熱輻射基本定律和輻射特性

1、17.1 7.1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念熱輻射現(xiàn)象的基本概念 熱輻射在機理上與導熱、對流有根本的不同。熱輻射在機理上與導熱、對流有根本的不同。 導熱與對流是由于物質(zhì)微觀粒子的熱運量和物體的宏觀運動導熱與對流是由于物質(zhì)微觀粒子的熱運量和物體的宏觀運動所造成的能量轉移。所造成的能量轉移。 熱輻射是由于物質(zhì)的熱輻射是由于物質(zhì)的電磁運動電磁運動所引起的能量的傳遞。所引起的能量的傳遞。（1 1）熱輻射的定義和特點熱輻射的定義和特點2 輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。 電磁輻射的波長范圍很廣電磁輻射的波長范圍很廣, ,從長達數(shù)百米的無線電波到小于從長達數(shù)百米的無線電波到小于1010-

2、 -1414米的宇宙射線。米的宇宙射線。 由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁輻射稱為由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁輻射稱為熱輻射。熱輻射。 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 / m可可見見光光X射線射線 射線射線紫外線紫外線紅外線紅外線無線電波無線電波熱輻射熱輻射03 在工業(yè)上所遇到的溫度范圍內(nèi)（在工業(yè)上所遇到的溫度范圍內(nèi)（2000K2000K以下）以下）, ,最感興趣的是最感興趣的是波長約從波長約從0.38m0.38m到到0.76m0.76m的可見光和波長從可見光譜的紅端之的可見光和波長從可見光譜的紅端之外延伸到外延伸到1000m1000m的紅外線。

3、的紅外線。 有時以波長有時以波長25m25m為界為界, ,又將紅外線區(qū)分為近紅外區(qū)和遠紅外又將紅外線區(qū)分為近紅外區(qū)和遠紅外區(qū)。區(qū)。 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 / m可可見見光光X射線射線 射線射線紫外線紫外線紅外線紅外線無線電波無線電波熱輻射熱輻射04 理論上熱輻射的波長范圍從零到無窮大理論上熱輻射的波長范圍從零到無窮大, ,但在日常生活和但在日常生活和工業(yè)上常見的溫度范圍內(nèi)工業(yè)上常見的溫度范圍內(nèi), ,熱輻射的波長主要在熱輻射的波長主要在0.1m0.1m至至100m100m之間之間, ,包括部分紫外線、可見光和部分紅外線三個波段

4、。包括部分紫外線、可見光和部分紅外線三個波段。 輻射換熱輻射換熱: :以熱輻射的方式進行的熱量交換。以熱輻射的方式進行的熱量交換。5 只要物體的溫度高于只要物體的溫度高于0K0K, ,物體總是不斷地把熱能變化輻射物體總是不斷地把熱能變化輻射能能, ,向外發(fā)出熱輻射。向外發(fā)出熱輻射。 同時同時, ,物體也不斷地吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射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。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。輻射換熱就是指物體之間相互輻射和吸收的總效果。 一個物體如果與另一個物體相互能夠看得見一個物體如

5、果與另一個物體相互能夠看得見, ,那么它們之那么它們之間就會發(fā)生輻射熱交換。間就會發(fā)生輻射熱交換。 熱輻射不依靠中間媒介熱輻射不依靠中間媒介, ,可以在真空中傳播?？梢栽谡婵罩袀鞑ァ?輻射換熱的主要影響因素輻射換熱的主要影響因素: :（1 1）物體）物體本身的溫度本身的溫度、表面輻射特性表面輻射特性; ;（2 2）物體的）物體的大小大小、幾何形狀幾何形狀及及相對位置相對位置。7（2 2）物體表面對電磁波的作用物體表面對電磁波的作用 當熱輻射的能量投射到物體表面上時當熱輻射的能量投射到物體表面上時, ,會發(fā)生吸收、反射會發(fā)生吸收、反射和穿透現(xiàn)象。若外界投射到物體表面上的總能量為和穿透現(xiàn)象。若外界

