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1、第七章 热辐射基本定及物体的辐射特性,7-1 热辐射的基本概念,一.热辐射本质及特点、基本概念辐射：发射辐射能是各类物质的固有特性。当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。热辐射:由于自身温度或热运动的原因面激发产生的电磁波传播，就称热辐射。,、特点：不需要物体直接接触。热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。辐射：辐射体内热能辐射能；吸收：辐射能受射体内热能 只要温度大于零就有能量辐射。不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能，物
2、体的辐射能力与其温度性质有关。与绝对温度的四次方成正比。,、电磁波谱,电磁辐射包含了多种形式，如图7-1所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1100m。电磁波的传播速度：C=f 式中：f 频率，s-1;波长，m,电 磁 辐 射 波 谱,图7-1,当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图7-2所示。,3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透,图7.2 物体对热辐射的吸收反射和穿透,对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型：黑体：=1=0=0；白体：=0=1=0；透明体：=0=0=1,自然界和工程应用中，
3、完全符合理想要求的黑体、白体和透明体虽然并不存在，但和它们根相象的物体却是有的。例如，煤炭的吸收比达到0.96，磨光的金子反射比几乎等于0.98，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。但是，在分析实际物体表面的吸收、反射和透过特性的时候，必须非常谨慎地对待波长，尤其要注意不能以肉眼的直观感觉来判断某物体吸收比的高低。,在理解上述基本概念时，应注意以下几个问题：镜反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。镜面反射：入射角=反射角，表面粗糙度波长物体的颜色。关键在于是物体本身发射可见光还是物体反射可见光。理想辐射模型均是对全波长而言的。,图7-4 漫反射,图7-3 镜反射,黑体具有最大的吸收力(=1)
4、，同时亦具有最大的辐射力(=1)。在实际物体中不存在绝对黑体，为此引出人工黑体，如图所示。,具有一个小孔的等温空腔表面，若有外部投射辐射从小孔进入空腔内，必将在其内表面经历无数次的吸收和反射，最后能够从小孔重新选出去的辐射能量必定微乎其微。认为几乎全部入射能量都被空腔吸收殆尽。从这个意义上讲，小孔非常接近黑体的性质。,1.黑体概念 黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。,图7-5 黑体模型,7-2 黑体辐射的基本定律,辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。(W/m2)；
5、从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。光谱辐射力E：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。(W/m3)；,2.热辐射能量的表示方法,E、E关系:,显然，E和E之间具有如下关系：,黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为Eb,3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质,式中，波长，m；T 黑体温度，K；c1 第一辐射常数，3.74210-16 Wm2；c2 第二辐射常数，1.438810-2 WK；,(1)普朗克Planck定律(第一个定律)(1900年）：,图7-6 Planck 定律的图示,黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系
6、,分析:在一定温度下，黑体在不同波长范围内辐射能量各不相同。维恩位移定律：随着温度T增高，最大单色辐射力Eb,max所对应的峰值波长max逐渐向短波方向移动,max*T=2897.6K。黑体T1400K，辐射大部分能量集中在=0.76-10m内，从而可以忽略可见光。常温下，实际物体的辐射主要是红外辐射。,维恩Wien位移定律（1893热力学理论得出）m与T 的关系由Wien位移定律给出：,维恩位移定律的发现在普朗克定律之前，但可以通过将普朗克定律对求导得到。,例题7-1 试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大单色辐射力所对应的波长。解：应用Wien位移定律 T=2000K 时 ma
7、x=2.910-3/2000=1.45 m T=5800K 时 max=2.910-3/5800=0.50 m 常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区 太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区,(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律),式中，=5.6710-8 w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。,描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。,1879年Stefan实验，1884年 Boltzman热力学理论得出；将Planks Law积分即得。,(3)黑体辐射函数,在实际中，有时需求出某一特定波长的辐射能量。即下图中的在1和2之间的线下面积。黑体在波长1和2区段
8、内所发射的辐射力，如图7-7所示：,图7-7 特定波长区段内的黑体辐射力,黑体辐射函数:,通常把波段区间的辐射能表示为同温度下黑体辐射力（从0到的整个波谱的辐射能）的百分数，记作。,黑体辐射函数,定义：立体角为一空间角，即被立体角所切割的球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)。,(4)立体角,图7-8 立体角定义图,可见面积：任意微元表面在空间指定方向上发射出的辐射能量的强弱，首先必须在相同立体角的基础上作比较才有意义。但这还不够，因为在不同方向上所能看到的辐射面积是不一样的。参见图 7-10，微元辐射面 dAe 位于球心地面上，在任意方向p看到的辐射面积不是dAe，而是dA
9、 cos。所以，不同方向上辐射能量的强弱，还要在相同的看得见的辐射面积的基础上才能作合理的比较。,图7-9 计算微元立体角的几何关系,定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图7-10。,(5)定向辐射强度L(,)：,(6)Lambert定律(黑体辐射的第三个基本定律),它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变化。Lambert定律也称为余弦定律。黑体辐射能在空间不同方向上的分布不均匀：法向最大，切向最小（为零）。,图7-10 定向辐射强 度的定义图,图7-11 Lambert定律图示,沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:,黑体辐射的
10、定向强度与方向无关,注意：1）对服从Lambert定律的表面，辐射强度与辐射力的关系。2）定向辐射强度与方向无关的表面漫射表面3）对黑体辐射强度的理解：相当于“灯泡亮度”，即从不同方向看过去，其亮度都是一样的。,黑体辐射定律小结、Stefan-Boltzmann定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的全部波长的能量，即对方向和波长都积分的结果、Planck定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的能量沿波长分布的规律，即只对方向积分，但研究的是某一波长。、Lambert定律：描述黑体在某一温度下所辐射的全部波长的能量沿半球空间方向上的分布规律，即只对波长积分，但研究的是某一方
