第6章 热辐射基础(船海)

1、2022-3-716-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 6-2 黑体辐射和吸收的基本性质黑体辐射和吸收的基本性质 6-3 实际物体的辐射和吸收实际物体的辐射和吸收 2022-3-72热辐射在机理上与导热、对流有根本不同。热辐射在机理上与导热、对流有根本不同。导热与对流是由于物质微观粒子的热运量导热与对流是由于物质微观粒子的热运量和物体的宏观运动所造成的能量转移。和物体的宏观运动所造成的能量转移。热辐射是由于物质的热辐射是由于物质的电磁运动电磁运动所引起的能所引起的能量的传递。（分子和原子振动的结果。）量的传递。（分子和原子振动的结果。）辐射是电磁波传递能量的现象。辐射是电磁波传递能量的现象

2、。电磁辐射的波长范围很广，从长达数百米电磁辐射的波长范围很广，从长达数百米的无线电波到小于的无线电波到小于1010-14-14米的宇宙射线。米的宇宙射线。2022-3-73由于热的原因而产生的电磁辐射称为由于热的原因而产生的电磁辐射称为热辐射热辐射。热辐射为热辐射为 之间的波长部分。之间的波长部分。131 101 10m电磁波的波谱电磁波的波谱工业温度一般在工业温度一般在2000K以内，最感兴趣的是波以内，最感兴趣的是波长约从长约从0.38m到到0.76m的可见光的可见光和波长从可和波长从可见光谱的红端之外延伸到见光谱的红端之外延伸到1000m的红外线。的红外线。2022-3-74只要物体的温

3、度高于只要物体的温度高于0K，物体总是不断地把，物体总是不断地把热能变化辐射能，向外发出热辐射。同时，物热能变化辐射能，向外发出热辐射。同时，物体也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐体也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。辐射辐射换热换热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。一个物体如果与另一个物体相互能够看得见，一个物体如果与另一个物体相互能够看得见，那么它们之间就会发生辐射热交换。那么它们之间就会发生辐射热交换。 而交换而交换的辐射换热量不仅与两个物体的温度有关，而的辐射换热量不

4、仅与两个物体的温度有关，而且与物体的形状大小和相互位置有关，同时还且与物体的形状大小和相互位置有关，同时还与物体所处环境密切相关。与物体所处环境密切相关。2022-3-75当热辐射的能量投射到物体表面上时，会发生当热辐射的能量投射到物体表面上时，会发生吸收吸收、反射反射和和穿透穿透现象。若外界单位时间投射现象。若外界单位时间投射到单位物体表面上的总能量为到单位物体表面上的总能量为G（即（即投入辐投入辐射射），被物体吸收部分为），被物体吸收部分为G ，被物体反射部分，被物体反射部分为为G ，穿透物体部分为，穿透物体部分为G 。按能量守恒定律有：。按能量守恒定律有： G GG G G G GGGG

5、或或1GGGGGGG2022-3-76各部分百分数各部分百分数G /G 、 G /G 、G /G 分别称为该分别称为该物体对投入辐射的物体对投入辐射的吸收比吸收比 、反射比反射比 和和透射比透射比 ，于是，于是1（1）对于固体和液体：）对于固体和液体：当热辐射投射到固体当热辐射投射到固体或液体表面时，一部分被反射，其余部分在很或液体表面时，一部分被反射，其余部分在很薄的表面层内就吸收完了，所以可以把它们的薄的表面层内就吸收完了，所以可以把它们的吸收和反射视为一个表面过程，因此吸收和反射视为一个表面过程，因此固体和液固体和液体的热辐射是表面辐射体的热辐射是表面辐射。 由于热射线不能穿过由于热射线

6、不能穿过固体和液体，因此可认为固体和液体，因此可认为透射比透射比 =0。1固、液体：固、液体：吸收能力大的物体其反射本领就小吸收能力大的物体其反射本领就小。 （2）对于气体：）对于气体：当热辐射投射到气体时，当热辐射投射到气体时，气气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反射反射比比 =0。气体对热射线的吸收和穿透是在空间气体对热射线的吸收和穿透是在空间中进行的，其自身的辐射也是在空间中完成中进行的，其自身的辐射也是在空间中完成的。因此的。因此气体的热辐射是容积辐射气体的热辐射是容积辐射，其表面，其表面状况则无关紧要。状况则无关紧要。 12022-3-78由于不同

