传热学课时7 热辐射基本定律和辐射特性

课时7热辐射基本定律和辐射特性考点重要程度占分题型1.热辐射现象的基本概念★★2～4选择、填空2.黑体热辐射的基本规律必考3～10填空、大题3.固体和液体的辐射特性★★2～4选择、填空

4.实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系★★★5～10大题辐射——物体向外界以电磁波的方式传递能量的现象。所辐射电磁波携带的能量，称为辐射能7.1热辐射现象的基本概念

1、热辐射的定义及特点一、辐射和热辐射热辐射：由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射能够发射热辐射是自然界中物体的特性之一，只要物体温度大于0K，物体就会向外发射热辐射。电磁波的波长范围称为电磁波谱。

2、从电磁波的角度描述热辐射的特性一、电磁波谱图1电磁波波谱(2)物体对外界投入辐射能量Q的反应：吸收Qα、反射Qρ和穿透Qτ根据能量守恒：(1)物体对投入辐射的吸收比、反射比和穿透比从外界其他物体投射到物体表面上的所有波长电磁波能量为Q。

2、从电磁波的角度描述热辐射的特性一、物体表面对电磁波的作用图2物体对热辐射的吸收、反射和穿透说明1：对固体和液体辐射能一般是不能透过的

因为辐射能进入固体和液体表面后，在极短的距离内就被吸收完。由于固体和液体对投入辐射的反射和吸收都是在表面上进行的，影响固体和液体对投入辐射反射和吸收特性的主要是物体的表面性质，与物体空间性质无关。

2、从电磁波的角度描述热辐射的特性故对不透明固体，物体之间的辐射传热与物体表面之间的辐射传热是等价的。说明2：气体对投射辐射几乎没有反射能力气体的吸收和透射是在整个气体容积上进行的，具有体积效应需要说明的是，一般空气可认为其辐射和吸收能力为0，故空气不参与辐射传热。

2、从电磁波的角度描述热辐射的特性扫码听课，视频讲解更清晰(1)漫反射表面－无论投射辐射来自何方，物体在半球空间各方向上都有均匀的反射定向辐射强度的物体表面(2)当物体表面非常光滑（相对投射辐射波长而言）时，投入辐射的入射角等于反射角，反射为镜面反射。(3)到底发生哪种反射取决于表面不平整尺寸与投入辐射波长的相对关系。

2、从电磁波的角度描述热辐射的特性一、固体表面对投射辐射的两种反射图2漫反射图1镜面反射几个理想物体（实际自然界不存在）

物体称为黑体物体称为透明体物体称为白体（漫反射）或镜体（镜面反射）

3、黑体模型及其重要性

黑体在辐射传热分析研究中具有重要的作用，它既是吸收能力最强的物体（根据定义），也是同温度下辐射能力最强的物体（根据基尔霍夫定律）。（2）光谱辐射力Eλ—在单位时间内、物体单位表面积向其上半球空间所有方向发射的、在某一特定波长的能量（全部方向、某一波长）（1）辐射力E—在单位时间内、物体单位表面积向其上半球空间所有方向发射的全部波长范围内的电磁波能量（全部波长、全部方向）（3）定向辐射强度I—在单位时间内、从物体单位可见表面积发射出去的落到空间某一方向单位空间立体角中的全部波长电磁波能量（全部波长、某一方向）1.三个反映物体辐射能力的概念7.2黑体热辐射的基本规律

揭示了温度为T的黑体表面，其光谱辐射力随波长λ的变化规律光谱辐射力Eλ：物体在单位时间内、单位表面积向其周围半球空间所有方向发射的包含波长λ在内的单位波长内的辐射能量光谱辐射力与全辐射力的关系：2.普朗克定律式中，λ—波长，m

