2010-4-13 11:10, 回復1、立體角：是一個空間角度。定義為：3樓，單位為立體弧度 Srsmyt_1983 2位粉絲其中。的變化范圍是0-900 , 6的變化范圍則是 0-3600。2、輻射強度:是物體給定輻射方向上，物體在與發(fā)射方向垂直的方向上的 單位投影面積，在單位時間和單位立體角內(nèi)所發(fā)射全波長的 能量，符號為I,單位為 W/(m2Sr)。,其中

12、3、單色輻射強度如果輻射強度是指在波長入附近的單位波長間隔內(nèi)所發(fā)射的能量，稱為單色輻射強度，符號為 I入單位為W/(m2 m Sr)。二輻射力1、輻射力：發(fā)射物體每單位表面積在單位時間內(nèi)向半球空間所發(fā)射的全波長能量，稱為輻射力，符號為E,單位為WZm2oE與I的關(guān)系為：；E與I入的關(guān)系為：2、 單色輻射力：如果輻射力是指在波長入附近的單位波長 間隔內(nèi)所發(fā)射的能量，稱為單色輻射力，符號為 E入，單位 為 WZ(m2 m)。3、定向輻射力：如果輻射力是指在某規(guī)定方向上的單位面積上所發(fā)射的能量，稱為定向輻射力，符號為 E0,單位為WZ(m2 a m)第二節(jié)熱輻射的基本定律重點內(nèi)容：熱輻射的基本定律及

13、實際物體的熱輻射特性簡化方法一、黑體黑體具有最大的吸收力(a =1,)同時亦具有最大的輻射力 (£ = 1)。在實際物體中不存在絕對黑體，為此引出人工黑體，如圖所示。具有一個小孔的等溫空腔表面，若有外部投射輻射從小孔進 入空腔內(nèi)，必將在其內(nèi)表面經(jīng)歷無數(shù)次的吸收和反射，最后能夠從小孔重新選出去的輻射能量必定微乎其微。于是有理由認為，幾乎全部入射能量都被空腔吸收殆盡。從這個意義上講，小孔非常接近黑體的性質(zhì)。另外，腔內(nèi)空間的輻射場系由腔內(nèi)表面的發(fā)射和反射疊加而成，是各向同性的，而且必定和從小孔選出的輻射具有相同的性質(zhì)，也等于腔壁溫度所對應(yīng)的黑體輻射力。二、普朗克(M.Planck)定律1、

14、表達式其中C1、C2分別稱為普朗克第一常數(shù)和第二常數(shù)。該規(guī)律描述了黑體單色輻射力隨波長及溫度的變化規(guī)律，如圖所示。2分析在一定溫度下，黑體在不同波長范圍內(nèi)輻射能量各不相 同。維恩位移定律：隨著溫度T增高，最大單色輻射力 Eb入，max所對應(yīng)的峰值波長 入ma施漸向短波方向移動。入maxT=2897.6 嘩黑體T<1400K，輻射大部分能量集中在40.76-10 內(nèi)，從而可以忽略可見光。常溫下，實際物體的輻射主要是紅外輻射。三、斯蒂芬-玻爾茲曼定律Eb= b bT4W/m2; b b=5.67*108W/(m2K4)描述了黑體輻射力隨表面溫度的變化規(guī)律。也可以計算某一波長范圍內(nèi)的輻射力。其

15、中 稱為黑體輻射系數(shù)。四、蘭貝特（Lambert）余弦定律 包括三個方面的內(nèi)容：1、半球空間上，黑體的輻射強度與方向無關(guān)。即：,而各朝向輻射同性的表面稱為漫輻射表面。2、漫輻射表面定向輻射力與輻射強度間滿足：3、 漫輻射表面的輻射力是輻射強度的兀倍。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。7-3、實際固體何液體的輻射特性黑體是所有物體當中吸收能力最大，同時發(fā)射能力也最大的理想化表面，這個特點使它很自然地成了描述實際表面的吸 收和發(fā)射能力大小的最佳基準。通常實際表面（固體或液體）的光譜輻射力比同溫度的黑體小，而且表現(xiàn)出不像黑體那么有規(guī)律。一般對實際物體表面輻射特性進行一

