C熱輻射基本定律及物體的輻射特性

1、 本章首先從電磁輻射的觀點(diǎn)來認(rèn)識(shí)熱輻射的本本章首先從電磁輻射的觀點(diǎn)來認(rèn)識(shí)熱輻射的本質(zhì)及輻射能傳遞過程的一些特性，然后著重討論熱質(zhì)及輻射能傳遞過程的一些特性，然后著重討論熱輻射的幾個(gè)基本定律，最后介紹實(shí)際物體的輻射特輻射的幾個(gè)基本定律，最后介紹實(shí)際物體的輻射特性，以便為下一章討論輻射換熱的計(jì)算打下基礎(chǔ)。性，以便為下一章討論輻射換熱的計(jì)算打下基礎(chǔ)。 本章的特點(diǎn)是本章的特點(diǎn)是基本概念基本概念較多。較多。一、輻射及熱輻射一、輻射及熱輻射 輻射輻射是物體通過電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。是物體通過電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。 輻射有很多種形式，它們的區(qū)別是導(dǎo)致發(fā)射電輻射有很多種形式，它們的區(qū)別是導(dǎo)致發(fā)射電磁波的激勵(lì)方

2、式不同，而外在表現(xiàn)是輻射的波長不磁波的激勵(lì)方式不同，而外在表現(xiàn)是輻射的波長不一樣，以及吸收該輻射能量后引起的效應(yīng)不同。一樣，以及吸收該輻射能量后引起的效應(yīng)不同。 熱輻射熱輻射是物體由于熱的原因所產(chǎn)生的輻射。它是物體由于熱的原因所產(chǎn)生的輻射。它的作用：物體吸收輻射能后將其轉(zhuǎn)變成自身的內(nèi)能。的作用：物體吸收輻射能后將其轉(zhuǎn)變成自身的內(nèi)能。波長范圍：波長范圍：0.10.1100mm可見光的波長范圍：可見光的波長范圍：0.380.380.76mm紫紫 藍(lán)藍(lán) 青青 綠綠 黃黃 橙橙 赤赤二、輻射與導(dǎo)熱、對(duì)流的區(qū)別二、輻射與導(dǎo)熱、對(duì)流的區(qū)別 傳遞方式不同傳遞方式不同 導(dǎo)熱和對(duì)流需要媒介，輻射換熱不需要中間介

3、導(dǎo)熱和對(duì)流需要媒介，輻射換熱不需要中間介質(zhì)。質(zhì)。2. 2. 輻射換熱過程存在能量形式的轉(zhuǎn)換輻射換熱過程存在能量形式的轉(zhuǎn)換熱能熱能電磁能電磁能電磁能電磁能熱能熱能3. 3. 輻射表面具有方向性和選擇性輻射表面具有方向性和選擇性 輻射換熱屬于表面的物理過程，在換熱表面的不輻射換熱屬于表面的物理過程，在換熱表面的不同方向強(qiáng)度不一定相同，且與波長分布有關(guān)。同方向強(qiáng)度不一定相同，且與波長分布有關(guān)。三、吸收、反射和透射三、吸收、反射和透射 周圍物體在單位時(shí)間內(nèi)投周圍物體在單位時(shí)間內(nèi)投射到物體單位表面積上的輻射射到物體單位表面積上的輻射能。用能。用G表示，單位表示，單位W/m2 。1 1、投射輻射投射輻射

4、被物體吸收、反射和透射的部分所占總投射輻被物體吸收、反射和透射的部分所占總投射輻射的份額分別稱為吸收比射的份額分別稱為吸收比 、反射比、反射比 和透射比和透射比 。GGGGGG 12 2、吸收比、反射比和透射比、吸收比、反射比和透射比 視物體表面狀況（平整程度）和投入輻射的波視物體表面狀況（平整程度）和投入輻射的波長，表面的反射又分為鏡反射和漫反射。長，表面的反射又分為鏡反射和漫反射。3 3、鏡反射和漫反射、鏡反射和漫反射 漫反射是把來自任意方向、任意波長的投入輻漫反射是把來自任意方向、任意波長的投入輻射以均勻的強(qiáng)度（不是射以均勻的強(qiáng)度（不是“能量能量”）反射到半球空間）反射到半球空間所有方向