11、向。对黑体而言，辐射强度是常数。,7-3 实际固体和液体的辐射特性,1 发射率前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；因此，定义了发射率(也称为黑度)：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:,上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。,Wavelength,Direction(angle from the surface normal),因此，我们需要定义方向光谱发射率，对于某一指定的方向(,)和波长,对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方
12、向总发射率，即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：,对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了半球光谱发射率，即实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比,这样，前面定义的半球总发射率则可以写为：,半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均,对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度L，分别引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率()和定向发射率()，其表达式和物理意义如下,实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:,实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：,实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：,漫发射的概念：表面的方向发射率()与方向无关，即定向辐射强度与方
13、向无关，满足上诉规律的表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。,图7-15 几种金属导体在不同方向上的定向发射率()(t=150),图7-16 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率()(t=093.3),某一温度下，实际物体的定向辐射强度在各方向上的变化是不规则的。但从图中可以看出，金属在=0-400、非金属在=0-600的单色辐射率基本为常数,黑体、灰体、白体等都是理想物体，而实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同(1)实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图7-14；(2)实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；(3)实际物体的定向辐射强度也不严
14、格遵守Lambert定律，等等。所有这些差别全部归于上面的系数，因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能很复杂。在工程上一般都将真实表面假设为漫发射面。,图7-14 实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱,本节中，还有几点需要注意将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难理论确定，实际上是一种权宜之计；服从Lambert定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律，这有许多原因；物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。,上一节简单
15、介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？本节将对其作出解答。,1.投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2.选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸收,首先介绍几个概念：,7-4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,3.吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表示，即,4 光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。,图7-17和7-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比
16、同波长的关系。,图7-17 金属导电体的光谱吸收比同波长的关系,图7-18 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系,灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比都是同一个常数。,根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比为,图7-18给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。,如果投入辐射来自黑体，由于，则上式可变为,图7-19 物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系,灰体法，即将光谱吸收比()等效为常数，即=()=const。并将()
17、与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。,发射辐射与吸收辐射二者之间的联系：最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图7-20所示，板1时黑体，板2是任意物体，参数分别为Eb,T1 以及E,T2，则当系统处于热平衡时，有,图7-20 平行平板间的辐射换热,此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下限制：整个系统处于热平衡状态；
18、如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；投射辐射源必须是同温度下的黑体。,为了将Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式，见表7-2。,表7-2 Kirchhoff 定律的不同表达式,注：漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合Lambert定律的物体表面；灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。,例、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下去面的哪一面结箱?为什么?,答：霜会结在树叶的上表面。因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表回的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。,如图所示的真空辐射炉，球心处有一黑体加热元件，试指出，3处中何处定向辐射强度最大?何处辐射热流最大?假设，处对球心所张立体角相同。,答：由黑体辐射的兰贝特定律知，定向辐射强度与方向无关。故IlI2=I3。而三处对球心立体角相当，但与法线方向夹角不同，123。所以处辐射热流最大，处最小。,