；

T—黑体温度，K

；

c1

—第一辐射常数，3.742×10-16W

m2；

c2

—第二辐射常数，1.4388×10-2W

K；

（该公式及其中常数不用记）Planck定律(1901年)：2.普朗克定律扫码听课，视频讲解更清晰（1）对给定波长，则黑体表面温度越高，其光谱辐射能力越大（2）给定T的黑体表面，其光谱辐射力随波长变化是光滑连续的，且λ趋于0和∞时，光谱辐射力均趋于02.普朗克定律黑体光谱辐射特性分析根据特性（3），随物体温度升高，曲线峰值向左移动。即较短波长占全部辐射能的份额增加。维恩位移定律（3）对给定T的黑体表面，存在某一波长，其光谱辐射力有最大值。该对应最大光谱辐射力的波长为：2.普朗克定律黑体光谱辐射特性分析σb=5.67×10-8W/(m2.K4)—斯蒂芬-玻尔兹曼常数，黑体辐射常数。工程上我们经常用到的是黑体在某一温度时的全辐射力，显然3.斯忒藩-玻耳兹曼定律扫码听课，视频讲解更清晰黑体辐射函数为某一温度T下0-λ波段内电磁波能量占该温度黑体表面辐射力的份额，用Fb(0-λ)表示4.黑体辐射函数与波段辐射力表1黑体辐射函数表

T/(m

K)Fb(0-

)

T/(m

K)Fb(0-

)100011001200130014001500160017001800190020002200240026000.0003230.0009160.002140.004340.007820.012900.019790.028620.039460.052250.066900.10110.14050.18346500700075008000850090009500100001200014000160001800020000220000.77660.80830.83460.85640.87470.89070.90320.91430.94510.96290.97380.98080.98560.9889

工程上有时我们需要知道黑体表面发射的全部波长电磁波中某一波段范围内电磁波的能量多少，引入了波段辐射力的概念

4.黑体辐射函数与波段辐射力波段辐射力

定义：黑体在某一波段范围内发射辐射能的能力称为波段辐射力图1特定波长区段内的黑体辐射能4.黑体辐射函数与波段辐射力波段辐射力温度为T的黑体表面波段辐射力的计算平面角定义（二维），s为弧长，r为半径。=s/r（rad）立体角定义（三维），Ω=Ac/r2(sr)

，Ac为球面上的面积。θrs平面角定义图1.立体角（表示球形空间中某一方向空间大小）5.兰贝特定律2.定向辐射强度

单位时间、单位可见辐射表面发射出去的落到空间某一方向单位立体角内的辐射能，称为该方向的定向辐射强度。为从θ方向看过去的可见辐射面积其中可见辐射面积：图1可见面积示意图5.兰贝特定律黑体的定向辐射强度与方向无关。3.兰贝特定律将兰贝特定律变形，得：故兰贝特定律又称余弦定律。该式表明，黑体单位面积辐射出去的能量在空间不同方向的分布是不均匀的。在垂直于该表面的方向最大，而在与该表面平行的方向上为零。5.兰贝特定律黑体的辐射和吸收特性黑体的吸收特性：吸收比为1，即无条件全吸收5.兰贝特定律黑体的辐射特性：光谱辐射力按波长分布满足Planck定律，辐射力满足Stefan-Boltzmann定律定向辐射强度满足Lambert定律，即为漫发射表面1、实际表面辐射的光谱特性

黑体光谱辐射力与波长的关系可据Planck定律得出。

实际物体表面的光谱辐射力与波长的关系可由实验测得。7.3固体和液体的辐射特性1.实际物体的光谱辐射力图1实际物体的光谱辐射力示意图

同温度下黑体和实际物体光谱辐射力随波长的规律表示如图。

为了便于研究实际物体对某一波长电磁波的辐射特性，引入光谱发射率

定义：实际物体的光谱辐射力与相同温度下、相同波长黑体的光谱辐射力之比实际物体的光谱辐射力

实际物体光谱发射率特点：光谱发射率小于1且不为常数2、光谱发射率（单色黑度）1.实际物体的光谱辐射力图1实际物体的光谱辐射力示意图实际物体的辐射力E总是小于同温度下黑体表面的辐射力Eb，两者的比值称为实际物体的发射率（黑度）。2.实际物体的辐射力图1实际物体的光谱辐射力示意图实际物体发射率为小于1的正数，它反映了实际物体发射辐射能的能力接近同温度下黑体的程度，为实际物体辐射力计算提供了比较的标准实际物体的辐射力可以表示为：

