第六章 热辐射的基本定律

1、传热学Heat Transfer，讲师：徐志祥，节能波长，m，1，传播速率与波长，频率关系，2，电磁波光谱，热辐射： 0.1100m，包括可见光、部分紫外辐射和红外线，0.38，图1电磁辐射光谱，0.76，红外线辐射响应以波长4m为界分为近红外线和远红外线，1，20世纪70年代发展的远红外加热技术2，微波： 1mm1m，3，1m的电磁波广泛应用于无线电技术。 科学家首次观察到光的波粒二象性统一，科技高等院校郭光翠院士认为，当热辐射被目标心理投射时，依据可见光规律，其一部分被目标吸收，一部分被反射，其馀部分透过目标。 3、物体表面对电磁波的作用、物体对热辐射的吸收反射和透射、(1)吸收比、反射比

2、和透射比之间的一般关系、吸收比反射比透射比、许多固体和液体：不含粒子的气体：固体和液体对投入辐射的吸收和反射特性是在物体表面进行的，与物体内部无关。 瓦斯气体的辐射和吸收在整个瓦斯气体容积中进行，表面状况不重要。 (2)固体表面的两个反射，镜面反射：入射角=反射角，表面粗度波长，漫反射：表面粗度波长，一般工程材料形成漫反射。 黑体：=1=0=0，以便研究图3的漫反射、图2的镜子反射和辐射特性； 白体：=0=1=0； 透明体：=0=0=1、在自然段和工序的应用中不存在完全符合理想要求的黑体、黑体和透明体，但有与它们类似的物体。 例如，煤的吸收率达到0.96，打磨后的金的反射比大致达到0.98，常

3、温下空气对热线显示出透明的性质。 6.1.3黑体模型及其重要性在于，在具有小孔的等温腔表面上，当来自外部的辐射从小孔进入腔内时，一定会在其内表面经历无数的吸收和反射，最后从小孔中重新选择的辐射能量必然是微乎其微的。 一般认为入射能量的大部分被空洞吸收。 从这个意义上说，小孔非常接近黑体的性质。 黑体有最大的吸收力(=1)，云同步有最大的放射力(=1)。 因为实际物体中绝对不存在黑体，所以要引出人工黑体。 6.1.4两个重要的辐射残奥计，1辐射力，定义：单位时间内，物体每单位表面积向表面上半球空间所有方向辐射的全波长电磁波能量的总和用e表示，单位。 很明显，放射力的数值表示物体放射放射能的能力。

4、 在此，不是一定的，对于某个物体，根据温度的不同，放射能力也不同。 黑体辐射力：Eb，2 .单色辐射力，定义：单位波长内的能量，包括单位表面积在单位时间内向该半球空间的所有方向放射的波长：的定义与e有积分关系，放射力是各种波长的单色辐射力沿波长积分的： 物体发射的是该波段的辐射能量是多少，6.2黑体辐射的基本规律，在本节中聚焦黑体辐射的两个基本规律，即史蒂芬玻耳兹曼定律、平板支撑定律，揭示了黑体辐射的总能量计算方法和不同波长的分布。 6.2.1史蒂芬-玻耳兹曼定律(四次方定律)，1定义式，公式中，称为黑体辐射系数，t是黑体热力学温度，即黑体在某温度下的辐射力，称为黑体辐射常数，由此可知，Eb与

5、黑体绝对温度的四次方成正比。 2实际物体的辐射力、实际物体的辐射力也与温度有关，但根据各自的实验结果，实际物体的辐射力不严格与热力学温度的4次方成比例，并且对于不同的物体几次方不一定，在计算上极为不便。 因此，发射率这一概念被定义了。发射率(黑度) :任何物体的放射力e与同温度下黑体的放射力Eb之比称为该物体的发射率：黑度的定义，所以史蒂芬玻耳兹曼定律能够近似于实际物体的计算：说明：发射率的值在01之间，具体的数值是实验测量，物体的放射力在同温度下的黑物体的发射率受温度影响，氧化铝表面、50、500、表面状况对发射率也有很大影响，大多数非金属材料和表面氧化的金属材料发射率高，一般为0.750.