6、投射到物體表面上的總能量為Q Q, ,一部分一部分Q Q 被物體吸收被物體吸收, ,一部分一部分Q Q 被物體反射被物體反射, ,一部分一部分Q Q 穿透物體。按能量穿透物體。按能量守恒定律有守恒定律有: : Q Q Q QQ Q Q Q QQQQ1QQQQQQ8 各部分百分數(shù)各部分百分數(shù)Q Q / /Q Q 、 Q Q / /Q Q 、Q Q / /Q Q 分別稱為該物體對投分別稱為該物體對投入輻射的吸收比、反射比和透射比入輻射的吸收比、反射比和透射比, ,記為記為 、 和和 。 于是于是1 實際上實際上,當輻射能進入固體或液體表面后當輻射能進入固體或液體表面后,在一個極短的距在一個極短的距

7、離內(nèi)就吸收完了。離內(nèi)就吸收完了。故對于固體和液體有故對于固體和液體有 因而對固體和液體因而對固體和液體, ,吸收能力大的物體其反射本領就小。吸收能力大的物體其反射本領就小。 19 由于熱射線不能穿過固體和液體由于熱射線不能穿過固體和液體, ,于是可以把它們的吸收于是可以把它們的吸收和反射視為一個表面過程和反射視為一個表面過程, ,它們自身輻射也應在表面完成。因它們自身輻射也應在表面完成。因此此, ,固體和液體上的熱輻射是表面輻射。固體和液體上的熱輻射是表面輻射。 輻射能投射到氣體上時，情況與投射到固體或液體上不輻射能投射到氣體上時，情況與投射到固體或液體上不同。氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，可

8、認為反射比，同。氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，可認為反射比， = = 0 0，故有，故有1 氣體對熱射線的吸收和穿透是在空間中進行的氣體對熱射線的吸收和穿透是在空間中進行的, ,其自身的其自身的輻射也是在空間中完成的。因此輻射也是在空間中完成的。因此, ,氣體的熱輻射是容積輻射。氣體的熱輻射是容積輻射。 10注意注意: : （1 1） 、屬于物體的輻射特性屬于物體的輻射特性, ,取決于物體的種取決于物體的種類、溫度和表面狀況類、溫度和表面狀況, ,是波長的函數(shù)。是波長的函數(shù)。 , , 不僅取決于物體的性質(zhì)不僅取決于物體的性質(zhì), ,還與投射輻射還與投射輻射能的波長分布有關。能的波長分布有關。 （

9、2 2）固體和液體對輻射能的吸收和反射基本上屬于表面）固體和液體對輻射能的吸收和反射基本上屬于表面效應。金屬效應。金屬: :表面層厚度小于表面層厚度小于1m1m; ;絕大多數(shù)非金屬絕大多數(shù)非金屬: :表面層表面層厚度小于厚度小于1mm1mm。 （3 3）對于固體和液體）對于固體和液體, , = 0, + =1 = 0, + =1 。11 由于不同物體的吸收比、反射比和透射比因具體條件不同由于不同物體的吸收比、反射比和透射比因具體條件不同差別很大差別很大, ,給熱輻射的計算帶來很大困難。為了使問題簡化給熱輻射的計算帶來很大困難。為了使問題簡化, ,我我們定義了一些理想物體。們定義了一些理想物體。

10、 對于透射比對于透射比=1=1的物體稱為的物體稱為透明體透明體。 反射比反射比=1=1物體稱為物體稱為白體白體（具有漫反射的表面）或（具有漫反射的表面）或鏡體鏡體（具有鏡反射的表面）。（具有鏡反射的表面）。 物體表面是漫反射還是鏡反射物體表面是漫反射還是鏡反射, ,這要取決于物體表面相對這要取決于物體表面相對于輻射波長的表面粗糙程度。于輻射波長的表面粗糙程度。12 當表面的不平整尺寸小于投入輻射當表面的不平整尺寸小于投入輻射的波長時的波長時, ,形成鏡面反射形成鏡面反射, ,此時入射角此時入射角等于反射角。高度磨光的金屬板會形等于反射角。高度磨光的金屬板會形成鏡面反射。成鏡面反射。 當表面的不

11、平整尺寸大于投入輻當表面的不平整尺寸大于投入輻射的波長時形成漫反射。這時從某一射的波長時形成漫反射。這時從某一方向投射到物體表面上的輻射向空間方向投射到物體表面上的輻射向空間各方向反射出去。各方向反射出去。 1 2 1= 213 吸收比吸收比 =1=1的物體的物體, ,稱為稱為絕對黑體絕對黑體, ,簡稱簡稱黑體黑體。 盡管自然界并不存在黑體盡管自然界并不存在黑體,用人工的方法可以制造出十分用人工的方法可以制造出十分接近于黑體的模型。接近于黑體的模型。 選用吸收比小于選用吸收比小于1 1的材料制造一個空腔的材料制造一個空腔, ,并并在空腔壁面上開一個小孔在空腔壁面上開一個小孔, ,再設法使空腔壁