实际物体发射率与材料种类、表面状况及表面温度有关

材料种类 一般来说，金属材料发射率较小，且受材料种类的影响较大。 非金属材料的发射率较高，且与材料种类及表面状况（包括颜色）关系不大，一般在0.85-0.95之间。缺乏资料时，可近似取作0.9。3.影响实际物体发射率的因素表面温度物体表面温度影响规律比较复杂表面状况对于金属材料，表面状况对发射率影响较大。表面的粗糙化和氧化层的形成，将使发射率明显增加；而高度磨光表面的发射率很小。图1铜与铝的光谱吸收与波长关系1.光谱吸收比光谱吸收比—实际物体对投入辐射中某一特定波长的辐射能吸收的份额实验测得的一些实际物体的光谱吸收比与波长关系如图所示7.4温室效应1.实际物体的吸收比图2部分非导体的光谱吸收与波长关系实际物体光谱吸收比特点：光谱吸收比小于1且不为常数（随波长变化较大）影响实际物体光谱吸收比因素（均为自身特性）：表面状况包括表面粗糙度、氧化程度及颜色等1.实际物体的吸收比图1铜与铝的光谱吸收与波长关系图2部分非导体的光谱吸收与波长关系

实际物体的光谱吸收比随波长变化的特性称为物体对投入辐射的吸收具有选择性。

该特性在工程和日常生活中具有很多的应用。2.实际物体对投入辐射的吸收具有选择性1.实际物体的吸收比

如太阳镜、焊接工人所带的保护眼镜、物体在太阳照射下呈现不同的颜色、太阳能热水器、温室效应都可以根据该特性来解释。

灰体是为了处理辐射传热问题的方便，而人为引入的一种理想物体，其光谱吸收比与波长无关灰体的吸收特性： 1、光谱吸收比与波长无关 2、吸收比等于光谱吸收比，与投射辐射波长构成无关

3、灰体的吸收比只是自身表面物理性质，与外界环境无关。灰体的发射特性也相比实际物体有很大简化2.灰体的概念及其工程应用对单位表面积，在单位时间内，板2净损失的能量为

板1是黑体，板2是实际物体3.吸收比与发射率关系-基尔霍夫定律1、基尔霍夫定律如两板处于热力学平衡状态基尔霍夫定律对实际物体2有3.吸收比与发射率关系-基尔霍夫定律1、基尔霍夫定律

热平衡条件下，任何物体的自身辐射和其对黑体投入辐射的吸收比的比值，等于同温度下黑体的辐射力或：

当实际物体与黑体处于热平衡状态时，任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率3.吸收比与发射率关系-基尔霍夫定律2、基尔霍夫定律的文字表述对漫灰表面，恒有下式成立：3、漫射灰体表面：

对于有太阳辐射参与的情况，由于一般表面对波长较短的可见光的吸收具有明显的选择性，因此一般不能将实际物体表面看作灰体。

太阳镜、焊接工人所带的保护眼镜、物体在太阳照射下呈现不同的颜色、太阳能热水器、温室效应温室以及温室效应等都是物体对可见光具有吸收选择性的典型例子。4.温室效应表面颜色对不同温度来源投入辐射吸收的影响不同（1）对太阳辐射来说，物体表面的颜色是影响物体吸收的重要因素

——白漆的吸收比为0.12，黑漆的吸收比为0.965.表面颜色对表面吸收能力的影响（2）对红外辐射而言，表面颜色对吸收的影响很小——白漆和黑漆的吸收比几乎相同0.9——雪对红外辐射的吸收比可达到0.98天空平均温度很低，宇宙空间的平均温度只有4K，接近绝对零度。许多自然现象需要考虑物体对天空的辐射散热才能解释。6.物体对天空的辐射散热为何冬天晴朗的夜晚，空气温度高于0摄氏度，地面仍会结霜？为何树叶结霜的都是上表面？地球与宇宙空间的辐射传热与天气条件有关。寒冷晴朗的天空传热较多；暖和有雾的天空传热较少。【题1】实验测得2500K钨丝的法向一单色发射率如图所示，试计算其辐射力及发光效率。解：设钨丝表面为漫射表