【传热学】8热辐射基本定律

第八章热辐射的基本定律 8 1热辐射的基本概念 一 热辐射的本质和特点 热辐射 由于热的原因而产生的电磁波辐射 发射辐射能是各类物质的固有特性 能量辐射现象普遍存在 太阳离地球1亿5千万公里 表面温度6000K 向地球辐射能量 热辐射是电磁辐射 电磁波 的一种 电磁波波长从几万分之一微米到数千米 电磁波谱 电磁波谱 的电磁波属可见光 紫外线 x射线 射线等 的电磁波称红外线 无线电波 热射线 热辐射具有一般辐射现象的共性 以光速传播 辐射的本质及其传播过程除用电磁波理论说明之外 对有些现象还需进一步用量子理论来解释 即 辐射的本质既具有波动性 又具有粒子性 辐射的粒子性表明 辐射是离散的量子化能量束 是光子传播能量的过程 光子的能量e与频率 的关系可用普朗克公式表示 热辐射的特点 1 不依靠物质接触而进行热量传递 即 不需要介质的存在 在真空中就可以传递能量 2 辐射换热过程伴随能量形式的转化 3 一切物体只要温度大于0K 都会不停地发射热射线 高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量 总的结果是热由高温传到低温 二 辐射能的吸收 反射和透射 投射辐射G 两种极端情况 一部分被吸收 一部分被反射 还有一部分可能穿透物体 反射率 镜反射 漫反射 吸收率 透射率 镜反射 反射角等于入射角光滑的金属表面 玻璃 塑料等 漫反射 被反射的辐射能均匀分布在各方向粗糙非金属表面接近于漫反射 若投射能量是某波长下的 单色 辐射 辐射能的吸收 反射和透射 光谱吸收率 光谱反射率 光谱透射率 单色吸收率 单色反射率 单色透射率 是物体表面的辐射特性 与物体的性质 温度及表面状况有关 全波长的特性还与投射能量的波长分布有关 气体 对辐射能几乎没有反射能力 固体和液体 分子排列非常紧密 投射辐射能在进入物体很小距离内就被全部吸收 气体 对辐射能几乎没有反射能力 固体和液体 分子排列非常紧密 投射辐射能在进入物体很小距离内就被全部吸收 如 金属导体 该距离约为1 m 非导体 1000 m 故 对一般固体和液体 黑体 能全部吸收外来射线的物体 白体 能全部反射外来射线的物体 透明体 能被外来射线全部透过的物体 自然界中并不存在黑体 白体和透明体 它们只是实际物体热辐射性能的理想模型 烟煤 0 96 高度磨光的纯金 0 98 黑体是一个理想的吸收体 它能吸收来自各个方向 各种波长的全部投射能量 是比较的标准 黑体是一个理想的吸收体 它能吸收来自各个方向 各种波长的全部投射能量 是比较的标准 黑体表面的辐射属于漫辐射 各方向分布均匀 对于黑体 黑体不反射 也不透射 全部被吸收 人工黑体 空腔上的小孔接近于黑体 白天从远处看房屋的窗户有黑洞洞的感觉 注意 黑体 白体与黑色物体 白色物体不同 颜色是对可见光而言的 黑体 白体及透明体都是对全波长而言的 而可见光只占全波长中的一小部分 故 物体对外来全波长射线的吸收能力的高低 不能凭物体的颜色来判断 白颜色物体 反射的射线在可见光部分呈白色 不一定是白体 黑颜色物体不一定是黑体 例如 雪对可见光是良好的反射体 对肉眼是白色的 但对红外线几乎能全部吸收 白布和黑布对可见光吸收率不同 但对红外线的吸收率基本相同 玻璃只透过可见光 对的红外线不透明 三 辐射强度 I 或定向辐射强度 Sr 立体角 Solidangles 的单位 球面度 辐射强度 物体表面朝着某给定方向 对垂直于该方向的单位投影面积而言 在单位时间 单位立体角内所发射的全波长的能量 立体角 用给定方向上半球面被立体角所切割的面积dA2除以半径的平方 立体角 用给定方向上半球面被立体角所切割的面积dA2除以半径的平方 即 环绕发射表面dA1的半球空间立体角为2 辐射强度 对于各向同性的物体表面 辐射强度与角度 无关 本课限于各向同性的物体表面 光谱 单色 辐射强度 针对某波长 波长间隔为d 四 辐射力 E 辐射力 发射体每单位面积 在单位时间 向半球空间所发射的全波长能量 辐射力E与辐射强度I的关系 在立体角d 中 辐射力E与辐射强度I的关系 在立体角d 中 辐射力E与光谱辐射强度I 的关系 光谱辐射力 若辐射力是针对某波长 波长间隔为d 范围内所发射的能量 E 光谱定向辐射力 发射体的单位面积 在单位时间内 向半球空间的某给定方向单位立体角内 在波长 附近的单位波长间隔内发射的辐射能量 E 定向辐射力 发射体的单位面积 