7、物体的吸收比、反射比和透射比因具由于不同物体的吸收比、反射比和透射比因具体条件不同差别很大，给热辐射的计算带来很体条件不同差别很大，给热辐射的计算带来很大困难。为使问题简化，定义一些理想物体：大困难。为使问题简化，定义一些理想物体：透射比透射比= 1的物体称为的物体称为透明体透明体。实际中完全。实际中完全的透明体是不存在的，但在一定条件下，如玻的透明体是不存在的，但在一定条件下，如玻璃材料对于可见光，或空气对于红外线，都可璃材料对于可见光，或空气对于红外线，都可视为透明体。视为透明体。反射比反射比= 1物体称为物体称为白体白体（具有漫反射的表（具有漫反射的表面）或面）或镜体镜体（具有镜反射的表

8、面）。（具有镜反射的表面）。物体表面是漫反射还是镜反射，这要物体表面是漫反射还是镜反射，这要取决于物取决于物体表面相对于辐射波长的表面粗糙程度体表面相对于辐射波长的表面粗糙程度。2022-3-79当表面的不平整尺寸当表面的不平整尺寸远小于远小于投投入辐射的波长时，形成入辐射的波长时，形成镜面反射镜面反射，此时入射角等于反射角。此时入射角等于反射角。镜反射表镜反射表面的自身辐射也是镜发射的面的自身辐射也是镜发射的。高度。高度磨光的金属板会形成镜反射。磨光的金属板会形成镜反射。当表面的不平整尺寸与投入辐当表面的不平整尺寸与投入辐射的波长射的波长同一量级同一量级时，形成时，形成漫反射漫反射。这时从某

9、一方向投射到物体表面上这时从某一方向投射到物体表面上的辐射向空间各方向反射出去。的辐射向空间各方向反射出去。漫漫反射表面的自身辐射也是漫发射的反射表面的自身辐射也是漫发射的。 1 2 1= 2对全波长范围的热辐射能完全镜反射或漫对全波长范围的热辐射能完全镜反射或漫反射的实际物体不存在，绝大多数材料在工业反射的实际物体不存在，绝大多数材料在工业温度范围（温度范围（2000K）内可近似于漫反射。）内可近似于漫反射。2022-3-710吸收比吸收比 = 1的物体，称为的物体，称为绝对黑体绝对黑体，简称，简称黑黑体体。黑体将所有投射在它上面的。黑体将所有投射在它上面的一切波长一切波长和和所所有方向有方

10、向上的辐射能上的辐射能全部吸收全部吸收，在所有物体之中，在所有物体之中，它它吸收热辐射的能力最强吸收热辐射的能力最强。黑体可以用来作为。黑体可以用来作为比较实际物体发射辐射能的标准。处理实际物比较实际物体发射辐射能的标准。处理实际物体辐射问题的体辐射问题的思路思路就是：在研究黑体辐射的基就是：在研究黑体辐射的基础上，将实际物体的辐射与黑体辐射相比较，础上，将实际物体的辐射与黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的修正系数。的修正系数。2022-3-711尽管自然界并不存在黑体，用人尽管自然界并不存在黑体，用人工方法可以制造出十分接近于黑

11、体的工方法可以制造出十分接近于黑体的模型：选用吸收比小于模型：选用吸收比小于1的材料制造的材料制造一个空腔，并在空腔壁面上开一个小一个空腔，并在空腔壁面上开一个小孔，再设法使空腔壁面保持均匀的温孔，再设法使空腔壁面保持均匀的温度。这时空腔上的小孔就具有黑体辐度。这时空腔上的小孔就具有黑体辐射特性：进入小孔的热射线，经过多射特性：进入小孔的热射线，经过多次的吸收和反射，只有极小量的热射次的吸收和反射，只有极小量的热射线能够从开孔处出来，线能够从开孔处出来，相当于小孔的相当于小孔的吸收比接近于吸收比接近于1，即接近黑体，即接近黑体。根据。根据实验表明，若小孔占内壁面积小于实验表明，若小孔占内壁面积