12、面再設法使空腔壁面保持均勻的溫度。這時空腔上的小孔就具有保持均勻的溫度。這時空腔上的小孔就具有黑體輻射的特性。黑體輻射的特性。 14 若小孔占內(nèi)壁面積小于若小孔占內(nèi)壁面積小于0.6%0.6%, ,當內(nèi)當內(nèi)壁吸收比為壁吸收比為0.60.6時時, ,小孔的吸收比可大小孔的吸收比可大于于0.9960.996。 黑體將所有投射在它上面的一切黑體將所有投射在它上面的一切波長和所有方向上的輻射能全部吸收波長和所有方向上的輻射能全部吸收, ,在所有物體之中在所有物體之中, ,它吸收熱輻射的能它吸收熱輻射的能力最強。力最強。157.2 7.2 黑體熱輻射的基本定律黑體熱輻射的基本定律（1 1）輻射力）輻射力

13、總輻射力總輻射力 輻射力也稱全色輻射力輻射力也稱全色輻射力,其定義為其定義為單位時間單位輻射面積單位時間單位輻射面積向半球空間輻射出去的一切波長的輻射能量。向半球空間輻射出去的一切波長的輻射能量。dAdQE 式中式中: :E E為輻射力為輻射力, ,其單位為其單位為W/mW/m2 2; ;dQdQ為微元面積為微元面積dAdA向半球空間輻向半球空間輻射出去的總輻射能。射出去的總輻射能。16 單色輻射力（光譜輻射力）單色輻射力（光譜輻射力） 單色輻射力被定義為單色輻射力被定義為單位時間單位輻射面積向半球空間輻單位時間單位輻射面積向半球空間輻射出去的某一波長范圍的輻射能量射出去的某一波長范圍的輻射能

14、量, ,用來描述輻射能量隨波長用來描述輻射能量隨波長的分布特征。的分布特征。 E E為物體表面的單色輻射力為物體表面的單色輻射力; ;dQdQ為微元面積為微元面積dAdA向半球空間輻向半球空間輻射出去的某一波長的輻射能射出去的某一波長的輻射能; ;為熱射線的波長為熱射線的波長, ,單位為單位為mm。dAdQddAdQE2輻射力和單色輻射力之間的關系輻射力和單色輻射力之間的關系 :0dEE17 方向輻射力（定向輻射力）方向輻射力（定向輻射力） 方向輻射力是定義來描述物體表面輻射能量在半球空間中方向輻射力是定義來描述物體表面輻射能量在半球空間中的分布特征的分布特征, ,其定義為其定義為單位時間單位

15、輻射面積向半球空間中某單位時間單位輻射面積向半球空間中某一個方向上單位立體角內(nèi)輻射的所有波長的輻射能量。一個方向上單位立體角內(nèi)輻射的所有波長的輻射能量。 dd為微元為微元立體角立體角dAdQdE2方向輻射力與輻射力之間的關系方向輻射力與輻射力之間的關系:2EE d18立體角是用來衡量空間中的面相對于某一點所立體角是用來衡量空間中的面相對于某一點所張開的空間角度的大小，如圖張開的空間角度的大小，如圖c所示，其定義所示，其定義為：為：2rdfddf為空間中的微元面積，為空間中的微元面積，r為該面積與發(fā)射點之為該面積與發(fā)射點之間的距離。間的距離。dAdA dAdfrddQdQ（a）微元表面總輻射）微

16、元表面總輻射 （b）微元表面單色輻射）微元表面單色輻射 （c）微元表面方向輻射）微元表面方向輻射1920在球坐標系中，如圖所示，按幾何關系有在球坐標系中，如圖所示，按幾何關系有其單位為其單位為W/(m2Sr)，Sr為為球面度球面度,是立體角的單位。是立體角的單位。dddfn球坐標系中的立體角球坐標系中的立體角rrdrddfsinddrdfdsin2dAddQdEsin2由于半球面積為由于半球面積為2r2,故半球面對球心所張開故半球面對球心所張開的立體角的立體角=2Sr。21 輻射強度輻射強度 由于處于不同的空間位置所能看見的輻射面積由于處于不同的空間位置所能看見的輻射面積是變化的，也就是隨著是