在单位时间内 向某个方向单位立体角内发射的辐射能 8 2黑体的辐射特性 一 普朗克定律 黑体的辐射力以Eb W m2 表示 物体表面对外辐射的辐射能 射线具有不同的波长 并处于的波长范围内 普朗克定律 1900年MaxPlanck在量子理论的基础上 揭示了真空中黑体的光谱辐射力Eb 与波长 热力学温度T之间的函数关系 辐射能的量用辐射力E表示 普朗克定律 1900年MaxPlanck在量子理论的基础上 揭示了真空中黑体的光谱辐射力Eb 与波长 热力学温度T之间的函数关系 对任一波长 温度越高 光谱辐射力越强 同一温度下的光谱辐射力存在一最大值 对应 维恩 Wien 位移定律 1891 随着温度T增高 向短波方向移动 利用光学仪器测得某黑体表面最大光谱辐射力的波长后 可以算出该黑体表面的温度 维恩 Wien 位移定律 1891 如 太阳 T 5800K时 峰值在可见光范围 太阳所发射的辐射能约44 6 43 在可见光范围 T 800K时 辐射能中明显具有可见光射线 随着温度T的升高 可见光射线增加 T 5800K时 峰值在可见光范围 太阳所发射的辐射能约44 6 43 在可见光范围 T 800K时 辐射能中明显具有可见光射线 工业中常见高温一般低于2000K 属于红外线范围 红外线 加热炉中铁块升温过程颜色变化 T 800K时 主要是红外线 眼睛感觉不到 暗黑 随着温度的升高 铁快颜色变为暗红色 鲜红色 橘黄色 亮白色 原因 T升高可见光增加 二 斯蒂芬 玻尔兹曼定律 辐射力E与温度T的关系 1884年玻尔兹曼用热力学理论进行了证明 1879年斯蒂芬依靠实验确定了Eb与T的关系 将普朗克定律表达式在全波长范围积分 四次方定律 波段辐射力 黑体在温度T下 在波段 范围内所辐射的能量 波段辐射力 黑体在温度T下 在波段 范围内所辐射的能量 这一波段的辐射能占黑体辐射力的百分数 这一波段的辐射能占黑体辐射力的百分数 与的函数关系参见表 与的函数关系参见下表 三 兰贝特 Lambert 定律 漫辐射表面 辐射强度在空间各个方向上都相等 黑体表面为漫辐射表面 对于漫辐射表面 兰贝特定律的两种表达式 余弦定律 黑体表面或漫辐射表面E与I关系 即 对于黑体表面或漫辐射表面 辐射力E是任意方向辐射强度I的 倍 黑体表面或漫辐射表面E与I关系 对于黑体表面 8 3实际物体的辐射特性 灰体 一 实际物体的辐射特性 实际物体的光谱辐射力E 随波长和温度的变化是不规则的 与黑体的Eb 有区别 相同条件下 E Eb 实际物体的光谱发射率 或光谱黑度 实际物体的发射率 黑度 黑度的大小表征实际物体的辐射能力与同温度黑体辐射能力的接近程度 实际物体的发射率 黑度 黑度取决于物体本身的条件 种类 表面状况和温度 黑度等于曲线下的面积与曲线下的面积之比 实际物体的辐射力 实际物体不是漫辐射表面 各方向上辐射强度不相等 因而需要引入定向发射率的概念 实际物体的定向发射率 或定向黑度 实际物体不是漫辐射表面 各方向上辐射强度不相等 磨光的金属表面 随增大 先迅速增大 又很快下降并在附近趋于零 对于非导电体 随增大迅速减小并逐渐在附近趋于零 可看作漫辐射体 物体的半球平均发射率与法向发射率的关系 表面粗糙 故 对于大多数工程材料 往往不考虑的变化细节 而近似地认为服从兰贝特定律 漫辐射表面 对于高度磨光的金属表面 对于非导电体 表面光滑 二 实际物体的吸收特性 实际物体的吸收率 不仅取决于物体本身材料的种类 温度及表面性质 还与投入辐射的波长分布有关 物体的吸收具有选择性 实际物体的光谱吸收率 随波长 变化 实际物体的 是波长 的函数 即 物体表面的吸收率 与吸收表面和投射表面的性质 温度都有关 它比发射率更复杂 物体表面的吸收率 与吸收表面和投射表面的性质 温度都有关 它比发射率更复杂 物体表面的吸收率 在这种条件下 吸收率 只与吸收表面本身的性质有关 而与投射表面无关 三 灰体 灰体 实际物体的理想化 灰体 假设其光谱发射率 或光谱黑度 和光谱吸收率 与波长无关 自然界中不存在灰体 它是一种假想的物体 实际物体在红外波长范围内可近似看作灰体 在工业高温条件下 多数材料热辐射处于红外线 对于灰体 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 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Kirchh