12、小于0.6%，当内壁吸收比为，当内壁吸收比为0.6时，小孔时，小孔的吸收比可大于的吸收比可大于0.996。 2022-3-7121 辐射力辐射力 总辐射力总辐射力E辐射力也称全色辐射力，其定义为辐射力也称全色辐射力，其定义为单位时间单单位时间单位辐射面积向半球空间一切方向辐射出去的一位辐射面积向半球空间一切方向辐射出去的一切波长的辐射能量。切波长的辐射能量。记为记为E（ W/m2 ），表征），表征了了物体发射能力的大小物体发射能力的大小。dAdQE dQ为微元面积为微元面积dA向半球空间辐射出去的总辐向半球空间辐射出去的总辐射能。射能。2022-3-713 单色辐射力单色辐射力 单色辐射力定义

13、为单色辐射力定义为单位时间单位辐射面积向半单位时间单位辐射面积向半球空间一切方向辐射出去的球空间一切方向辐射出去的某一波长范围某一波长范围的辐的辐射能量射能量，记为，记为E（ W/m3 ），表征了物体发射），表征了物体发射某一波长辐射能力的大小，用来描述某一波长辐射能力的大小，用来描述辐射能量辐射能量随波长的分布特征随波长的分布特征。 dQ为微元面积为微元面积dA向半球空间辐射出去的某向半球空间辐射出去的某一波长的辐射能；一波长的辐射能；为热射线的波长，单位为为热射线的波长，单位为m。dAdQddAdQE2辐射力和单色辐射力之间的关系辐射力和单色辐射力之间的关系 :0dEE2022-3-714

14、 方向辐射力方向辐射力 方向辐射力定义为方向辐射力定义为单位时间单位辐射面积向半单位时间单位辐射面积向半球空间中球空间中某一个方向某一个方向上单位立体角内辐射的所上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。有波长的辐射能量。记为记为E（W/(m2sr) ），表），表征了征了物体表面辐射能量在半球空间中的分布特物体表面辐射能量在半球空间中的分布特征征。为微元立体角。为微元立体角。2d QEddAd立体角的概念：立体角的概念：以立体角的顶点为中心作一半径为以立体角的顶点为中心作一半径为r的半球，将的半球，将半球表面上被立体角所切割的面积半球表面上被立体角所切割的面积f 除以除以r2，即，即得到立体角的

15、量度，用得到立体角的量度，用 表示，表示，单位是球面度单位是球面度sr。立体角是用来衡量空间中的面相对于某一。立体角是用来衡量空间中的面相对于某一点所张开的空间角度的大小。点所张开的空间角度的大小。2ddf rdf为空间中的微元面积；为空间中的微元面积；r为该面积与发射点之间为该面积与发射点之间的距离。的距离。2022-3-716辐射强度辐射强度 由于处于不同的空间位置所能看见的辐射面积由于处于不同的空间位置所能看见的辐射面积是变化的，即在任意方向是变化的，即在任意方向看到的辐射面积为看到的辐射面积为 ，也就是随着也就是随着角的增大，辐射面积角的增大，辐射面积在该方向上的可见面积（投影面积）就

16、越小。在该方向上的可见面积（投影面积）就越小。dAcosdAnd辐射强度的定义图辐射强度的定义图定向辐射强度：定向辐射强度：用以用以表示单表示单位时间在某一辐射方向上的位时间在某一辐射方向上的单位单位可见可见辐射面积辐射面积向该方向向该方向单位立体角内辐射的所有波单位立体角内辐射的所有波长的辐射能长的辐射能，称为该方向上，称为该方向上的辐射强度，用符号的辐射强度，用符号I 表示。表示。cosdA2022-3-7172coscoscosEdEd QIddAd 辐射强度与方向辐射力的关系辐射强度与方向辐射力的关系 :与辐射力之间的关系与辐射力之间的关系 : 2020sincosddIE单位为单位为

