第七章熱輻射基本定及物體的輻射特性

1、第七章第七章 熱輻射基本定及物體的輻射特性熱輻射基本定及物體的輻射特性動力工程系7-1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念1. 1. 熱輻射特點熱輻射特點(1)(1) 定義定義：由熱運動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的：由熱運動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量；能量；(2)(2) 特點特點：a a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 0 K K，就會，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b b 可以在真空中可以在真空中傳播；傳播；c c 伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d d 具有強烈的方具有強烈的方向性；向性；e e 輻射能與溫度和波長均有關(guān)；輻射能與溫度和

2、波長均有關(guān)；f f 發(fā)射輻發(fā)射輻射取決于溫度的射取決于溫度的4 4次方。次方。2. 2. 電磁波譜電磁波譜 電磁輻射包含了多種形式，如圖電磁輻射包含了多種形式，如圖7-17-1所示，而所示，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實際意義的熱輻射我們所感興趣的，即工業(yè)上有實際意義的熱輻射區(qū)域一般為區(qū)域一般為0.11000.1100mm。電磁波的傳播速度：電磁波的傳播速度： C = f C = f 式中：式中：f f 頻率，頻率，s-1; s-1; 波長，波長，mm電電 磁磁 輻輻 射射 波波 譜譜圖圖7-17-1 當熱輻射投射到物體表面上時，一般會發(fā)生三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

3、收、反射和穿透，如圖種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖7-27-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ3.3. 物體對熱輻射的吸收、反射和穿透物體對熱輻射的吸收、反射和穿透 圖圖7.2 7.2 物體對熱輻射的吸收反射和穿透物體對熱輻射的吸收反射和穿透對于大多數(shù)的固體和液體：對于大多數(shù)的固體和液體：對于不含顆粒的氣體：對于不含顆粒的氣體：對于黑體：對于黑體： 鏡體或白體：鏡體或白體：透明體：透明體：1111,01,0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圖圖7-3 鏡反射鏡反射圖圖7-4 漫反射漫反射1.1.黑體概念黑體概念 黑體：黑體：是指能吸收投入到是指能吸收投入到其面上的所有熱

4、輻射能的其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實生活中是不存物體，現(xiàn)實生活中是不存在的。但卻可以人工制造在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。出近似的人工黑體。圖圖7-5 7-5 黑體模型黑體模型7-2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律輻射力輻射力E E： 單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)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。射的所有波長的能量總和。 (W/m2)；光譜輻射力光譜輻射力EE： 單位時間內(nèi)，單位波長范圍內(nèi)單位時間內(nèi)，單位波長范圍內(nèi)( (包含某一給定包含某一給定波長波長) )，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射

5、的，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。能量。 (W/m3)；2.2.熱輻射能量的表示方法熱輻射能量的表示方法E E、E E關(guān)系關(guān)系: :顯然，顯然， E E和和EE之間具有如下關(guān)系：之間具有如下關(guān)系：dEE0黑體一般采用下標黑體一般采用下標b b表示，如黑體的輻射力表示，如黑體的輻射力為為E Eb b，黑體的，黑體的光譜輻射力光譜輻射力為為E Ebb3.黑體輻射的三個基本定律及相關(guān)性質(zhì)黑體輻射的三個基本定律及相關(guān)性質(zhì)1)(512TcbecE式中，式中， 波長，波長，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)，3.7423.7421010-1

6、6-16 W W m m2 2； c c2 2 第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.43881.43881010-2-2 W W K K； (1)Planck(1)Planck定律定律( (第一個定律第一個定律) )：圖圖7-6 Planck 7-6 Planck 定律的圖示定律的圖示(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律( (第二個定律第二個定律) )： 40)(51012TdecdEETcbb式中，式中，= 5.67= 5.6710-8 w/(m210-8 w/(m2 K4)K4)， 是是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzma

7、nn常數(shù)。常數(shù)。 圖圖7-67-6是根據(jù)上式描繪的黑體光譜輻射力隨是根據(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。波長和溫度的依變關(guān)系。m m與與T T 的關(guān)系由的關(guān)系由WienWien位位移定律給出：移定律給出：KmTm3108976. 221dEEbb(3)(3)黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù)黑體在波長黑體在波長1 1和和2 2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力，區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力，如圖如圖7-77-7所示：所示：圖圖7-7 7-7 特定波長區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力特定波長區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù): :2211212121()40400(0)(0)2111()()bbbbbbbbE dFE

