传热学(第四版)第八章热辐射基本定律和辐射特性

第8章热辐射基本定律及辐射特性本章的讨论从（1）电磁波、波谱开始，重点介绍热辐射的波谱；然后介绍（2）黑体及黑体的辐射定律，包括Stefan-Boltzmann定律，普朗克定律，维恩位移定律，兰贝特定律；接着，介绍物质的辐射属性，（3）发射率及发射率随波长和方向的关系，（4）吸收率。最后，应用辐射定律解释一些日常生活中的现象，如温室效应、沙漠地区昼夜温差大等。1§8-1热辐射的基本概念热辐射：通过电磁波传递能量2辐射

辐射是电磁波传递能量的现象。解释辐射的两种理论

：电磁理论与量子理论电磁波的数学描述：

c

—

某介质中的光速,m/s

为真空中的光速;n为介质的折射率。

—

波长,常用m为单位,1m=10-6m。

—

频率,单位

1/s。3电磁波的波谱射线：

<5×10-5mX射线：5×10-7

m<<5×10-2m紫外线：4×10-3m<<0.38m可见光：0.38m<<0.76m红外线：

0.76m<<103

m无线电波：

>103

m热射线4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现象。

理论上热辐射的波长范围从零到无穷大，但在日常生活和工业上常见的温度范围内，热辐射的波长主要在0.1m至100m之间,包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段。5热辐射的波谱紫外线0.1-0.40μm可见光0.40-0.76μm红外线0.76-100μm太阳辐射0.30-3μm6§8-2黑体辐射的基本定律热辐射的主要特点（温度、介质、方向）（1）所有温度大于0K(零下273℃)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。（2）热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播，在真空中传播的效率最高；（3）物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双向的。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Eλ：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的单位波长范围内的能量。

(W/m2μm)；定向辐射力：单位时间内，物体的单位表面积向单位立体角空间发射的所有波长的能量总和。

(W/m2rad)；1.热辐射能量的表示方法§8-2黑体辐射的基本定律Abodyatatemperatureaboveabsolutezeroemitsradiationinalldirectionsoverawiderangeofwavelengths.8黑体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。人工黑体模型镜反射与漫反射镜反射漫反射9(1)Stefan-Boltzmann定律式中，σ=5.67×10-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。2.黑体辐射的四个基本定律注：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Ebλ。10式中，λ—

波长，m；T

—

黑体温度，K；

c1

—

第一辐射常数，3.742×10-16Wm2；

c2—

第二辐射常数，1.4388×10-2WK；

(2)Planck定律11给定T，黑体Ebλ随波长的关系Planck定律与Stefan-Boltzmann定律的关系？12不同T条件，黑体Ebλ随波长的关系T

增大，λm向左偏移，且满足称为

(3)Wien位移定律。13黑体辐射函数表14例，白炽灯的辐射15例，白炽灯的辐射16（4）Lambert定律Lambert定律：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I是常数。Lambert定律也称为余弦定律。叙述为：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,或称为定向辐射力，随天顶角呈余弦规律变化。面积为dA的黑体微元，在微元立体角dΩ内辐射出去的能量为dΦ，实验查明：I为常数，与θ无关。称为可见面积。17沿半球方向积分上式，可获得半球辐射强度E:辐射力与定向辐射力的关系？181、实际物体发射率同温度下，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；定义发射率

(也称为黑度)

：相同温度下，实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:§

8-3固体和液体的辐射特性19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光谱和方向变化。光谱辐射力定向辐射力20

对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度I，分别引入三个修正系数，即，（总）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发射力之比:实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱发射力之比：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向发射强度之比：212、实际物体的光谱辐射力223、实际物体的定向辐射力注意θ为天顶角23实际物体辐射的简化处理方式光谱发射率()为常数==>灰体假设；定向发射率()为常数==>漫射表面假设；因此，实际物体的光谱发射率并不是常数；定向发射率也不是常数。将不确定因素归于简单的修正系数，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。课堂测试：作图()和()，说明灰体、漫射表面的辐射特性。漫灰表面244，有关发射率的一些实例2526§

8-4实际物体的吸收特性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。1，吸收、反射和穿透率定义27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：固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上属于表面效应：金属的表面层厚度小于1m；绝大多数非金属的表面层厚度小于1mm。282，吸收比实际物体的光谱吸收比也与黑体、灰体不同，是波长的函数。几种金属材料的光谱吸收比29

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。实际物体的吸收比不仅取决于物体本身材料的种类、温度及表面性质，还和投入辐射的波长分布有关，因此和投入辐射能的发射体温度有关。几种非金属材料的光谱吸收比30

工程上的热辐射主要位于0.76～10m的红外波长范围内，绝大多数工程材料的光谱辐射特性在此波长范围内变化不大，因此在工程计算时可以近似地当作灰体处理。一些材料对黑体辐射的吸收比随黑体温度的变化。

31基尔霍夫定律

基尔霍夫定律揭示了物体吸收比与发射率之间的关系，其表达式为

说明吸收辐射能能力愈强的物体的发射辐射能能力也也愈强。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。

对于漫射、灰体，辐射特性与角度和波长无关，32应用举例（1）

太阳紫外线辐射与臭氧层破坏33应用举例（2）

温室效应34应用举例（3）红外测温仪35辐射基本概念小结黑体的辐射定律辐射能力辐射力光谱辐射力定向辐射力实际物体的辐射定律假定物体