17、W/(m2sr)，表征的是，表征的是空间中任意位置的空间中任意位置的辐射能的强度（能流密度）。辐射能的强度（能流密度）。式中式中 为为给定方向上的可见辐射面积，也就是垂直于该给定方向上的可见辐射面积，也就是垂直于该方向的流通面积。方向的流通面积。 cosdAcosIE2022-3-7182 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 普朗克定律普朗克定律普朗克定律表示的是普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的黑体的辐射能按波长的分布规律分布规律，给出了黑体的单色辐射力，给出了黑体的单色辐射力Eb与热与热力学温度力学温度T、波长、波长 之间的函数关系，由量子之间的函数关系，由量子理论得到的数学表达式为

18、：理论得到的数学表达式为：c1为普朗克第一常数，为普朗克第一常数，c1=3.743 10-16Wm2；c2为普朗克第二常数，为普朗克第二常数，c2=1.4387 10-2mK251()1bcTcEe为波长，单位为波长，单位mT为黑体的为黑体的绝对温度绝对温度，单位，单位K图中给出了根据普朗克定律绘制的不同温度下图中给出了根据普朗克定律绘制的不同温度下黑体单色辐射力随波长变化的一组曲线。黑体单色辐射力随波长变化的一组曲线。每条每条曲线下的面积表示相应温度下黑体的辐射力。曲线下的面积表示相应温度下黑体的辐射力。可见在可见在一定温度下一定温度下，黑体单色辐射力存在峰值。，黑体单色辐射力存在峰值。对于

19、对于不同温度不同温度，对应的最大单色对应的最大单色辐射力的波长辐射力的波长maxmax是不同的。是不同的。随温度的增加，随温度的增加，总辐射力迅速增总辐射力迅速增加。加。2022-3-720随着温度的升高随着温度的升高，曲线的峰值向左移动，相当，曲线的峰值向左移动，相当于黑体辐射能的分布在于黑体辐射能的分布在向波长短的方向集中向波长短的方向集中，也就是高温辐射中短波热射线含量大而长波热也就是高温辐射中短波热射线含量大而长波热射线含量相对少。射线含量相对少。 维恩位移定律维恩位移定律 Eb 最 大 处 的 波 长最 大 处 的 波 长 max随温度不同而变随温度不同而变化。化。维恩位移定律：维恩

20、位移定律：32.8976 10 m KmaxT可见可见 max与与T成反比成反比2022-3-721在加热金属时可以观察到：当金属在加热金属时可以观察到：当金属温度低于温度低于500500时，由于实际上没有可时，由于实际上没有可见光辐射，不能察觉到金属颜色的变化，见光辐射，不能察觉到金属颜色的变化，随着温度不断升高，铁块的颜色相继出随着温度不断升高，铁块的颜色相继出现暗红、鲜红、橘黄等颜色，最终将出现暗红、鲜红、橘黄等颜色，最终将出现白炽。这是由于现白炽。这是由于随着温度的升高，热随着温度的升高，热辐射中的可见光及可见光中的短波比例辐射中的可见光及可见光中的短波比例逐渐增大逐渐增大的缘故。的缘

21、故。2022-3-723例：试分别计算温度为例：试分别计算温度为2000K和和5800K的黑的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长体的最大光谱辐射力所对应的波长 max 。解：解：按按 计算：计算：3max2.897610 m KTT=2000K时，时， 36max2.8976 10 m K1.45 10 m2000KT=5800K时，时， 36max2.8976 10 m K0.5 10 m5800K可见工业上一般高温辐射（可见工业上一般高温辐射（2000K内），黑体内），黑体最大光谱辐射力的波长位于红外线区段，而最大光谱辐射力的波长位于红外线区段，而太阳辐射（太阳辐射（5800K）对应的最大光

22、谱辐射的波）对应的最大光谱辐射的波长则位于可见光区段。长则位于可见光区段。2022-3-724 斯蒂芬波尔兹曼定律斯蒂芬波尔兹曼定律 在黑体辐射的研究中，斯蒂芬于在黑体辐射的研究中，斯蒂芬于1879年由实年由实验确定验确定黑体的辐射力黑体的辐射力与与热力学温度热力学温度之间的关之间的关系，其后由波尔兹曼于系，其后由波尔兹曼于1884年从热力学关系年从热力学关系式导出。式导出。 Eb为黑体的辐射力（为黑体的辐射力（W/m2）；）；T为黑体的为黑体的绝对绝对温度温度（K）；）；0为斯蒂芬波尔兹曼常数，其为斯蒂芬波尔兹曼常数，其值为值为5.6710-8W/(m2K4)。400/510b12TdeCd