8、 dTE dE dE dTFFfTfT定義：定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立球面面積除以球半徑的平方稱為立體角體角，單位：單位：srsr( (球面度球面度) )，如圖如圖7-87-8和和7-97-9所示：所示：ddsindd2rAc(4)(4)立體角立體角圖圖7-8 7-8 立體角定義圖立體角定義圖圖圖7-9 7-9 計算微元立體角的幾何關(guān)系計算微元立體角的幾何關(guān)系定義：定義：單位時間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向的單位時間內(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)射的一切波單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長的能量，長的能量，參見圖參見圖7-107-10。 dcosd),(d),(

9、AL(5) (5) 定向輻射強度定向輻射強度L L( ( , , ) )：(6) Lambert (6) Lambert 定律定律( (黑體輻射的第三個基本定律黑體輻射的第三個基本定律) )cosdd),(dLA 它說明黑體的定向輻射力隨天頂角它說明黑體的定向輻射力隨天頂角 呈余弦規(guī)律變化，見圖呈余弦規(guī)律變化，見圖7-117-11，因此，因此， LambertLambert定律也稱為余弦定律。定律也稱為余弦定律。圖圖7-10 7-10 定向輻射強定向輻射強 度的定義圖度的定義圖圖圖7-11 Lambert7-11 Lambert定律圖示定律圖示LLEdcos2沿半球方向積分上式，可獲得了半球輻

10、射強度沿半球方向積分上式，可獲得了半球輻射強度E:E: 7-3 實際固體和液體的輻射特性實際固體和液體的輻射特性1 發(fā)射率發(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；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；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)射率因此，定義了發(fā)射率 ( (也稱為黑度也稱為黑度) ) ：相同溫度下，：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實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比: :4TEEEb上面公式只

11、是針對方向和光譜平均的情況，但實際上，真實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。表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)因此，我們需要定義因此，我們需要定義方向光譜發(fā)射率方向光譜發(fā)射率，對，對于某一指定的方向于某一指定的方向( ( , , ) ) 和波長和波長 T, T, T, blackbody, emitted actual, , LL)()T,( T, T, T,0blackbody, 0emitted actual, TLLdLdLb對上面

12、公式在所有波長范圍內(nèi)積分，可得到對上面公式在所有波長范圍內(nèi)積分，可得到方向方向總發(fā)射率總發(fā)射率，即即實際物體的定向輻射強度實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比：與黑體的定向輻射強度之比：T, T, T, T, T, blackbody, emitted actual, bEEEE 對于指定波長，而在方向上平均的情況，對于指定波長，而在方向上平均的情況，則定義了則定義了半球光譜發(fā)射率半球光譜發(fā)射率，即即實際物體的光實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比這樣，前面定義的這樣，前面定義的半球總發(fā)射率半球總發(fā)射率則可以寫為：則可以寫為： )(E)( T, T

13、, T, Tbemitted actual0blackbody, 0blackbody, TTEdEdE 半球總發(fā)射率是對所有方向和所有波長半球總發(fā)射率是對所有方向和所有波長下的平均下的平均 對應(yīng)于黑體的輻射力對應(yīng)于黑體的輻射力E Eb b，光譜輻射力，光譜輻射力E Eb b 和定向和定向輻射強度輻射強度L L，分別引入了三個修正系數(shù)，即，發(fā)射，分別引入了三個修正系數(shù)，即，發(fā)射率率 ，光譜發(fā)射率，光譜發(fā)射率 ( ( ) )和定向發(fā)射率和定向發(fā)射率 ( ( ) )，其，其表表達式和物理意義達式和物理意義如下如下40)(TdEEEbb實際物體的輻射力與黑體輻射力之比實際物體的輻射力與黑體輻射力之比

14、: :bbLLLL)()()()( 實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比：輻射力之比：bEE)( 實際物體的定向輻射強度與黑體的定向?qū)嶋H物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比：輻射強度之比： 漫發(fā)射漫發(fā)射的概念：的概念：表面的方向發(fā)射率表面的方向發(fā)射率 ( ( ) ) 與方向無關(guān)與方向無關(guān)，即，即定向輻射強度與方定向輻射強度與方向無關(guān)向無關(guān)，滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面面，這是對大多數(shù)實際表面的一種很好的，這是對大多數(shù)實際表面的一種很好的近似。近似。圖圖7-15 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

15、的定向發(fā)射率 ( )(t=150)圖圖7-16 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) 前面講過，黑體、灰體、白體等都是理想前面講過，黑體、灰體、白體等都是理想物體，而實際物體的輻射特性并不完全與這些理物體，而實際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同，比如，想物體相同，比如，(1)(1)實際物體的輻射力與黑實際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見圖體和灰體的輻射力的差別見圖7-147-14；(2)(2) 實際物實際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；比；(3)(3)