17、變化的，也就是隨著角的增大，輻射面積角的增大，輻射面積在該方向上的可見面積（投影面積）就越小在該方向上的可見面積（投影面積）就越小。dAcosdAnd輻射強度的定義圖輻射強度的定義圖定義定義輻射強度輻射強度，用以，用以表示單表示單位時間在某一輻射方向上的位時間在某一輻射方向上的單位可見輻射面積單位可見輻射面積向該方向向該方向單位立體角內(nèi)輻射的所有波單位立體角內(nèi)輻射的所有波長的輻射能。長的輻射能。22dAcosdAnd輻射強度的定義圖輻射強度的定義圖dAdQdIcos2單位為單位為W/(m2Sr)，式中，式中 為給定方向上的可見輻射面積，為給定方向上的可見輻射面積，也就是垂直于該方向的流通面也就

18、是垂直于該方向的流通面積。積。 dAcos輻射強度與方向輻射力的關系輻射強度與方向輻射力的關系 :cosIE與輻射力之間的關系與輻射力之間的關系 : 2020sincosddIE23（2 2）黑體輻射基本定律）黑體輻射基本定律 普朗克定律普朗克定律普朗克定律表示的是黑體的輻射能按波長的分普朗克定律表示的是黑體的輻射能按波長的分布規(guī)律布規(guī)律,給出了黑體的單色輻射力與熱力學溫度給出了黑體的單色輻射力與熱力學溫度T、波長、波長 之間的函數(shù)關系之間的函數(shù)關系,由量子理論得到的數(shù)由量子理論得到的數(shù)學表達式為學表達式為:c1為第一輻射常數(shù)為第一輻射常數(shù),c1=3.742 10-16Wm2;c2為第二輻射常

19、數(shù)為第二輻射常數(shù),c2=1.4388 10-2mK1)(512TcbecE24圖中給出了在溫度為參變量下的單色輻射力隨圖中給出了在溫度為參變量下的單色輻射力隨波長變化的一組曲線。單色輻射力隨著波長的波長變化的一組曲線。單色輻射力隨著波長的增加而增加，達到某一最大值后又隨著波長的增加而增加，達到某一最大值后又隨著波長的增加而慢慢減小。增加而慢慢減小。 在同一波長下黑體溫度在同一波長下黑體溫度越高，對應的單色輻射越高，對應的單色輻射力越大。力越大。 T1T2T1T2 d E 25E Ebb0 0T T1 1T T2 2T T3 3T T5 5黑體單色輻射力隨波長和溫度變化黑體單色輻射力隨波長和溫度

20、變化T T4 4隨著溫度的升高黑體輻隨著溫度的升高黑體輻射能的分布在向波長短射能的分布在向波長短的方向集中，也就是高的方向集中，也就是高溫輻射中短波熱射線含溫輻射中短波熱射線含量大而長波熱射線含量量大而長波熱射線含量相對少。相對少。 維恩位移定律維恩位移定律 26Eb 最大處的波長最大處的波長 m也隨溫度不同而變也隨溫度不同而變化。令化。令 0bEKm109 . 2Km108976. 233Tm可見可見 m與與T成反比，成反比，T越高，越高， 則則 m越小，這一越小，這一規(guī)律為維恩（規(guī)律為維恩（Wien）位移定律，歷史上先發(fā)現(xiàn)）位移定律，歷史上先發(fā)現(xiàn)的是的是維恩位移定律維恩位移定律。27例例7

21、-1:試分別計算溫度為試分別計算溫度為2000K和和5800K的黑的黑體的最大光譜輻射力所對應的波長體的最大光譜輻射力所對應的波長 m 。解解:按按Km109 . 23Tm計算計算:當當T=2000K時時, m1045. 1K2000Km109 . 263m當當T=5800K時時, m105 . 0K5800Km109 . 263m可見工業(yè)上一般高溫輻射（可見工業(yè)上一般高溫輻射（2000K內(nèi)）內(nèi)）,黑體最大光譜黑體最大光譜輻射力的波長位于紅外線區(qū)段輻射力的波長位于紅外線區(qū)段,而太陽輻射（而太陽輻射（5800K）對應的最大光譜輻射的波長則位于可見光區(qū)段。對應的最大光譜輻射的波長則位于可見光區(qū)段。

