热辐射基本定律及物体的辐射特性精实用教案

1、7-1 热辐射的基本概念1. 1. 热辐射特点热辐射特点(1) (1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式定义：由热运动产生的，以电磁波形式(xngsh)(xngsh)传递的能量；传递的能量；(2) (2) 特点：特点：a a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；就会不停地向周围空间发出热辐射；b b 可以可以在真空中传播；在真空中传播；c c 伴随能量形式伴随能量形式(xngsh)(xngsh)的的转变；转变；d d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e e 辐射能与温辐射能与温度和波长均有关；度和波长均有关；f f 发射辐射取决于温度

2、的发射辐射取决于温度的4 4次方。次方。第1页/共51页第一页，共51页。2. 2. 电磁波谱 电磁辐射包含电磁辐射包含(bohn)(bohn)了多种形式，如图了多种形式，如图7-17-1所所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射示，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区域一般为0.1100m0.1100m。电磁波的传播速度：电磁波的传播速度： C = f C = f 式中：式中：f f 频率，频率，s-1; s-1; 波长，波长，mm第2页/共51页第二页，共51页。电 磁 辐 射 波 谱图图7-17-1第3页/共51页第三页，共51页。 当热辐射投射到物体表面上

3、时，一般会发生三种当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象现象(xinxing)(xinxing)，即吸收、反射和穿透，如图，即吸收、反射和穿透，如图7-27-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ3. 3. 物体(wt)(wt)对热辐射的吸收、反射和穿透 第4页/共51页第四页，共51页。图图7.2 7.2 物体对热辐射的吸收反射物体对热辐射的吸收反射(fnsh)(fnsh)和和穿透穿透第5页/共51页第五页，共51页。对于大多数的固体对于大多数的固体(gt)(gt)和液体：和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：对于黑体： 镜体或白体：镜体或白体：透明体：透明体：1

4、111,01,0第6页/共51页第六页，共51页。反射反射(fnsh)又分镜反射又分镜反射(fnsh)和漫反射和漫反射(fnsh)两两种种图7-3 镜反射(fnsh)图7-4 漫反射第7页/共51页第七页，共51页。1.1.黑体概念黑体概念 黑体：是指能吸收投入黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可中是不存在的。但却可以以(ky)(ky)人工制造出人工制造出近似的人工黑体。近似的人工黑体。图图7-5 7-5 黑体模型黑体模型7-2 黑体(hit)辐射的基本定律第8页/共51

5、页第八页，共51页。辐射力辐射力E E： 单位时间内，物体单位时间内，物体(wt)(wt)的单位表面积向半球空的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。间发射的所有波长的能量总和。 (W/m2) (W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力EE： 单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内( (包含某一给定波长包含某一给定波长) )，物体物体(wt)(wt)的单位表面积向半球空间发射的能量。的单位表面积向半球空间发射的能量。 (W/m3)(W/m3)；2.2.热辐射能量的表示(biosh)(biosh)方法第9页/共51页第九页，共51页。E E、EE关系关系(gun (gun x):x

6、):显然，显然， E E和和EE之间具有之间具有(jyu)(jyu)如下如下关系：关系：dEE0黑体一般采用黑体一般采用(ciyng)(ciyng)下标下标b b表示，如黑表示，如黑体的辐射力为体的辐射力为EbEb，黑体的光谱辐射力为，黑体的光谱辐射力为EbEb第10页/共51页第十页，共51页。3.黑体辐射(fsh)的三个基本定律及相关性质1)(512TcbecE式中，式中， 波长，波长，m m ； T T 黑体温度黑体温度(wnd)(wnd)，K K ； c1 c1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.7423.74210-16 W10-16 Wm2m2； c2 c2 第二辐射常数，第二辐射常

7、数，1.43881.438810-2 W10-2 WK K； (1)Planck(1)Planck定律定律(dngl)(dngl)(第一个定律第一个定律(dngl)(dngl)：第11页/共51页第十一页，共51页。图图7-6 Planck 7-6 Planck 定律定律(dngl)(dngl)的图示的图示第12页/共51页第十二页，共51页。(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律(dngl)(dngl)(第二个第二个定律定律(dngl)(dngl)： 40)(51012TdecdEETcbb式中，式中，= 5.67= 5.6710-8 w/(m2

8、10-8 w/(m2K4)K4)， 是是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数常数(chngsh)(chngsh)。 图图7-67-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长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和温度的依变关系(gun x)(gun x)。mm与与T T 的关系的关系(gun x)(gun x)由由WienWien位移定律给出：位移定律给出：KmTm3108976. 2第13页/共51页第十三页，共51页。21dEEbb(3)(3)黑体辐射黑体辐射(fsh)(fsh)函数函数黑体在波长黑体在波长11和和22区段区段(q dun)(q d