16、 實際物體的定向輻射強度也不嚴格遵守實際物體的定向輻射強度也不嚴格遵守LambertLambert定律，等等。所有這些差別全部歸于上定律，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(fù)雜。在工程上一般都將真實表面假式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將真實表面假設(shè)為漫發(fā)射面。設(shè)為漫發(fā)射面。圖圖7-14 實際物體、黑體實際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜和灰體的輻射能量光譜本節(jié)中，還有幾點需要注意本節(jié)中，還有幾點需要注意1.1.將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非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

17、確定，實際上是一種權(quán)宜之計；常復(fù)雜，很難理論確定，實際上是一種權(quán)宜之計；2.2.服從服從LambertLambert定律的表面成為漫射表面。雖然實定律的表面成為漫射表面。雖然實際物體的定向發(fā)射率并不完全符合際物體的定向發(fā)射率并不完全符合LambertLambert定律，定律，但仍然近似地認為大多數(shù)工程材料服從但仍然近似地認為大多數(shù)工程材料服從LambertLambert定律，這有許多原因；定律，這有許多原因；3.3.物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和物體表面的發(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

18、涉及外界條件。身有關(guān)，而不涉及外界條件。 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。情況又是如何呢？本節(jié)將對其作出解答。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with what happens to _, while emissivity deals with _1. 1. 投入輻射投入輻射：單位時間內(nèi)投射到單位表面積上的：單位時間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能總輻射能

19、 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：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，這叫選擇性吸收長的不同而變化，這叫選擇性吸收首先介紹幾個概念：首先介紹幾個概念：7-4 7-4 實際固體的吸收比和基爾霍夫定律實際固體的吸收比和基爾霍夫定律3. 3. 吸收比吸收比：物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)，通：物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)，通常用常用 表示表示，即，即)(投入輻射投入的能量吸收的能量4 4 光譜吸收比光譜吸收比：物體對某一特定波長的輻射能所吸：物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分

20、數(shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波收的百分數(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。長的變化體現(xiàn)了實際物體的選擇性吸收的特性。能量投入的某一特定波長的能量吸收的某一特定波長的),(1T圖圖7-177-17和和7-187-18分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸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。收比同波長的關(guān)系。圖圖7-17 金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長的關(guān)系金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長的關(guān)系圖圖7-18 7-18 非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系灰體灰體：光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱為灰體。：光譜吸收比與波長

21、無關(guān)的物體稱為灰體。此時，不管投入輻射的分布如何，吸收比此時，不管投入輻射的分布如何，吸收比 都是同都是同一個常數(shù)。一個常數(shù)。根據(jù)前面的定義可知，根據(jù)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面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)布有關(guān)。設(shè)下標。設(shè)下標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TTfTETTETTbb圖圖

22、7-187-18給出了一些材料對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。給出了一些材料對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。如果投入輻射來自黑體，由于如果投入輻射來自黑體，由于 ，則上式可變?yōu)?，則上式可變?yōu)?),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性質(zhì)表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb圖圖7-19 7-19 物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系(1)(1)灰體法灰體法，即將光譜吸收比，即將光譜吸收比 ( ( ) ) 等效為等效為常數(shù)，即常數(shù)，即 = = ( ( ) =

23、 const) = const。并將。并將 ( ( ) )與波長無關(guān)的物體稱為灰體與波長無關(guān)的物體稱為灰體，與黑體類似，與黑體類似，它也是一種理想物體，但對于大部分工程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問題來講，灰體假設(shè)帶來的誤差是可以容忍的；忍的；(2)(2)譜帶模型法譜帶模型法，即將所關(guān)心的連續(xù)分布的，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)用灰體被稱為一個譜帶，在每個譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體假設(shè)。假設(shè)。發(fā)射輻射與吸收輻射二者之間的聯(lián)系發(fā)射輻射與吸收輻射二者之間的聯(lián)系： 最簡單的推導(dǎo)是用兩塊無限大平板間最簡單的推導(dǎo)是用兩塊無限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。如圖的熱力學(xué)平衡方法。如圖7-207-20所示，板所示，板1 1時黑體，板時黑體，板2 2是任意物體，參數(shù)分別為是任意物體，參數(shù)分別為E Eb b, , T T1 1 以及以及E E, , , T, T2 2，則當系統(tǒng)處于熱平衡時，則當系統(tǒng)處于熱平衡時，有有 bbEEEE圖圖7-20 7-20 平行平板間