22、28 斯忒藩波爾茲曼定律斯忒藩波爾茲曼定律 在黑體輻射的研究中在黑體輻射的研究中,斯忒藩（斯忒藩（Stefan）于）于1879年由年由實驗確定黑體的輻射力與熱力學溫度之間的關系實驗確定黑體的輻射力與熱力學溫度之間的關系,其后其后由波爾茲曼（由波爾茲曼（Boltzmann）于）于1884年從熱力學關系式年從熱力學關系式導出。導出。 Eb為黑體的輻射力（為黑體的輻射力（W/m2）;T為為黑體的絕對溫度黑體的絕對溫度（K）;0為斯忒藩波爾茲曼常數(shù)為斯忒藩波爾茲曼常數(shù),其值為其值為5.6710-8W/(m2K4);C0為黑體輻射系數(shù)（為黑體輻射系數(shù)（5.67 W/(m2K4)）40400/510b10

23、012TCTdeCdEETCb29例例7-2：一黑體置于室溫為一黑體置于室溫為27的廠房中，試的廠房中，試求在熱平衡條件下黑體表面的輻射力。如果將求在熱平衡條件下黑體表面的輻射力。如果將黑體加熱到黑體加熱到327，它的輻射力又是多少？，它的輻射力又是多少？解：解：在熱平衡條件下，黑體溫度與室溫相同，在熱平衡條件下，黑體溫度與室溫相同，輻射力為：輻射力為：244424101W/m459K10027327KmW67. 5100TcEb327黑體的輻射力為黑體的輻射力為244424202W/m7350K100273327KmW67. 5100TcEb30 蘭貝特定律蘭貝特定律 （LambertLam

24、bert）（余弦定律）（余弦定律）黑體輻射的輻射強度與方向無關黑體輻射的輻射強度與方向無關,即即 .constIdAdQdIcos2因為因為 故對于服從蘭貝特定律的輻射有故對于服從蘭貝特定律的輻射有:cos)(2IdAddQ即單位輻射面積發(fā)出的輻射能即單位輻射面積發(fā)出的輻射能,落到空間不同方落到空間不同方向單位立體角的能量的數(shù)值不相等向單位立體角的能量的數(shù)值不相等,其值正比于其值正比于該方向與輻射面法線方向夾角的余弦。所以蘭該方向與輻射面法線方向夾角的余弦。所以蘭貝特定律又稱貝特定律又稱余弦定律余弦定律。31 2020sincosddIEbbIIE因此，對遵守蘭貝特定律的輻射，輻射力在數(shù)因此，

25、對遵守蘭貝特定律的輻射，輻射力在數(shù)值上等于輻射強度的值上等于輻射強度的 倍。倍。327.3 7.3 固體和液體的輻射特性固體和液體的輻射特性1. 1. 實際物體的輻射力實際物體的輻射力實際物體表面的熱輻射實際物體表面的熱輻射性能均弱于黑體表面。性能均弱于黑體表面。實際物體的光譜輻射力實際物體的光譜輻射力往往隨波長作不規(guī)則的往往隨波長作不規(guī)則的變化。變化。黑體黑體 E 實際實際物體物體圖為同溫度下黑體輻射和實際物體輻射的單色輻射圖為同溫度下黑體輻射和實際物體輻射的單色輻射力隨波長變化的曲線。力隨波長變化的曲線。33 實際實際表面表面的輻射力與同溫度下黑體輻射的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值力的

26、比值,稱為稱為黑度黑度（發(fā)射率）。（發(fā)射率）。 黑度僅僅與物體表面自身的輻射特性相關黑度僅僅與物體表面自身的輻射特性相關,也就是與物體的種類和它的表面特征相關以及也就是與物體的種類和它的表面特征相關以及和物體的溫度相關和物體的溫度相關,而與物體外部的情況無關。而與物體外部的情況無關。 總發(fā)射率總發(fā)射率bEE34實際表面的單色輻射力與實際表面的單色輻射力與同溫度下黑體表面的單色同溫度下黑體表面的單色輻射力之比輻射力之比 單色發(fā)射率（光譜發(fā)射率）單色發(fā)射率（光譜發(fā)射率） bEEb0bEdE發(fā)射率與單色發(fā)射率之間發(fā)射率與單色發(fā)射率之間的關系為的關系為 35 物體表面在某方向上的方向輻射力與同溫度黑物