5、上去。所有方向上去。(a)(a)鏡反射鏡反射(b)(b)漫反射漫反射注：除了經(jīng)特殊處理的金屬表面，大注：除了經(jīng)特殊處理的金屬表面，大 部分工程材料均可視為漫射表面。部分工程材料均可視為漫射表面。 吸收比吸收比 = 1 = 1的物體稱為黑體。的物體稱為黑體。4 4、黑體、白體和透明體、黑體、白體和透明體 黑體、白體和透明體都是理想物體，自然界中黑體、白體和透明體都是理想物體，自然界中并不存在，主要用它們作為研究輻射規(guī)律的參照物。并不存在，主要用它們作為研究輻射規(guī)律的參照物。特別是黑體的概念，是整個(gè)熱輻射研究和工程應(yīng)用特別是黑體的概念，是整個(gè)熱輻射研究和工程應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。的理論基礎(chǔ)。 反射比反射

6、比 = 1 = 1的物體稱為白體（或鏡體）。的物體稱為白體（或鏡體）。 透射比透射比 = 1 = 1的物體稱之為透明體。的物體稱之為透明體。 對(duì)于某一特定波長下的輻射稱為光譜輻射或單對(duì)于某一特定波長下的輻射稱為光譜輻射或單色輻射。色輻射。5 5、光譜輻射（單色輻射）光譜輻射（單色輻射） 對(duì)光譜輻射相應(yīng)有光譜吸收比、光譜反射比和對(duì)光譜輻射相應(yīng)有光譜吸收比、光譜反射比和光譜透射比。光譜透射比。11)()()(關(guān)于物體的顏色關(guān)于物體的顏色 我們所看到的物體顏色是由于從該表面發(fā)出的我們所看到的物體顏色是由于從該表面發(fā)出的單色光線（輻射）投入到了我們的眼睛。單色光線（輻射）投入到了我們的眼睛。 而從表面

7、發(fā)出的輻射可能是自身發(fā)射的，也可而從表面發(fā)出的輻射可能是自身發(fā)射的，也可能是反射投入其表面上的可見光。能是反射投入其表面上的可見光。三、輻射力與輻射強(qiáng)度三、輻射力與輻射強(qiáng)度1 1、光譜、光譜輻射力輻射力 在單位時(shí)間內(nèi)物體單位面積上向半球空間所有在單位時(shí)間內(nèi)物體單位面積上向半球空間所有方向發(fā)射的從方向發(fā)射的從到到+ +d波長的輻射能稱為光譜輻射波長的輻射能稱為光譜輻射力，用符號(hào)力，用符號(hào)E 表示，單位為表示，單位為W/m3。2 2、輻射力輻射力 在單位時(shí)間內(nèi)物體單位面積上向半球空間所有在單位時(shí)間內(nèi)物體單位面積上向半球空間所有方向發(fā)射的全部波長范圍內(nèi)的輻射能稱為輻射力，方向發(fā)射的全部波長范圍內(nèi)的輻

8、射能稱為輻射力，用符號(hào)用符號(hào)E表示，單位為表示，單位為W/m2。0dEE3 3、定向輻射強(qiáng)度與定向輻射力、定向輻射強(qiáng)度與定向輻射力 定向輻射強(qiáng)度與定向輻射力都是表示輻射定向輻射強(qiáng)度與定向輻射力都是表示輻射在空在空間方向上的分布情況。介紹它們之前，先介紹幾個(gè)間方向上的分布情況。介紹它們之前，先介紹幾個(gè)的名詞。的名詞。(1) (1) 立體角立體角 立體角是指球面上的面立體角是指球面上的面積與球心所對(duì)應(yīng)的空間積與球心所對(duì)應(yīng)的空間角度角度。立體角的單位叫立體角的單位叫球面度，用球面度，用SrSr表示。表示。 2rA右圖中微元面積右圖中微元面積dAdA2 2對(duì)球?qū)η蛐乃鶑埖奈⒃Ⅲw角為：心所張的微元立體