9、un)内所内所发射的辐射力，如图发射的辐射力，如图7-77-7所示：所示：图7-7 7-7 特定波长(bchng)(bchng)区段内的黑体辐射力第14页/共51页第十四页，共51页。黑体辐射黑体辐射(fsh)(fsh)函数函数: :2211212121()40400(0)(0)2111()()bbbbbbbbE dFE dTE dE dE dTFFfTfT第15页/共51页第十五页，共51页。定义定义(dngy)(dngy)：球面面积除以球半径的：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：平方称为立体角，单位：sr(sr(球面度球面度) )，如，如图图7-87-8和和7-97-9所示：所示：

10、ddsindd2rAc(4)(4)立体角第16页/共51页第十六页，共51页。图7-8 7-8 立体角定义(dngy)(dngy)图第17页/共51页第十七页，共51页。图7-9 7-9 计算微元立体角的几何(j h)(j h)关系第18页/共51页第十八页，共51页。定义：单位时间内，物体在垂直发射定义：单位时间内，物体在垂直发射(fsh)(fsh)方向的单位面积上，在单位立体方向的单位面积上，在单位立体角内发射角内发射(fsh)(fsh)的一切波长的能量，参的一切波长的能量，参见图见图7-107-10。 dcosd),(d),(AL(5) (5) 定向(dn xin)(dn xin)辐射强

11、度L(L(, , ) )：第19页/共51页第十九页，共51页。(6) Lambert (6) Lambert 定律(dngl)(dngl)(黑体辐射的第三个基本定律(dngl)(dngl)cosdd),(dLA 它说明黑体的定向辐射力随天顶角它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈呈余弦规律变化，见图余弦规律变化，见图7-117-11，因此，因此(ync)(ync)， LambertLambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。第20页/共51页第二十页，共51页。图7-10 7-10 定向辐射强 度的定义图第21页/共51页第二十一页，共51页。图7-11 Lambert7-11 Lamb

12、ert定律图示LLEdcos2沿半球方向积分沿半球方向积分(jfn)(jfn)上式，可获得了半球辐上式，可获得了半球辐射强度射强度E:E:第22页/共51页第二十二页，共51页。 7-3 实际固体和液体的辐射(fsh)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(nngl)最强，包括所有方向和所有波长；真实物体表面的发射能力(nngl)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:4TEEEb第23页/共51页第二十三页，共51页。上面公式只是针对方向上面公式只是针对方向(fngxing)和光谱平均

13、的情况，但实际上，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真实表面的发射能力是随方向(fngxing)和光谱变化的。和光谱变化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)第24页/共51页第二十四页，共51页。因此因此(ync)(ync)，我们需要定义方向光谱发射率，我们需要定义方向光谱发射率，对于某一指定的方向对于某一指定的方向( (, , ) ) 和波长和波长T, T, T, blackbody, emitted actual, , LL第25页/共51页第二十五页，共51页。)()T,( T, T, T,0bla

14、ckbody, 0emitted actual, TLLdLdLb对上面公式在所有波长范围内积分对上面公式在所有波长范围内积分(jfn)，可得到，可得到方向总发射率，即实际物体的定向辐射强度与黑方向总发射率，即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：体的定向辐射强度之比：第26页/共51页第二十六页，共51页。T, T, T, T, T, blackbody, emitted actual, bEEEE 对于指定波长，而在方向对于指定波长，而在方向(fngxing)上上平均的情况，则定义了半球光谱发射率，即平均的情况，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实际

15、物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比之比第27页/共51页第二十七页，共51页。这样这样(zhyng)，前面定义的半球总发射率则可以写，前面定义的半球总发射率则可以写为：为： )(E)( T, T, T, Tbemitted actual0blackbody, 0blackbody, TTEdEdE 半球总发射率是对所有方向半球总发射率是对所有方向(fngxing)和所有波长下的平均和所有波长下的平均第28页/共51页第二十八页，共51页。 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(xizhng)系数，即，发射率，光谱发射率( )和定向发射率( )，其表达式

16、和物理意义如下40)(TdEEEbb实际物体实际物体(wt)(wt)的辐射力与黑体辐射力之比的辐射力与黑体辐射力之比: :第29页/共51页第二十九页，共51页。bbLLLL)()()()( 实际实际(shj)物体的光谱辐射力与黑体的光物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：谱辐射力之比：bEE)( 实际实际(shj)物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：度之比：第30页/共51页第三十页，共51页。 漫发射的概念：表面的方向发射率漫发射的概念：表面的方向发射率 ( () ) 与方向无关，即定向辐射强度与方向与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上

17、诉规律无关，满足上诉规律(gul)(gul)的表面称为漫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发射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。近似。第31页/共51页第三十一页，共51页。图7-15 几种金属(jnsh)导体在不同方向上的定向发射率( )(t=150)第32页/共51页第三十二页，共51页。图7-16 几种(j zhn)非导电体材料在不同方向上的定向发射率( )(t=093.3)第33页/共51页第三十三页，共51页。 前面讲过，黑体、灰体、白体等都是理想物前面讲过，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，而实际物体的辐射特性并不