27、體表面在某方向上的方向輻射力與同溫度黑體輻射在該方向上的方向輻射力之比體輻射在該方向上的方向輻射力之比,亦可表示為物亦可表示為物體在某方向上的輻射強度與同溫度黑體輻射在該方體在某方向上的輻射強度與同溫度黑體輻射在該方向上的輻射強度之比向上的輻射強度之比 方向發(fā)射率方向發(fā)射率( (定向發(fā)射率）定向發(fā)射率） bbbIIIIEEcoscos 如果實際物體的方向輻射力遵守蘭貝特定律如果實際物體的方向輻射力遵守蘭貝特定律,該物該物體表面稱為漫射表面。黑體表面就是漫射表面。體表面稱為漫射表面。黑體表面就是漫射表面。36如果實際物體是漫射表面如果實際物體是漫射表面,則其方向輻射率應等于常則其方向輻射率應等于

28、常數(shù)數(shù),而與角度無關。而與角度無關。事實上實際物體不是漫發(fā)射體事實上實際物體不是漫發(fā)射體,即輻射強度在空間各即輻射強度在空間各個方向的分布不遵循蘭貝特定律個方向的分布不遵循蘭貝特定律,是方向角的函數(shù)。是方向角的函數(shù)。 對于非金屬表面在很大范圍對于非金屬表面在很大范圍內(nèi)方向黑度為一個常數(shù)值內(nèi)方向黑度為一個常數(shù)值,表表現(xiàn)出等強輻射的特征現(xiàn)出等強輻射的特征,而在而在60之后方向黑度急劇減小之后方向黑度急劇減小 37對于金屬表面在一個小的對于金屬表面在一個小的角范圍內(nèi)亦有等強角范圍內(nèi)亦有等強輻射的特征輻射的特征,方向黑度可視為不變方向黑度可視為不變,然后隨著然后隨著角角增大而急劇增大增大而急劇增大,直

29、到直到接近接近90才有減小。才有減小。 38例例7-3:試計算溫度處于試計算溫度處于1400的碳化硅涂料表的碳化硅涂料表面的輻射力。面的輻射力。解解:由表查得對由表查得對10101400,碳化硅碳化硅 n =0.820.92,故可取對應故可取對應1400的的 n為為0.92,即即 = n =0.92,輻射力為輻射力為: 23444240W/m10409K1002731400KmW67. 592. 0100TcE39 實際物體發(fā)射率數(shù)值大小取決于材料的種類、溫度和表面實際物體發(fā)射率數(shù)值大小取決于材料的種類、溫度和表面狀況狀況, ,通常由實驗測定。對絕大多數(shù)實際工程材料來說通常由實驗測定。對絕大多

30、數(shù)實際工程材料來說, ,可以近可以近似地認為半球總發(fā)射率等于法向總發(fā)射率似地認為半球總發(fā)射率等于法向總發(fā)射率, ,即即 n n金屬表面金屬表面M M取取1-1.31-1.3, ,非導體非導體M M取取0.95-1.00.95-1.0。除了高度磨光。除了高度磨光的表面外的表面外, ,工程計算中一般工程計算中一般取取M=1M=1, ,一般工程手冊上給出一般工程手冊上給出的物體發(fā)射率常為法向發(fā)射的物體發(fā)射率常為法向發(fā)射率率, ,將物體表面間的輻射傳將物體表面間的輻射傳熱看作漫射體。熱看作漫射體。40實際物體的發(fā)射率具有以下實際物體的發(fā)射率具有以下特點特點: :（1 1）金屬表面發(fā)射率偏?。┙饘俦砻姘l(fā)

31、射率偏小, ,且隨波長的增大而減小且隨波長的增大而減小, ,一般隨一般隨溫度升高而增大溫度升高而增大; ;（2 2）非金屬表面發(fā)射率較高）非金屬表面發(fā)射率較高, ,且隨著波長的增大而增大且隨著波長的增大而增大, ,一一般還隨溫度升高而減小般還隨溫度升高而減小; ;（3 3）法向發(fā)射率隨溫度的變化規(guī)律與光譜法向發(fā)射率隨波）法向發(fā)射率隨溫度的變化規(guī)律與光譜法向發(fā)射率隨波長的變化規(guī)律有關長的變化規(guī)律有關, ,因為溫度越高因為溫度越高, ,短波輻射的比例越大。短波輻射的比例越大。（4 4）材料的表面狀況（粗糙度、氧化程度等）是影響發(fā)射）材料的表面狀況（粗糙度、氧化程度等）是影響發(fā)射率大小的重要因素。率