23、EETCb2022-3-725例：例：一黑体置于室温为一黑体置于室温为27的厂房中，试求的厂房中，试求在热平衡条件下黑体表面的辐射力。如果将在热平衡条件下黑体表面的辐射力。如果将黑体加热到黑体加热到827，它的辐射力又是多少？，它的辐射力又是多少？解：解：在热平衡条件下，黑体温度与室温相同，在热平衡条件下，黑体温度与室温相同，辐射力为：辐射力为：444211024W272735.67K459W/m100mK100bTEc827黑体的辐射力为黑体的辐射力为444222024W8272735.67K83014W/m100mK100bTEc其辐射力增加了其辐射力增加了180倍，可见随着温度的增倍，可

24、见随着温度的增加，辐射将成为主要的换热方式。加，辐射将成为主要的换热方式。2022-3-726兰贝特定律兰贝特定律 （Lambert）黑体在任意方向上的辐射强度与方向无关黑体在任意方向上的辐射强度与方向无关，即，即黑体辐射的辐射强度在半球空间各个方向上是黑体辐射的辐射强度在半球空间各个方向上是相同的，均等于它在法线方向上的方向辐射力：相同的，均等于它在法线方向上的方向辐射力： 0cosbbbEIEconst即单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同即单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同方向单位立体角的能量的数值不相等，其值正方向单位立体角的能量的数值不相等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角

25、的余弦。所比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦。所以兰贝特定律又称以兰贝特定律又称余弦定律余弦定律。2022-3-7272200cossinEId d 因此，对遵守兰贝特定律的辐射，因此，对遵守兰贝特定律的辐射，辐射力在辐射力在数值上等于辐射强度的数值上等于辐射强度的 倍倍。黑体的辐射强黑体的辐射强度是热力学温度的函数度是热力学温度的函数。黑体辐射强度与辐射力的关系：黑体辐射强度与辐射力的关系：2200=cossinbbbEId dI 0cosbbbEIEconst2022-3-728例：如图所示的真空辐射炉，球心处有一黑例：如图所示的真空辐射炉，球心处有一黑体加热元件，试比较体加热元件，试比

26、较a、b、c三处定向辐射强三处定向辐射强度的大小、辐射能量的大小。假设度的大小、辐射能量的大小。假设a、b、c处处对球心所张立体角相同。对球心所张立体角相同。 解：解：由黑体辐射的兰贝特定由黑体辐射的兰贝特定律知，定向辐射强度律知，定向辐射强度 与与方向无关，为定值。三处对方向无关，为定值。三处对球心立体角相同，但与法线球心立体角相同，但与法线方向夹角不同，方向夹角不同， ，所，所以以a处辐射能量最大。处辐射能量最大。bIcosbbEIcoscoscosabc2022-3-729波段辐射与辐射函数波段辐射与辐射函数 在工程上和其它许多实际问题中往往需要计在工程上和其它许多实际问题中往往需要计算

27、一定波长范围内黑体辐射的能量，也就是算一定波长范围内黑体辐射的能量，也就是波段辐射力。波段辐射力。 黑体在波长黑体在波长1 1至至2 2区段区段所发射出的辐射能为：所发射出的辐射能为：dEEbb21Eb02 21 1一定波长范围黑体的辐射力一定波长范围黑体的辐射力亦可写为亦可写为: dEdEEbbb12002022-3-730211221()4000(0)(0)1 bbbbbbbEFE dE dETFFEb02 21 1一定波长范围黑体的辐射力一定波长范围黑体的辐射力Eb即为温度曲线在即为温度曲线在1至至2之间所包含的之间所包含的面积面积。写出无量纲形式，即为写出无量纲形式，即为波段辐射函数波