9、角為：ddsindsindd22rrrAddsindd22rA(2) (2) 可見輻射面積可見輻射面積dAnp可見輻射可見輻射面積面積是指從空間某方向所看到是指從空間某方向所看到的表面有效面積。如右圖的表面有效面積。如右圖中的可見輻射面積為：中的可見輻射面積為：cosdAsr)W/(mdcosd)(d)(2AL是指單位時(shí)間內(nèi)在空間指定方向的單位立體角內(nèi)是指單位時(shí)間內(nèi)在空間指定方向的單位立體角內(nèi)離開表面單位看見輻射面積的全波段輻射能量。離開表面單位看見輻射面積的全波段輻射能量。用符號(hào)用符號(hào) 表示。表示。)(LdAnp可見輻射可見輻射面積面積)(d 如果僅考慮某特定如果僅考慮某特定波長的輻射，那么

10、相應(yīng)波長的輻射，那么相應(yīng)的量被稱為定向光譜輻的量被稱為定向光譜輻射強(qiáng)度射強(qiáng)度 。),(L因此可得：因此可得： 是指單位時(shí)間、單位輻射面積向空間指定方向是指單位時(shí)間、單位輻射面積向空間指定方向所在的單位立體角內(nèi)發(fā)射的全波段輻射能量。用所在的單位立體角內(nèi)發(fā)射的全波段輻射能量。用符號(hào)符號(hào) 表示。表示。EdAddE)(cos)(LE 2dEE一、黑體與黑體模型一、黑體與黑體模型 黑體是吸收比等于黑體是吸收比等于1 1的理想物體。它具有同溫度的理想物體。它具有同溫度下輻射能力最大的性質(zhì)。下輻射能力最大的性質(zhì)。 盡管在自然界并不存在黑體，但用人工的方法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

11、接近于黑體的模型。如：空腔上的可以制造出十分接近于黑體的模型。如：空腔上的小孔。小孔?？涨粌?nèi)壁的溫度應(yīng)均勻，空腔內(nèi)壁的溫度應(yīng)均勻，小孔的面積占總面積盡小孔的面積占總面積盡量小。小孔內(nèi)表面實(shí)際量小。小孔內(nèi)表面實(shí)際的吸收比對(duì)此影響不大。的吸收比對(duì)此影響不大。圖中應(yīng)是漫反射。圖中應(yīng)是漫反射。二、普朗克定律二、普朗克定律 黑體輻射的基本規(guī)律可以歸結(jié)為三個(gè)定律黑體輻射的基本規(guī)律可以歸結(jié)為三個(gè)定律普朗克定律、斯忒藩普朗克定律、斯忒藩-玻耳茲曼定律和蘭貝特定律。玻耳茲曼定律和蘭貝特定律。下面分別介紹。下面分別介紹。 1900 1900年，普朗克年，普朗克（M.Planck）在量子假設(shè)的在量子假設(shè)的基礎(chǔ)上，從

12、理論上確定了黑體輻射的光譜分布規(guī)律，基礎(chǔ)上，從理論上確定了黑體輻射的光譜分布規(guī)律，也就是普朗克定律。也就是普朗克定律。),(TfEb1251bT/CeCEC C1 1普朗克第一常數(shù)普朗克第一常數(shù)，C C1 1= 3.742= 3.7421010-16-16 W m2 ; ;C C2 2普朗克第二常數(shù)普朗克第二常數(shù)， C C2 2 = 1.439= 1.4391010-2-2 m K。 根據(jù)黑體輻射曲線可以根據(jù)黑體輻射曲線可以得以下規(guī)律：得以下規(guī)律：(1) (1) 溫度愈高，同一波溫度愈高，同一波長下的光譜輻射力愈大；長下的光譜輻射力愈大；(2) (2) 在一定的溫度下，黑體的光譜輻射力隨波長連

13、在一定的溫度下，黑體的光譜輻射力隨波長連續(xù)變化，并在某一波長下具有最大值；續(xù)變化，并在某一波長下具有最大值；(3) (3) 隨著溫度的升高，光譜輻射力取得最大值的波隨著溫度的升高，光譜輻射力取得最大值的波長長 maxmax愈來愈小，即在愈來愈小，即在 坐標(biāo)中的位置向短波方向坐標(biāo)中的位置向短波方向移動(dòng)。移動(dòng)。 根據(jù)黑體輻射曲線得到的規(guī)根據(jù)黑體輻射曲線得到的規(guī)律律(3)(3)，計(jì)算得到如下的關(guān)系：，計(jì)算得到如下的關(guān)系：維恩位移定律維恩位移定律 33max10921089762.TmK 上式被稱為維恩位移定律。上式被稱為維恩位移定律。計(jì)算溫度分別為計(jì)算溫度分別為300K和和5800K時(shí)最大光譜輻射力

