热辐射基本定律及辐射特性

1、第八章第八章 热辐射基本定律及辐射特性热辐射基本定律及辐射特性1、辐射、辐射：电磁波传递能量的现象。电磁波传递能量的现象。辐射的两种理论辐射的两种理论 ：电磁理论与量子理论：电磁理论与量子理论电磁波的数学描述：电磁波的数学描述：cf c 某介质中传播速率某介质中传播速率, , 0ccn803.0 10c m/s 为真空中的光速为真空中的光速; ; n 为介质的折射率。为介质的折射率。 波长波长, 常用常用 m为单位为单位, 1 m = 10-6 m。 f 频率频率, 单位单位 s-1。8.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念电磁波的波谱电磁波的波谱 射线射线： 510-5 mX射线射线： 51

2、0-7 m 510-2 m紫外线紫外线： 410-3 m 0.38 m可见光可见光： 0.38 m 0.76 m红外线红外线： 0.76 m 103 m 2、热辐射、热辐射由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象。现象。 （1 1）热辐射的主要特点）热辐射的主要特点 a. 所有温度大于所有温度大于0 K的物体都具有发射热辐射的能力，温的物体都具有发射热辐射的能力，温 度愈高，发射热辐射的能力愈强。度愈高，发射热辐射的能力愈强。 发射热辐射时：发射热辐射时： 内热能内热能 辐射能辐射能 ； b. 所有实际物体都具有吸收热辐射的能

3、力所有实际物体都具有吸收热辐射的能力物体吸收热辐射时：物体吸收热辐射时： 辐射能辐射能 内热能内热能 ； c. 热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播，且传播效热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播，且传播效 率最高；率最高； d. 物体间以热辐射方式进行的热量物体间以热辐射方式进行的热量 传递是双向的。传递是双向的。 高温高温物体物体低温低温物体物体当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即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，如图所示。吸收、反射和穿透，如图所示。11QQQQQQQQQQ（2）物体对热辐射的吸收、反射和穿透）物体对热辐射的吸收、反射和穿

4、透 对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：1,01,0固体表面镜反射与漫反射固体表面镜反射与漫反射镜反射镜反射漫反射漫反射11对于镜体或白体：对于镜体或白体：对于透明体：对于透明体：3、黑体模型、黑体模型黑体是指能吸收投入到其面上黑体是指能吸收投入到其面上所有热辐射能的物体，是一种所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体。科学假想的物体。现实生活中不存在，但却可以现实生活中不存在，但却可以人工制造出近似的人工黑体。人工制造出近似的人工黑体。人工黑体模型人工黑体模型辐射力辐射力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单位时间内，物

5、体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。的能量总和。 (W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力E：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)，物体的，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。单位表面积向半球空间发射的能量。 (W/m3)；1 1、热辐射能量的表示方法、热辐射能量的表示方法E、E关系关系:dEE0黑体一般采用下标黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的，黑体的光谱辐射力光谱辐射力为为Eb8.2 黑体热辐射的基本定律黑体热辐射的基本定律定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：定义：球面面积除以

6、球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度球面度)，如图所示：，如图所示：立体角立体角2ddcAr dsincArdrd dsin d d d ( )=d cosdIA定向辐射强度定向辐射强度 I辐射强度：空间某一表面在单位时间，与辐射方向垂直的单辐射强度：空间某一表面在单位时间，与辐射方向垂直的单位面积上，单位立体角发射的波长为位面积上，单位立体角发射的波长为0 的能量，用的能量，用I表示。表示。空间某一表面，面积为空间某一表面，面积为dA的黑体微元，在微元立体角的黑体微元，在微元立体角d内内辐射出去的能量为辐射出去的能量为d，则，则I I为常数，与为常数，与无关。无关。d cosA称为可见

7、面积2、黑体辐射的三个基本定律及相关性质、黑体辐射的三个基本定律及相关性质(1) Planck定律定律1)(512TcbecE式中，式中，Eb光谱辐射力，光谱辐射力，W/m3；：波长，：波长，m ；T ：黑体：黑体温度，温度，K ； c1 ：第一辐射常数，：第一辐射常数，3.74210-16 W m2； c2 ：第二辐射常数，：第二辐射常数，1.438810-2 W K； 根据上式可得：不同温度根据上式可得：不同温度下下Eb随波长随波长的变化曲线的变化曲线。Wien位移定律给出位移定律给出m与与T 的关系：的关系：KmTm3108976. 2Planck定律与定律与Stefan-Boltzma

8、nn定律的关系定律的关系2541()001bbcTcEddTEe4bET即式中，式中，= 5.6710-8 W/(m2 K4)，Stefan-Boltzmann常数。常数。(2) Stefan-Boltzmann定律定律Lambert 定律定律：单位时间内，黑体单位可见面积，在单位：单位时间内，黑体单位可见面积，在单位立体角中辐射出去的能量相等，或定向辐射强度立体角中辐射出去的能量相等，或定向辐射强度I是常数。是常数。Lambert 定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。单位时间内，黑体单位面单位时间内，黑体单位面积，在单位立体角中辐射出去的能量积，在单位立体角中辐射出去的能量随天顶角随天顶

9、角 呈余弦规律呈余弦规律变化。变化。(3) Lambert 定律定律对上式沿半球方向积分，可获得了半球辐射力对上式沿半球方向积分，可获得了半球辐射力 E:cos dEII Lambert定律图示定律图示Lambert定律与定律与Stefan-Boltzmann定律的关系定律的关系8.3 固体和液体的辐射特性固体和液体的辐射特性定向辐射强度定向辐射强度 光谱辐射力光谱辐射力上面公式只是针对光谱和方向平均的情况，但是，实际上面公式只是针对光谱和方向平均的情况，但是，实际上，真实表面的发射能力随上，真实表面的发射能力随光谱光谱和和方向方向变化。变化。1、实际物体发射率、实际物体发射率 同温度下，黑体