28、段辐射函数。400bbEE dT是是同温度下黑体辐射力同温度下黑体辐射力； (0)bF表示表示波长从波长从0 0到到的的波段辐射函数波段辐射函数。12()bF表示波长在表示波长在1 1至至2 2之间的之间的波段辐射力波段辐射力占总辐射力的份额占总辐射力的份额。 2022-3-731)()(10504)0(TfTdTEdETFbbbf( T)称为称为黑体辐射函数黑体辐射函数，函数数值见表，函数数值见表6-1。将上式改写成以将上式改写成以 T 为自变量的波段辐射函数：为自变量的波段辐射函数：1221()(0)(0)bTTbTbTFFF例：试计算温度为例：试计算温度为3000K和和5762K（太阳表

29、面（太阳表面温度）时可见光在黑体总辐射中所占份额。温度）时可见光在黑体总辐射中所占份额。解：可见光的波长范围为解：可见光的波长范围为0.380.76m。即即1=0.38m， 2=0.76mT1=3000K： 1T1=1140mK， 2T1=2280mK由表由表6-1查得，查得，可见光所占比例为：可见光所占比例为：12(0)(0)0.14%,11.69%bbFF1221()(0)(0)11.55%bbbFFFT2=5762K： 1T2=2190mK， 2T2=4380mK由表由表6-1查得，查得，可见光所占比例为：可见光所占比例为：12(0)(0)9.94%,54.59%bbFF1221()(0

30、)(0)44.65%bbbFFF可见，太阳辐射中可见光所占的比例很大。可见，太阳辐射中可见光所占的比例很大。黑体辐射规律小结：黑体辐射规律小结：黑体辐射的黑体辐射的辐射力辐射力由斯蒂芬由斯蒂芬-波尔兹曼定波尔兹曼定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方；黑体辐射能量方；黑体辐射能量按波长的分布按波长的分布服从于普服从于普朗克定律，朗克定律，按空间方向的分布按空间方向的分布服从于兰贝服从于兰贝特定律；黑体的特定律；黑体的单色辐射力单色辐射力存在峰值，与存在峰值，与此峰值相对应的波长此峰值相对应的波长max由维恩位移定律由维恩位移定律确定，即随着温度的升高，确定

31、，即随着温度的升高，max向短波方向短波方向移动。向移动。2022-3-7363 黑体的吸收特性黑体的吸收特性 吸收比是表示物体吸收入射辐射的能力。物体吸收比是表示物体吸收入射辐射的能力。物体对入射辐射能所吸收的百分数定义为对入射辐射能所吸收的百分数定义为吸收比吸收比。吸收比可划分为以下四种：吸收比可划分为以下四种：对来自对来自一切方向一切方向和和所有波长所有波长的入射辐射的吸收的入射辐射的吸收比，称之为比，称之为总吸收比总吸收比(简称吸收比简称吸收比);对来自对来自一切方向一切方向的的某一波长某一波长的入射辐射的吸收的入射辐射的吸收比，称之为比，称之为单色吸收比单色吸收比 ；2022-3-7

32、371,bbbb对来自对来自某一方向某一方向的的所有波长所有波长的入射辐射的吸的入射辐射的吸收比，称之为收比，称之为方向吸收比方向吸收比 ;对来自对来自某一方向某一方向的的某一波长某一波长的入射辐射的吸的入射辐射的吸收比，称之为收比，称之为单色方向吸收比单色方向吸收比 , 。黑体是理想的吸收体，它对一切波长和所有黑体是理想的吸收体，它对一切波长和所有方向入射辐射的吸收比均等于方向入射辐射的吸收比均等于1。对黑体有：。对黑体有：2022-3-7381 实际物体的辐射实际物体的辐射黑度（发射率）黑度（发射率） 实际物体表面的热辐射实际物体表面的热辐射性能均性能均弱于弱于黑体表面。黑体表面。实际物体

33、的光谱辐射力实际物体的光谱辐射力往往随波长作不规则变往往随波长作不规则变化，不符合普朗克定律化，不符合普朗克定律.图为同温度下黑体辐射图为同温度下黑体辐射和实际物体辐射的单色辐射力随温度变化的曲和实际物体辐射的单色辐射力随温度变化的曲线。线。曲线下的面积分别代表了各自的辐射力曲线下的面积分别代表了各自的辐射力。图6-10单色辐射力随波长的变化单色辐射力随波长的变化单色辐射力随波长的变化2022-3-739实际物体实际物体表面表面的的辐射力辐射力与与同温度下同温度下黑体黑体辐射辐射力的比值，称为黑度（发射率）。力的比值，称为黑度（发射率）。黑度仅仅与物体表面自身的辐射特性相关，也黑度仅仅与物体表