16、定程度的簡 化，再用輻射率和吸收率進行修正。引入輻射率是為了定量描述實際物體在發(fā)射輻射方面與黑體的差別，而引入吸收率是為了定量描述實際物體在吸收輻射方面與黑體的差別。一輻射率（全波長）輻射率；定向輻射率；單色輻射率 2010-4-13 11:10* 回復4樓單色輻射率在圖中，是兩段線段長度之比；輻射率則是陰影 面積（即實際物體輻射力） 與實線下的面積（即黑體輻射力） 之比；實際物體用灰體近似替代， 在圖上就意味著，虛線下 的面積與陰影面積相同。smyt_1983 l位粉絲二單色輻射率與灰體實際材料表面的光譜輻射力不遵守普朗克定律，或者說不同波長下光譜發(fā)射率隨波長的變化比較大，并且不規(guī)則。某一溫

17、度下，實際物體的單色輻射力隨波長的變化是不規(guī)則 的。但工程上，實際物體一般可用灰體近似替代。灰體：是指物體單色輻射力與同溫度黑體單色輻射力隨波長 的變化曲線相似，或它的單色發(fā)射率不隨波長變化，即： 入乒f（； a）入乒f（入）輻射是連續(xù)的光譜：E入=£入Eb,入輻射力符合四次方定律：E=£ Eb=s入Eb一般實際物體表面在紅外線波長范圍內(nèi)，可以近似作為灰體處理。三定向輻射率與漫射表面某一溫度下，實際物體的定向輻射強度在各方向上的變化是 不規(guī)則的。但從圖中可以看出，金屬在0 =0400、非金屬在0 =0600的單色輻射率基本為常數(shù)，所以較為粗糙的實際物體表面可作為漫射表面處理

18、，但其輻射率應(yīng)做如下修正：（非金屬）；（磨光金屬表面）。漫射表面：各朝向輻射同性的表面稱為漫輻射表面，e 0 f（。）a。乒 f（ 0 ）符合蘭貝特余弦定律定向吸收率與空間方向無關(guān)。輻射力符合四次方定律：E=£ Eb=e 0 Eb一般較為粗糙的實際物體表面可作為漫射表面處理。7-4、實際物體的吸收比與基爾霍夫定律掌握輻射的基本定律、漫射表面及灰體表面的輻射和吸收特 性、實際物體的熱輻射特性及其簡化方法。一、實際物體的吸收特性實際物體的輻射換熱比較復雜，在表面間將形成多次反射、 吸收的現(xiàn)象。因此，確定其輻射和吸收特性也是極其重要的。實際物體吸收率不僅與本身性質(zhì)和狀況有關(guān)，還取決于投射輻

19、射的特性。日常生活中也有明顯例子：紅光投射到紅玻璃 上時，玻璃背面有紅光透出， 說明紅玻璃對紅光的吸收率不 大：但當綠光投射到紅玻璃上時.玻璃背面無光透出， 說明紅玻璃對綠光的吸收率很大?？梢姡渡涔獾牟ㄩL對紅玻璃的吸收率有很大的影響。實際物體輻射率的計算方法：實際物體吸收率的計算方法:二、基爾霍夫定律描述了物體發(fā)射輻射的能力和吸收投射輻射的能力之間的 關(guān)系。在熱平衡條件下，a入，。,T= e入，。,T1、對于實際物體表面：a入，。=&入，。2、對于灰體：a 0 = e 03、對于漫射表面：a入=e入4、對于漫-灰表面（及黑體）：a = £例題例題1、£ = £與£=£的區(qū)別是什么？答：區(qū)別在于& =£的適用條件為漫射表面，而& =£的適用條件為灰體表面。例題2、應(yīng)用維恩定律解釋金