10、发射热辐射的能力最强；同温度下，黑体发射热辐射的能力最强； 真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体； 发射率发射率 (也称为黑度也称为黑度) ：相同温度下，实际物体的辐射：相同温度下，实际物体的辐射力与黑体辐射力之比力与黑体辐射力之比:4TEEEb bEE光谱发射率：实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱光谱发射率：实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比辐射力之比E2、 实际物体的光谱辐射力实际物体的光谱辐射力b04( )EbdEET几种非导电体材料在不同几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率方向上的定向发射率 ( ) (t=090)几种金属导体在不

11、同方向上的定向发射几种金属导体在不同方向上的定向发射 ( )(t=150)3、实际物体的定向辐射强度、实际物体的定向辐射强度定向发射率：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向发射定向发射率：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向发射强度之比强度之比( )( )( )( )bbIIII ( )( )( )( )bbIIII 对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力，光谱辐射力Eb 和定向辐射强度和定向辐射强度I，分别引入了三个修正系数，即分别引入了三个修正系数，即（总）发射率（总）发射率 ，光谱发射率，光谱发射率 ( ) 和定向发射率和定向发射率 ( )，其表达式和物理意义如下，其表达式和物

12、理意义如下40)(TdEEEbb实际物体的辐射力与实际物体的辐射力与黑体发射力之比黑体发射力之比: :实际物体的光谱辐射实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱发射力与黑体的光谱发射力之比：力之比：bEE)(实际物体的定向辐射实际物体的定向辐射强度与黑体的定向发强度与黑体的定向发射强度之比：射强度之比：实际物体辐射的简化处理方式实际物体辐射的简化处理方式1. 光谱发射率光谱发射率 ( )为常数为常数=灰体假设；灰体假设；2. 定向发射率定向发射率 ( )为常数为常数=漫射表面假设；漫射表面假设；因此，实际物体的光谱发射率并不是常数；定向发射率因此，实际物体的光谱发射率并不是常数；定向发射率也并不完全符

13、合也并不完全符合Lambert定律。定律。8.4 实际物体的吸收比和基尔霍夫定律实际物体的吸收比和基尔霍夫定律光谱吸收比：物体吸收某一特定波长辐射能的百分数。光谱吸收比：物体吸收某一特定波长辐射能的百分数。表征物体对某一波长辐射能吸收特性的物理量。表征物体对某一波长辐射能吸收特性的物理量。 几种金属材料的光谱吸收比几种金属材料的光谱吸收比辐射特性随波长变化的性质称为辐射特性对波长的选择性。辐射特性随波长变化的性质称为辐射特性对波长的选择性。实际物体的吸收比实际物体的吸收比: :取决于物体本身材料的种类、温度及表面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，因此与投入辐

14、射能的发性质，还与投入辐射的波长分布有关，因此与投入辐射能的发射体温度有关。射体温度有关。 几种非金属材料的光谱吸收比几种非金属材料的光谱吸收比工程上的热辐射主要位于工程上的热辐射主要位于0.7610 m的红外波长范围的红外波长范围内，绝大多数工程材料的光内，绝大多数工程材料的光谱辐射特性在此波长范围内谱辐射特性在此波长范围内变化不大，因此在工程计算变化不大，因此在工程计算时可以近似地当作灰体处理。时可以近似地当作灰体处理。一些材料对黑体辐射的吸收一些材料对黑体辐射的吸收比随黑体温度的变化。比随黑体温度的变化。基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律揭示了物体吸收辐射能的能力与发射辐射能基尔霍夫定

15、律揭示了物体吸收辐射能的能力与发射辐射能的能力之间的关系，其表达式为的能力之间的关系，其表达式为 , , ,TT 重要推论：重要推论：1、吸收辐射能能力愈强的物体，发射辐射能能力也愈强。、吸收辐射能能力愈强的物体，发射辐射能能力也愈强。2、在温度相同的物体中，黑体吸收辐射能的能力最强，发、在温度相同的物体中，黑体吸收辐射能的能力最强，发射辐射能的能力也最强。射辐射能的能力也最强。漫射灰体：辐射特性与角度和波长无关，只是温度的函数漫射灰体：辐射特性与角度和波长无关，只是温度的函数 TT本章小结本章小结黑体的辐射定律黑体的辐射定律4=bET辐射能力辐射能力辐射力辐射力光谱辐射力光谱辐射力定向辐射力

16、定向辐射力1)(512TcbecEd ( )cosd dIA实际物体的辐实际物体的辐射定律射定律4=ET bEE bII 假定物体的辐假定物体的辐射定律射定律不随波长变不随波长变化，灰体化，灰体不随发射角变不随发射角变化，漫射表面化，漫射表面辐射力：半球空间、全部波长；E，W/m2光谱辐射力：半球空间、某段波长；E，W/(m2.m)定向辐射力：单位面积，单位立体角、全部波长，Icos，W/(m2.sr)定向辐射强度：单位可见面积、单位立体角、全部波长，I，W/(m2.sr)0EE dcos dEI三者关系三者关系思考题：思考题：1. 什么是黑体、什么是黑体、 灰体灰体? 实际物体在什么样的条件下可以看实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体成是灰体?2. 光谱辐射力，定向辐射强度和辐射