第6章 热辐射基础.ppt

1、2020/10/6,1,第六章 热辐射基础,6-1 热辐射的基本概念 6-2 黑体辐射和吸收的基本性质 6-3 实际物体的辐射和吸收,2020/10/6,2,6-1 热辐射的基本概念,热辐射在机理上与导热、对流有根本的不同。 导热与对流是由于物质微观粒子的热运量和物体的宏观运动所造成的能量转移。 热辐射是由于物质的电磁运动所引起的能量的传递。（分子和原子振动的结果。）,2020/10/6,3,辐射是电磁波传递能量的现象。 电磁辐射的波长范围很广，从长达数百米的无线电波到小于10-14米的宇宙射线。 由于热的原因而产生的电磁辐射称为热辐射。热辐射为 之间的波长部分。,电磁波的波谱,2020/10

2、/6,4,在工业上所遇到的温度范围内（2000K以 下），最感兴趣的是波长约从0.38m到0.76m的可见光和波长从可见光谱的红端之外延伸到1000m的红外线。 有时以波长25m为界，又将红外线区分为近红外区和远红外区。,电磁波的波谱,2020/10/6,5,只要物体的温度高于0K，物体总是不断地把热能变化辐射能，向外发出热辐射。同时，物体也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。 一个物体如果与另一个物体相互能够看得见，那么它们之间就会发生辐射热交换。 而交换的辐射换热量不仅与两个物体的温度有关，而且与物体的形状大

3、小和相互位置有关，同时还与物体所处环境密切相关。,2020/10/6,6,当热辐射的能量投射到物体表面上时，会发生吸收、反射和穿透现象。若外界单位时间投射到单位物体表面上的总能量为G（即投入辐射），被物体吸收部分为G，被物体反射部分为G，穿透物体部分为G。按能量守恒定律有：,或,2020/10/6,7,各部分百分数G/G 、 G/G 、G/G 分别称为该物体对投入辐射的吸收比 、反射比和透射比 ，于是,（1）对于固体和液体：当热辐射投射到固体或液体表面时，一部分被反射，其余部分在很薄的表面层内就吸收完了，所以可以把它们的吸收和反射视为一个表面过程，因此固体和液体的热辐射是表面辐射。 由于热射线

4、不能穿过固体和液体，因此可认为透射比 =0。,固、液体：吸收能力大的物体其反射本领就小。,（2）对于气体：当热辐射投射到气体时，气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反射比=0。气体对热射线的吸收和穿透是在空间中进行的，其自身的辐射也是在空间中完成的。因此气体的热辐射是容积辐射，其表面状况则无关紧要。,2020/10/6,9,由于不同物体的吸收比、反射比和透射比因具体条件不同差别很大，给热辐射的计算带来很大困难。为使问题简化，定义一些理想物体：,透射比= 1的物体称为透明体。实际中完全的透明体是不存在的，但在一定条件下，如玻璃材料对于可见光，或空气对于红外线，都可视为透明体。 反射比= 1物体称

5、为白体（具有漫反射的表面）或镜体（具有镜反射的表面）。 物体表面是漫反射还是镜反射，这要取决于物体表面相对于辐射波长的表面粗糙程度。,2020/10/6,10,当表面的不平整尺寸远小于投入辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角等于反射角。镜反射表面的自身辐射也是镜发射的。高度磨光的金属板会形成镜反射。 当表面的不平整尺寸与投入辐射的波长同一量级时，形成漫反射。这时从某一方向投射到物体表面上的辐射向空间各方向反射出去。漫反射表面的自身辐射也是漫发射的。,对全波长范围的热辐射能完全镜反射或漫反射的实际物体不存在，绝大多数材料在工业温度范围（2000K）内可近似于漫反射。,2020/10/6,11,

