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1、第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,1,第七章 热辐射基本定律及 物体的辐射特性,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,2,7-1 热辐射的基本概念,1.热辐射特点(1)定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。,2.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
2、-1;波长，m,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,3,电 磁 辐 射 波 谱,图7-1,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,4,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,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,5,对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：镜体或白体：,透明体：,反射又分镜反射和漫反射两种,图7-3 镜反射,图7-4 漫反射,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,6,1.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
3、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,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,7,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)；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,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,8,3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质,式中，波长
4、，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)Planck定律(第一个定律)：,图7-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。m与T 的关系由Wien位移定律给出，,图7-6 Planck 定律的图示,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,9,(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：,式中，=5.6710-8 w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。,(3)黑体辐射函数,黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力，如图7-7所示：,图7-7 特定波长区段内的 黑体
5、辐射力,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,10,定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)，如图7-8和7-9所示：,(4)立体角,黑体辐射函数:,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,11,图7-8 立体角定义图,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,12,图7-9 计算微元立体角的几何关系,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,13,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(,)：,图7-10 定向辐射强度 的定义图,(6)Lambert 定律(黑体辐射的第 三个基本定律),
6、它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变化，见图7-11，因此，Lambert定律也称为余弦定律。,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,14,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:,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,15,7-3 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:,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,16,上面公式只是
7、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),第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,17,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：,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,18,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
8、射率是对所有方向和所有波长下的平均,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,19,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：,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,20,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
9、()(t=150),第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,21,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),第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,22,前面讲过，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，比如，(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7-1
10、4 实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,23,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。,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,24,7-4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么
11、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。,Semi-transparent medium,Absorptivity deals with what happens to _,while emissivity deals with _,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,25,1.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3.吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表 示，即,首先介绍几个概念：,第七章 热辐射基
12、本定律及物体的辐射特性,26,(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,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,27,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。,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,28,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
13、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,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,29,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,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,30,图7-19 物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,31,物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给
14、工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一般有两种处理方法，即灰体法，即将光谱吸收比()等效为常数，即=()=const。并将()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。,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,32,在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者之间具有什么样的联系，1859年，Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff 定律。最简单的推导是用两块
15、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,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,33,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；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。,第七章
16、 热辐射基本定律及物体的辐射特性,34,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。,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,35,思考题：1.什么是黑体,灰体?实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体?2.光谱辐射力,辐射力和定向辐射强度的物理意义.它们之间有什么关系?3.物体的发射率,吸收率,反射率,穿透率是怎样定义的?发射率和反射率有何不同?4.工业上有实际意义的热辐射波长范围.近红外,远红外辐射概念.5.漫射表面的概念.6.物体的发射率取决于物体本身,而不涉及外部条件.因此,发射率可看成是物性.但是吸收率与外界条件有关.为什么对于灰体,吸收率也可看成是物性,并等于发射率?,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,36,7.维恩位移定律的表达式.试考虑一下它在自然科学 及工程应用中的作用.8.四个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用.,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,37,作业：7-3，7-7，7-8，7-17，7-19，7-23，7-26,