34、面自身的辐射特性相关，也就是与物体的种类、它的表面特征，还与物体就是与物体的种类、它的表面特征，还与物体的温度相关，而与物体外部的情况无关。的温度相关，而与物体外部的情况无关。实践实践证明，实际物体的辐射力并不严格正比于证明，实际物体的辐射力并不严格正比于T4，但工程计算中仍认为一切实际物体的辐射力都但工程计算中仍认为一切实际物体的辐射力都与与T4成正比，把由此引起的误差修正体现在以成正比，把由此引起的误差修正体现在以实验方法确定的发射率中。实验方法确定的发射率中。因此因此与温度有关与温度有关。 总发射率总发射率bEE40bEET2022-3-740实际表面的实际表面的单色辐射力单色辐射力与与

35、同温度下同温度下黑体黑体表面表面的单色辐射力之比的单色辐射力之比 单色发射率单色发射率 bEEb0bEdE发射率与单色发射率之间的关系为发射率与单色发射率之间的关系为 2022-3-741物体表面在某方向上的物体表面在某方向上的方向辐射力方向辐射力与与同温度同温度黑体黑体辐射在该方向上的方向辐射力之比，亦辐射在该方向上的方向辐射力之比，亦可表示为物体在某方向上的可表示为物体在某方向上的辐射强度辐射强度与与同温同温度度黑体黑体辐射在该方向上的辐射强度之比辐射在该方向上的辐射强度之比方向发射率方向发射率 coscosbbbEIIEII如果实际物体的方向辐射力遵守兰贝特定律如果实际物体的方向辐射力遵

36、守兰贝特定律,该物体表面称为该物体表面称为漫射表面漫射表面。黑体表面就是漫。黑体表面就是漫射表面。射表面。2022-3-742对等强辐射的理解：对等强辐射的理解：相当于相当于“灯泡亮度灯泡亮度”，即从不同方向看过去，即从不同方向看过去，其亮度都是一样的。其亮度都是一样的。一般金属和非金属表面均一般金属和非金属表面均可当漫反射表面处理。工可当漫反射表面处理。工程中大多数材料看成是发程中大多数材料看成是发射率与方向无关的漫射体射率与方向无关的漫射体漫射表面可假定：漫射表面可假定：n2022-3-743单色方向发射率单色方向发射率 ,bEE物体表面在某方向上的物体表面在某方向上的单色方向辐射力单色方

37、向辐射力与与同温度同温度黑体黑体辐射在该方向上的单色方向辐辐射在该方向上的单色方向辐射力之比。射力之比。2022-3-7442 实际物体的吸收实际物体的吸收灰体灰体 实际物体表面对热辐射的吸收是针对投入辐射实际物体表面对热辐射的吸收是针对投入辐射而言的而言的。实际物体对入射辐射吸收的百分数称实际物体对入射辐射吸收的百分数称之为该物体的之为该物体的吸收比吸收比。物体表面的物体表面的吸收特性吸收特性就不仅仅与就不仅仅与物体的物质结物体的物质结构、表面特征以及温度状况有关构、表面特征以及温度状况有关，而且还与，而且还与投投入辐射的辐射能随波长和温度的变化入辐射的辐射能随波长和温度的变化密切相关。密切

38、相关。辐射源温度对吸收比的影响是因为辐射源温度对吸收比的影响是因为实际物体的实际物体的单色吸收比不等于常数，而是随入射波长而变，单色吸收比不等于常数，而是随入射波长而变，而入射波长又取决于入射辐射的温度。而入射波长又取决于入射辐射的温度。 2022-3-745物体表面的单色吸收率随波长变化的特性称为物体表面的单色吸收率随波长变化的特性称为物体表面对波长（光谱）的选择性物体表面对波长（光谱）的选择性。 暖房暖房：当太阳光照射到玻璃：当太阳光照射到玻璃上时，玻璃对波长小于上时，玻璃对波长小于2.22.2 m m的辐射能吸收比很小、穿透的辐射能吸收比很小、穿透比很大，从而使大部分太阳比很大，从而使大