14、時(shí)最大光譜輻射力所對(duì)應(yīng)的波長所對(duì)應(yīng)的波長 maxmax。m67. 9K 300Km 109 . 2 K, 3003maxTm5 . 0K 5800Km 109 . 2 K, 58003maxT三、斯忒藩三、斯忒藩- -玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律 黑體輻射的輻射力與溫度的關(guān)系遵循斯忒藩黑體輻射的輻射力與溫度的關(guān)系遵循斯忒藩- -波波爾茲曼定律：爾茲曼定律：04/510d1d2TeCEETCb4TEb40100TCEb)K W/(m67. 5C)K W/(m1067. 5420428波段范圍內(nèi)輻射力的計(jì)算波段范圍內(nèi)輻射力的計(jì)算21dbbEE為了計(jì)算上式，先計(jì)算為了計(jì)算上式，先計(jì)算（00 ) )的輻射

15、占總輻射的輻射占總輻射力的百分比力的百分比：0)/(51440)0(d11d2TcbbecTTEFTTcTfTecT0)/(515)()(d112表表8-28-2給出了黑體輻射函數(shù)表，即給出了黑體輻射函數(shù)表，即 f( T)的數(shù)值。的數(shù)值。T / (mK)Fb(0-) / % T / (mK)Fb(0-) / %10001100120013001400150016001700180019002000220024002600280030000.03230.09160.2140.4340.7821.2901.9792.8623.9465.2256.69010.1114.0518.3422.8227.

16、36 650070007500800085009000950010000120001400016000180002000022000240002600077.6680.8383.4685.6487.4789.0790.3291.4394.5196.2997.3898.0898.5698.8999.1299.30例題：計(jì)算太陽輻射中可見光所占的比例例題：計(jì)算太陽輻射中可見光所占的比例。解：太陽可認(rèn)為是表面溫度為解：太陽可認(rèn)為是表面溫度為T = 5762 K的黑體，的黑體，可見光的波長范圍是可見光的波長范圍是0.380.76 m ，即，即 1 = 0.38 m , 2 = 0.76 m , 于是于

17、是 24380T mK 12190T mK 由黑體輻射函數(shù)表可查得由黑體輻射函數(shù)表可查得 %.F94910b%.F595420b可見光所占的比例為可見光所占的比例為 %65.4412210b0bbFFF四、蘭貝特定律四、蘭貝特定律 蘭貝特定律是指定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)的規(guī)蘭貝特定律是指定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)的規(guī)律，即：律，即： 黑體輻射在空間上的分布符合蘭貝特定律，黑體輻射在空間上的分布符合蘭貝特定律，因因此，此，黑體輻射在半球空間上各個(gè)方向的定向輻射強(qiáng)黑體輻射在半球空間上各個(gè)方向的定向輻射強(qiáng)度相等，黑體表面必是漫射表面。度相等，黑體表面必是漫射表面。常量 LL)(ddcos)(dAL但是但是

18、服從蘭貝特定律的表面稱為漫射表面服從蘭貝特定律的表面稱為漫射表面但是漫射表面不一定是黑體。但是漫射表面不一定是黑體。 對(duì)于實(shí)際固體和液體的輻射特性是與黑體相比對(duì)于實(shí)際固體和液體的輻射特性是與黑體相比較而得到的。較而得到的。bEE 分別把實(shí)際固體和液體的輻射力、光譜輻射力分別把實(shí)際固體和液體的輻射力、光譜輻射力和定向輻射強(qiáng)度與同溫度下黑體的數(shù)值相比較，從和定向輻射強(qiáng)度與同溫度下黑體的數(shù)值相比較，從而得到發(fā)射率而得到發(fā)射率(黑度黑度)、光譜發(fā)射率、光譜發(fā)射率 （單色黑（單色黑度）和定向發(fā)射率度）和定向發(fā)射率 （定向黑度）的概念。（定向黑度）的概念。)()(bEE)(bLL)()(一、實(shí)際物體的光譜