18、完全与这些理想物体相同，比如，体相同，比如，(1)(1)实际物体的辐射力与黑体和灰实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图体的辐射力的差别见图7-147-14；(2) (2) 实际物体的辐射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；力并不完全与热力学温度的四次方成正比；(3) (3) 实实际物体的定向辐射强度也不严格遵守际物体的定向辐射强度也不严格遵守LambertLambert定律，定律，等等。所有这些差别全部归于上面的系数，因此，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，形式也可能他们一般需要实验来确定，形式也可能(knng)(knng)很复杂。在

19、工程上一般都将真实表面假设为漫发射很复杂。在工程上一般都将真实表面假设为漫发射面。面。第34页/共51页第三十四页，共51页。图7-14 实际物体、黑体(hit)和灰体的辐射能量光谱第35页/共51页第三十五页，共51页。本节中，还有几点需要注意本节中，还有几点需要注意将不确定因素归于将不确定因素归于(guy)(guy)修正系数，这是由于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难理论确定，实际上是一种热辐射非常复杂，很难理论确定，实际上是一种权宜之计；权宜之计；服从服从LambertLambert定律的表面成为漫射表面。虽然实际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物体的定向

20、发射率并不完全符合LambertLambert定律，定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从但仍然近似地认为大多数工程材料服从LambertLambert定律，这有许多原因；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。有关，而不涉及外界条件。第36页/共51页第三十六页，共51页。 上一节简单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(rh)呢？本节将对其作出解答。Sem

21、i-transparent mediumAbsorptivity deals with what happens to _, while emissivity deals with _第37页/共51页第三十七页，共51页。1. 1. 投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能总辐射能 2. 2. 选择性吸收：投入辐射本身具有选择性吸收：投入辐射本身具有(jyu)(jyu)光光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸收能力谱特性，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，这叫选择性吸收也根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸收首先首先(

22、shuxin)介绍几个概念：介绍几个概念：7-4 7-4 实际(shj)(shj)固体的吸收比和基尔霍夫定律第38页/共51页第三十八页，共51页。3. 3. 吸收比：物体对投入吸收比：物体对投入(tur)(tur)辐射所吸收的百分辐射所吸收的百分数，通常用数，通常用表示，即表示，即)(投入辐射投入的能量吸收的能量4 4 光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收光谱吸收比：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变化体现了实际(shj)(shj)物体的选择性吸收的特物体的选择性吸收的特性。性。能量

23、投入的某一特定波长的能量吸收的某一特定波长的),(1T第39页/共51页第三十九页，共51页。图图7-177-17和和7-187-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸收分别给出了室温下几种材料的光谱吸收(xshu)(xshu)比同波长的关系。比同波长的关系。图7-17 金属导电体的光谱吸收比同波长(bchng)的关系第40页/共51页第四十页，共51页。图7-18 7-18 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系灰体：光谱灰体：光谱(gungp)(gungp)吸收比与波长无关的物体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，吸收称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比比都

24、是同一个常数。都是同一个常数。第41页/共51页第四十一页，共51页。根据前面的定义可知，物体根据前面的定义可知，物体(wt)(wt)的吸收比除与自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。设下标量分布有关。设下标1 1、2 2分别代表所研究的物体分别代表所研究的物体(wt)(wt)和产生投入辐射的物体和产生投入辐射的物体(wt)(wt)，则物体，则物体(wt)1(wt)1的吸收比为的吸收比为)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性质表面的性质，表面投入的总能量吸收的总能量TTfTETTETTb

25、b第42页/共51页第四十二页，共51页。图图7-187-18给出了一些给出了一些(yxi)(yxi)材料对黑体辐射的吸收比与温度材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。的关系。如果投入辐射来自黑体，由于如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为，则上式可变为1),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性质表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb第43页/共51页第四十三页，共51页。图7-19 7-19 物体表面对黑体(hit)(hit)辐射的吸收比与温度的关系第44页/共51页第四十四页，共51页。

26、(1)(1)灰体法，即将光谱吸收比灰体法，即将光谱吸收比 ( () ) 等效为等效为常数，即常数，即 = = ( () = const) = const。并将。并将( () )与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，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；题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；(2)(2)谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个一个(y (y )谱带，

27、在每个谱带内应用灰体谱带，在每个谱带内应用灰体假设。假设。第45页/共51页第四十五页，共51页。发射辐射与吸收辐射二者之间的联系：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。如图的热力学平衡方法。如图7-207-20所示，板所示，板1 1时时黑体，板黑体，板2 2是任意物体，参数分别为是任意物体，参数分别为Eb, T1 Eb, T1 以及以及(yj)E, (yj)E, , T2, T2，则当系统处于热，则当系统处于热平衡时，有平衡时，有 第46页/共51页第四十六页，共51页。bbEEEE图7-20 7-20 平行平板(pngbn)(pngbn)间的辐射换热第47