39、部分太阳能可以进入到暖房内。暖房能可以进入到暖房内。暖房中的物体温度低，辐射能绝中的物体温度低，辐射能绝大部分位于红外区，而玻璃大部分位于红外区，而玻璃对于波长大于对于波长大于3 3 m的辐射能的辐射能吸收比很大、穿透比很小，吸收比很大、穿透比很小，阻止了辐射能向暖房外的散阻止了辐射能向暖房外的散失。失。2022-3-746墨镜：墨镜：焊接工人工作时戴一黑色眼镜是为了让对人体焊接工人工作时戴一黑色眼镜是为了让对人体有害的紫外线能被特种玻璃所吸收。有害的紫外线能被特种玻璃所吸收。五颜六色的世界：五颜六色的世界：当阳光照射到一个物体表面时，如果该物体几乎全部当阳光照射到一个物体表面时，如果该物体几

40、乎全部吸收各种可见光，它就是吸收各种可见光，它就是黑色黑色；如果几乎全部反射可见光，它就是如果几乎全部反射可见光，它就是白色白色；如果几乎均匀吸收各色可见光并均匀地反射各色可见如果几乎均匀吸收各色可见光并均匀地反射各色可见光，它就是光，它就是灰色灰色；如果只反射了一种波长的可见光而几乎全部吸收了其如果只反射了一种波长的可见光而几乎全部吸收了其它可见光，则它就它可见光，则它就呈现被反射的这种辐射线的颜色呈现被反射的这种辐射线的颜色。2022-3-747如果投入辐射不是来自黑体，则必须研究物体如果投入辐射不是来自黑体，则必须研究物体表面单色吸收率随投入辐射波长变化的规律。表面单色吸收率随投入辐射波

41、长变化的规律。原因就在于光谱吸收率对不同波长的辐射具有原因就在于光谱吸收率对不同波长的辐射具有选择性。选择性。如果物体表面的单色吸收比为常数如果物体表面的单色吸收比为常数 那么它的吸收比也就为常数那么它的吸收比也就为常数 。即此时物体的。即此时物体的吸收比只取决于本身的情况，吸收比只取决于本身的情况，与外界情况无关与外界情况无关。.constconst把把灰体灰体定义为定义为单色吸收比为常数单色吸收比为常数的物体的物体。 灰体也是一种理想的辐射表面，实际表面在灰体也是一种理想的辐射表面，实际表面在一定条件下可以认为其具有灰体的特性。一定条件下可以认为其具有灰体的特性。2022-3-748灰体是

42、从物体表面对投入辐射的吸收特性上去灰体是从物体表面对投入辐射的吸收特性上去定义的，如果再在其发射特性上给予等强辐射定义的，如果再在其发射特性上给予等强辐射的假设，即认为是漫射表面，也就是漫射灰表的假设，即认为是漫射表面，也就是漫射灰表面，简称面，简称漫灰表面漫灰表面。漫漫射表面射表面发射率与方向无关发射率与方向无关 灰灰体表面体表面吸收比与波长无关吸收比与波长无关constn2022-3-7493 实际物体辐射与吸收之间的关系实际物体辐射与吸收之间的关系实际物体的辐射和吸收之间有联系，实际物体的辐射和吸收之间有联系，这就是这就是基尔霍夫定律基尔霍夫定律。假定两块平行平板距离很近，从一假定两块平行平板距离很近，从一块板发出的辐射能全部落到另一块块板发出的辐射能全部落到另一块板上。若板板上。若板1为黑体为黑体表面，板表面，板2为任为任意物体的表面。两者的辐射力、吸意物体的表面。两者的辐射力、吸收比和表面温度分别为收比和表面温度分别为Eb、 b(=1)、T1、E、 和和T2。2022-3-750板板2发出的辐射能发出的辐射能E全部被板全部被板1吸收，而板吸收，而板1发出的辐射能发出的辐射能Eb只被板只被板2吸收吸收 Eb ，可得两，可得两板之间的