19、輻射力一、實(shí)際物體的光譜輻射力 和光譜發(fā)射率和光譜發(fā)射率E)(1)(bEE)(二、實(shí)際物體的輻射力二、實(shí)際物體的輻射力 和發(fā)射率和發(fā)射率EbEE40d)(TEEEbb三、實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度三、實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度 和定向發(fā)射率和定向發(fā)射率)()(LbLL)()(幾種非金屬材料的定向發(fā)射率幾種非金屬材料的定向發(fā)射率幾種金屬材料的定向發(fā)射率幾種金屬材料的定向發(fā)射率導(dǎo)電體和非導(dǎo)電體圓球加熱到白熾溫度導(dǎo)電體和非導(dǎo)電體圓球加熱到白熾溫度時(shí)，觀察到的亮度情況。時(shí)，觀察到的亮度情況。材料類別和表面狀況材料類別和表面狀況溫度溫度法向發(fā)射率法向發(fā)射率鋼：拋光的鋼：拋光的40260402600.070.10

20、.070.1軋制的鋼板軋制的鋼板40400.650.65不銹鋼：拋光的不銹鋼：拋光的40400.070.170.070.17紅磚紅磚20200.880.930.880.93玻璃玻璃40400.940.94各種顏色的油漆各種顏色的油漆40400.920.960.920.96雪雪-120-1200.820.82水（厚度大于0.1mm）水（厚度大于0.1mm）010001000.960.96人體皮膚人體皮膚32320.980.98部分常見材料表面的法向發(fā)射率部分常見材料表面的法向發(fā)射率一、實(shí)際物體的光譜吸收比一、實(shí)際物體的光譜吸收比)()()()(GG根據(jù)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表根據(jù)前

21、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(biāo)量分布有關(guān)。設(shè)下標(biāo)1 1、2 2分別代表所研究的物體分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，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溫室大棚就是利用了玻璃對(duì)輻射能吸收的選擇性溫室大棚就是利用了玻璃對(duì)輻射能吸收的選擇性 物體從表面發(fā)出的輻射可能是自身發(fā)射的，也物體從表面發(fā)出的輻射可能是自身發(fā)射的，也可能是反射投

22、入其表面上的可見光?？赡苁欠瓷渫度肫浔砻嫔系目梢姽?。 如果物體全部吸收各種可見光，它就呈黑色；如果物體全部吸收各種可見光，它就呈黑色； 如果物體全部反射各種可見光，它就呈白色；如果物體全部反射各種可見光，它就呈白色； 如果物體只反射了一種波長的可見光，則它就如果物體只反射了一種波長的可見光，則它就呈現(xiàn)該反射的輻射線的顏色。呈現(xiàn)該反射的輻射線的顏色。紫紫 藍(lán)藍(lán) 青青 綠綠 黃黃 橙橙 赤赤可見光的波長范圍：可見光的波長范圍：0.380.380.76mm 實(shí)際物體的光譜吸收比對(duì)投入輻射的波長有選實(shí)際物體的光譜吸收比對(duì)投入輻射的波長有選擇性這一情況給輻射換熱的工程計(jì)算帶來很多不便。擇性這一情況給輻射

23、換熱的工程計(jì)算帶來很多不便。二、灰體二、灰體 光譜吸收比與波長光譜吸收比與波長無關(guān)的理想物體稱為灰無關(guān)的理想物體稱為灰體。體。常數(shù))( 在在紅外線紅外線的輻射范圍內(nèi)大多數(shù)工程材料可以當(dāng)?shù)妮椛浞秶鷥?nèi)大多數(shù)工程材料可以當(dāng)作灰體處理。作灰體處理。吸收比波長015 . 0三、基爾霍夫定律三、基爾霍夫定律 基爾霍夫定律給出基爾霍夫定律給出了實(shí)際物體輻射能力與了實(shí)際物體輻射能力與吸收能力的關(guān)系。吸收能力的關(guān)系。列出處于熱平衡時(shí)，實(shí)際列出處于熱平衡時(shí)，實(shí)際物體物體2 2的能量收支關(guān)系。的能量收支關(guān)系。bEEbEE 但是，這個(gè)等式是有條件的。但是，這個(gè)等式是有條件的。TT,無條件成立無條件成立TT,漫射表面漫射表面TT,灰體表面灰體表面 TT漫射灰體表面或與黑體漫射灰體