6、吸收比 = 1的物体，称为绝对黑体，简称黑体。黑体将所有投射在它上面的一切波长和所有方向上的辐射能全部吸收，在所有物体之中，它吸收热辐射的能力最强。黑体可以用来作为比较实际物体发射辐射能的标准。处理实际物体辐射问题的思路就是：在研究黑体辐射的基础上，将实际物体的辐射与黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的修正系数。,2020/10/6,12,尽管自然界并不存在黑体，用人工方法可以制造出十分接近于黑体的模型：选用吸收比小于1的材料制造一个空腔，并在空腔壁面上开一个小孔，再设法使空腔壁面保持均匀的温度。这时空腔上的小孔就具有黑体辐射特性：进入小孔的热射线，经过多次的吸收和反射，

7、只有极小量的热射线能够从开孔处出来，相当于小孔的吸收比接近于1，即接近黑体。根据实验表明，若小孔占内壁面积小于0.6%，当内壁吸收比为0.6时，小孔的吸收比可大于0.996。,2020/10/6,13,6-2黑体辐射和吸收的基本性质,1 辐射力, 总辐射力E,辐射力也称全色辐射力，其定义为单位时间单位辐射面积向半球空间一切方向辐射出去的一切波长的辐射能量。记为E（ W/m2 ），表征了物体发射能力的大小。,dQ为微元面积dA向半球空间辐射出去的总辐射能。,2020/10/6,14, 单色辐射力,单色辐射力定义为单位时间单位辐射面积向半球空间一切方向辐射出去的某一波长范围的辐射能量，记为E（ W

8、/m3 ），表征了物体发射某一波长辐射能力的大小，用来描述辐射能量随波长的分布特征。,dQ为微元面积dA向半球空间辐射出去的某一波长的辐射能； 为热射线的波长，单位为m。,辐射力和单色辐射力之间的关系 :,2020/10/6,15, 方向辐射力,方向辐射力定义为单位时间单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。记为E（W/(m2sr) ），表征了物体表面辐射能量在半球空间中的分布特征。,为微元立体角。,立体角的概念：,以立体角的顶点为中心作一半径为r的半球，将半球表面上被立体角所切割的面积f 除以r2，即得到立体角的量度，用 表示，单位是球面度sr。立体角是用来

9、衡量空间中的面相对于某一点所张开的空间角度的大小。,df为空间中的微元面积； r为该面积与发射点之间的距离。,在球坐标系中，如图所示，按几何关系有,由于半球面积为2r2，故半球面对球心所张开的立体角为2sr,2020/10/6,18,辐射强度,由于处于不同的空间位置所能看见的辐射面积是变化的，即在任意方向看到的辐射面积为 ，也就是随着角的增大，辐射面积在该方向上的可见面积（投影面积）就越小。,定向辐射强度：用以表示单位时间在某一辐射方向上的单位可见辐射面积向该方向单位立体角内辐射的所有波长的辐射能，称为该方向上的辐射强度，用符号I 表示。,2020/10/6,19,辐射强度与方向辐射力的关系

10、:,与辐射力之间的关系 :,单位为W/(m2sr)，表征的是空间中任意位置的辐射能的强度（能流密度）。式中 为给定方向上的可见辐射面积，也就是垂直于该方向的流通面积。,2020/10/6,20,2 黑体辐射的基本定律, 普朗克定律,普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分布规律，给出了黑体的单色辐射力Eb与热力学温度T、波长之间的函数关系，由量子理论得到的数学表达式为：,c1为普朗克第一常数，c1=3.74310-16Wm2； c2为普朗克第二常数，c2=1.4387 10-2mK,为波长，单位m T为黑体的绝对温度，单位K,图中给出了根据普朗克定律绘制的不同温度下黑体单色辐射力随波长变化的一