32、大小的重要因素。4142437.4 7.4 實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系實際物體表面對熱輻射的吸收是針對投入輻射實際物體表面對熱輻射的吸收是針對投入輻射而言的而言的。實際物體對入射輻射吸收的百分數(shù)稱之為該物實際物體對入射輻射吸收的百分數(shù)稱之為該物體的體的吸收比吸收比。 物體表面的吸收特性就不僅僅與物體表面的吸收特性就不僅僅與物體的物質(zhì)結物體的物質(zhì)結構、表面特征以及溫度狀況有關構、表面特征以及溫度狀況有關,而且還與而且還與投投入輻射的輻射能隨波長和溫度的變化入輻射的輻射能隨波長和溫度的變化密切相關。密切相關。 （1 1）實際物體的吸收比實際物體的吸收比44

33、輻射源溫度對吸收比的影響是因為實際物體的輻射源溫度對吸收比的影響是因為實際物體的單色吸收比不等于常數(shù)的緣故。單色吸收比不等于常數(shù)的緣故。 假定投入輻射來自黑體表面假定投入輻射來自黑體表面2,那么吸收表面那么吸收表面1對其的吸收比可以定義為對其的吸收比可以定義為: )()()()()()(420021020211TdTETdTEdTETbbb為物體表面對黑體輻射的為物體表面對黑體輻射的單色吸收比單色吸收比（光譜吸收比）（光譜吸收比） ),(1T下面給出了實驗得出的一些材料對黑體輻射的下面給出了實驗得出的一些材料對黑體輻射的單色吸收比隨黑體溫度的變化關系。單色吸收比隨黑體溫度的變化關系。 4546

34、物體表面的單色吸收率隨波長變化的特性稱為物體表面的單色吸收率隨波長變化的特性稱為物體表物體表面對波長（光譜）的選擇性面對波長（光譜）的選擇性。 暖房暖房：當太陽光照射到玻：當太陽光照射到玻璃上時，玻璃對波長小于璃上時，玻璃對波長小于3 3 m m的輻射能吸收比很小，的輻射能吸收比很小，從而使大部分太陽能可以從而使大部分太陽能可以進入到暖房內(nèi)。暖房中的進入到暖房內(nèi)。暖房中的物體溫度低，輻射能絕大物體溫度低，輻射能絕大部分位于紅外區(qū)，而玻璃部分位于紅外區(qū)，而玻璃對于波長大于對于波長大于3 3 m m的輻射能的輻射能吸收比很大，阻止了輻射吸收比很大，阻止了輻射能向暖房外的散失。能向暖房外的散失。47

35、墨鏡墨鏡:焊接工人工作時帶一黑色眼鏡是為了讓對人體焊接工人工作時帶一黑色眼鏡是為了讓對人體有害的紫外線能被特種玻璃所吸收。有害的紫外線能被特種玻璃所吸收。五顏六色的世界五顏六色的世界:當陽光照射到一個物體表面時當陽光照射到一個物體表面時,如果該物體幾乎全部如果該物體幾乎全部吸收各種可見光吸收各種可見光,它就是黑色它就是黑色;如果幾乎全部反射可見光如果幾乎全部反射可見光,它就是白色它就是白色;如果幾乎均勻吸收各色可見光并均勻地反射各色可如果幾乎均勻吸收各色可見光并均勻地反射各色可見光見光,它就是灰色它就是灰色;如果只反射了一種波長的可見光而幾乎全部吸收了如果只反射了一種波長的可見光而幾乎全部吸收

36、了其它可見光其它可見光,則它就呈現(xiàn)被反射的這種輻射線的顏色。則它就呈現(xiàn)被反射的這種輻射線的顏色。48如果投入輻射不是來自黑體如果投入輻射不是來自黑體,則必須研究物體則必須研究物體表面單色吸收率隨投入輻射波長變化的規(guī)律。表面單色吸收率隨投入輻射波長變化的規(guī)律。 如果物體表面的單色吸收比為常數(shù)如果物體表面的單色吸收比為常數(shù) .const)()()()()()(420021020211TdTETdTEdTETbbb那么它的吸收比也就為常數(shù)那么它的吸收比也就為常數(shù) 。把把灰體灰體定義為單色吸收比為常數(shù)的物體定義為單色吸收比為常數(shù)的物體。 灰體也是一種理想的輻射表面灰體也是一種理想的輻射表面,實際表面在