6、95，与表面状况无关。 真的吗？ 的表面，无光泽，抛光，6.2.2平板支撑规律，物体的辐射力按波长分布不均匀，即物体发射不同热线的能力也不同。 明确了黑体辐射能量随波长的分布规律。1定义式、式中被称为第一放射常数、被称为第二放射常数、平板支撑法则的图、单色辐射功率随着波长的增加而增大，越过峰值随着波长的增加而减小。 根据维也纳位移定律：维也纳位移定律，用光学仪器测量某黑体表面的最大分光放射力的波长，即可算出其黑体表面的温度。 如果知道太阳，就能得到太阳的表面T=5795.2 K。 随着温度的升高，辐射力中可见光的份额增加，热物体的亮度发生变化。 分析：黑体辐射的光谱是一系列的连续光谱，某温度下

7、的黑体辐射力等于与该温度对应的曲线上的面积，温度越高，辐射力越大。史蒂芬-玻耳兹曼定律、【解】应用维也纳位移定律T=2000K时max=2.9103/2000=1.45 m T=5800K时max=2.9103/5800=0.50 m中常见的与物体最大放射力对应的波长为红外线区中太阳辐射最小2黑体辐射函数，定义：在波长范围内黑体辐射能量占其辐射力的份额。 由平板支撑定律可知，黑体辐射函数是波长与温度乘积的函数。黑体辐射函数，实际上，可要求某一特定波长的辐射能量。 图中1和2之间的线下面的面积。 黑体在波长1和2区间放射的放射力：特定波长区间的黑体辐射力、=、Stefan-Boltzmann的法

8、则：黑体辐射力、Planck的法则：黑体辐射能量在波长分布的法则：维也纳位移的法则：确定与黑体的光谱放射力的峰值对应的最大波长。 黑体辐射基本规律总结如下： 6.3基尔霍夫法则，6.3.1实物的辐射、吸收特性、辐射面：实物的单色辐射力随波长和温度的变化而不规则，单色辐射模量，实物的单色辐射力与同温度下黑体的单色辐射力之比。 实际物体的单色辐射模量，1，注入辐射：单位时间内被心理投射到单位表面积的总辐射能量，实际物体的吸收比，吸收比：物体对注入辐射的吸收比用通常来表示，实际物体的吸收比不仅取决于物体本身的情况，也取决于注入辐射的特性。 物体本身的状况：物质的种类、物体的温度和表面状况。 1、单色

9、吸收比：物体吸收某特定波长放射能的百分比称为单色吸收比，也称为光谱吸收比。 光谱吸收率根据波长表示实际物体的选择性吸收的特性。 物体的光谱吸收率随波长而不同的特性被称为物体的吸收率，具有选择性。 2、实际物体吸收具有选择性，工程应用：温室大棚、采暖、焊接时，生活中的例子：颜色、世界温室效应、思考问题：火星和地球距太阳的距离相当，为什么与地球相比，火星的昼夜温差较大？ 地球表面的大气起到世界温室效应的作用，火星表面没有大气，因此昼夜温差大。根据先前的定义，物体的吸收比除了自身的表面性质和温度之外，还与投入辐射的波长引起的能量分布有关。 代表分别研究下标1、2的物体和产生投入辐射的物体，物体1的吸

10、收率不仅仅取决于物体自身的性质，也取决于投影辐射，因为实际物体的吸收选择性给辐射传热计算带来困难，辐射来自黑体时，上式发生变化，根据波长而变化， 依赖于投射辐射的波长分布，给实际物体的辐射传热计算带来了很大的困难，基尔霍夫法则的提出为这一困难的解决奠定了基础。 由于基尔霍夫法则、6.3.2、黑体1、实际表面2、板1、板2的温度相等，因此系统必须处于热平衡状态，从板2发射的辐射能量与所吸收的辐射能量必须相等，即：t、t、发射率在热平衡条件下， 记述了哪个物体的放射力和同温度黑体放射的吸收比的比，与物性无关，只依赖于温度，在同温度下等于黑体的放射力。 推论1 :在相同温度下，所有物体的辐射力都是黑

11、体的辐射力最大的推论2 :物体的辐射力越大，其吸收率越大。 热平衡条件下，任意物体对黑体的吸收比等于同温度下该物体的发射率。 语言描述：6.3.3灰体，定义：单色吸收比与波长无关，即物体。灰尘、灰尘、1、0.6、灰尘的光谱吸收比，一些说明：灰尘的总吸收比也是常数()； 对于灰体，永远成立的灰体是理想的辐射体，灰体的辐射特性也与黑体完全类似，光谱发射率也与波长没有关系。 灰体、工程中，对实际表面的投射辐射主要集中在0.7620波长的热线上，在该波长范围内，实际物体的辐射不随波长变化。 因此，在很多情况下，实际物体可以作为灰体来处理。 例6. 1北方晚秋季节的早晨，树叶叶面经常结霜。 为什么树叶上下面哪一面结霜？解：霜结在树叶上面。 因为早晨，上面面向宇宙，下面面向地面。 宇宙表面的温度低于0，地球表面的温度通常在0以上。 相对于叶子的下面，上面需要向宇宙放射更多的能量，因此下面的叶子的温度更高，上面的温度可能低于零度，容易结霜。 例6. 2对于放置在室外的冷冻库，从减少冷冻库冷热损失的观点出发，冷冻库外壳的颜色应该涂深色还是浅色？解：为了减少制冷损失，需要尽可能地吸收热量，尽可能地将热量