37、一定實際表面在一定條件下可以認為其具有灰體的特性。條件下可以認為其具有灰體的特性。49灰體是從物體表面對投入輻射的吸收特性上去灰體是從物體表面對投入輻射的吸收特性上去定義的，如果再在其發(fā)射特性上給予等強輻射定義的，如果再在其發(fā)射特性上給予等強輻射的假設，即認為是漫射表面，也就是漫射灰表的假設，即認為是漫射表面，也就是漫射灰表面，簡稱面，簡稱漫灰表面漫灰表面。漫射灰表面的方向發(fā)射率和方向吸收比與方向漫射灰表面的方向發(fā)射率和方向吸收比與方向無關，單色發(fā)射率和單色吸收比與波長無關，無關，單色發(fā)射率和單色吸收比與波長無關，所以它對于來自任何方向和任何波長的入射輻所以它對于來自任何方向和任何波長的入射輻

38、射的吸收比均為常數(shù)，同時其發(fā)射的輻射也等射的吸收比均為常數(shù)，同時其發(fā)射的輻射也等于對任何方向和任何波長的黑體輻射的一個固于對任何方向和任何波長的黑體輻射的一個固定份額。定份額。 50（2 2）實際物體輻射與吸收之間的關系實際物體輻射與吸收之間的關系T T1 1T2EEb Eb(1- )Eb實際物體的輻射和吸收之間有聯(lián)系實際物體的輻射和吸收之間有聯(lián)系,這這就是就是基爾霍夫定律基爾霍夫定律。假定兩塊平行平板距離很近假定兩塊平行平板距離很近,從一塊從一塊板發(fā)出的輻射能全部落到另一塊板上。板發(fā)出的輻射能全部落到另一塊板上。若板若板1為黑體表面為黑體表面,板板2為任意物體的為任意物體的表面。表面。兩者的

39、輻射力、吸收比和表面溫度分別兩者的輻射力、吸收比和表面溫度分別為為Eb、 b(=1)、T1、E、 和和T2。51板板2發(fā)出的輻射能發(fā)出的輻射能E全部被板全部被板1吸收，而板吸收，而板1發(fā)發(fā)出的輻射能出的輻射能Eb只被板只被板2吸收吸收 Eb ，對板，對板2能量能量收支為：收支為：bEEq當體系處于熱平衡時當體系處于熱平衡時T1=T2，q=0,所以有所以有bEEqbEEbEE或或T1T2EEb Eb(1- )Eb52基爾霍夫定律的基爾霍夫定律的兩種數(shù)學表達式兩種數(shù)學表達式。在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和它對在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和它對來自黑體輻射的吸收比的比值恒等于同溫度來自黑體輻

40、射的吸收比的比值恒等于同溫度下黑體的輻射力。下黑體的輻射力。熱平衡時任意物體對黑體投入輻射的吸收比熱平衡時任意物體對黑體投入輻射的吸收比等于同溫度下該物體的發(fā)射率。等于同溫度下該物體的發(fā)射率。bEEbEE或或53基爾霍夫定律是在基爾霍夫定律是在物體與黑體投入輻射物體與黑體投入輻射處于處于熱平衡熱平衡條件條件下得出的。下得出的。對于灰體對于灰體,由于其單色吸收比不隨波長變化由于其單色吸收比不隨波長變化,所以灰所以灰體的吸收比等于其發(fā)射率體的吸收比等于其發(fā)射率,與投射源的溫度無關與投射源的溫度無關,那那么不論物體與外界是否處于熱平衡狀態(tài)么不論物體與外界是否處于熱平衡狀態(tài),也不論投入也不論投入輻射是否來自黑體輻射是否來自黑體,都存在都存在灰體無條件滿足基爾霍夫定律灰體無條件滿足基爾霍夫定律。 54說明說明（1）基爾霍夫定律有幾種不同層次上的表達）基爾霍夫定律有幾種不同層次上的表達式，歸納