11、组曲线。每条曲线下的面积表示相应温度下黑体的辐射力。可见在一定温度下，黑体单色辐射力随着波长,的增加而增加，达到某一最大值后又随着波长的增加而慢慢减小。对于不同温度，对应的最大单色辐射力的波长max是不同的。,在同一波长下黑体温度越高，对应的单色辐射力越大。随着温度的增加，总辐射力迅速增加。,2020/10/6,23,随着温度的升高，曲线的峰值向左移动，相当于黑体辐射能的分布在向波长短的方向集中，也就是高温辐射中短波热射线含量大而长波热射线含量相对少。, 维恩位移定律,Eb最大处的波长max随温度不同而变化。令,可见max与T成反比,2020/10/6,24,在加热金属时可以观察到：当金属温度

12、低于500时，由于实际上没有可见光辐射，不能察觉到金属颜色的变化，随着温度不断升高，铁块的颜色相继出现暗红、鲜红、橘黄等颜色，最终将出现白炽。这是由于随着温度的升高，热辐射中的可见光及可见光中的短波比例逐渐增大的缘故。,2020/10/6,26,例：试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长max 。,解：按 计算：,T=2000K时，,T=5800K时，,可见工业上一般高温辐射（2000K内），黑体最大光谱辐射力的波长位于红外线区段，而太阳辐射（5800K）对应的最大光谱辐射的波长则位于可见光区段。,2020/10/6,27,太阳辐射光谱,2020/10/6,2

13、8,太阳与地球辐射光谱对比,2020/10/6,29, 斯蒂芬波尔兹曼定律,在黑体辐射的研究中，斯蒂芬于1879年由实验确定黑体的辐射力与热力学温度之间的关系，其后由波尔兹曼于1884年从热力学关系式导出。,Eb为黑体的辐射力（W/m2）；T为黑体的绝对温度（K）；0为斯蒂芬波尔兹曼常数，其值为5.6710-8W/(m2K4)。,2020/10/6,30,例：一黑体置于室温为27的厂房中，试求在热平衡条件下黑体表面的辐射力。如果将黑体加热到827，它的辐射力又是多少？,解：在热平衡条件下，黑体温度与室温相同，辐射力为：,827黑体的辐射力为,其辐射力增加了180倍，可见随着温度的增加，辐射将成

14、为主要的换热方式。,2020/10/6,31,兰贝特定律 （Lambert）,黑体在任意方向上的辐射强度与方向无关，即黑体辐射的辐射强度在半球空间各个方向上是相同的，均等于它在法线方向上的方向辐射力：,即单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同方向单位立体角的能量的数值不相等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦。所以兰贝特定律又称余弦定律。,2020/10/6,32,因此，对遵守兰贝特定律的辐射，辐射力在数值上等于辐射强度的倍。黑体的辐射强度是热力学温度的函数。,黑体辐射强度与辐射力的关系：,2020/10/6,33,例：如图所示的真空辐射炉，球心处有一黑体加热元件，试比较a、b、c三处

15、定向辐射强度的大小、辐射能量的大小。假设a、b、c处对球心所张立体角相同。,解：由黑体辐射的兰贝特定律知，定向辐射强度 与方向无关，为定值。三处对球心立体角相同，但与法线方向夹角不同， ，所以a处辐射能量最大。,2020/10/6,34,波段辐射与辐射函数,在工程上和其它许多实际问题中往往需要计算一定波长范围内黑体辐射的能量，也就是波段辐射力。,黑体在波长1至2区段所发射出的辐射能为：,亦可写为:,2020/10/6,35,Eb即为温度曲线在1至2之间所包含的面积。写出无量纲形式，即为波段辐射函数。,是同温度下黑体辐射力；,表示波长从0到的波段辐射函数。,表示波长在1至2之间的波段辐射力占总辐

16、射力的份额。,2020/10/6,36,f(T)称为黑体辐射函数，函数数值见表6-1。,将上式改写成以 T 为自变量的波段辐射函数：,例：试计算温度为3000K和5762K（太阳表面温度）时可见光在黑体总辐射中所占份额。,解：可见光的波长范围为0.380.76m。 即1=0.38m， 2=0.76m T1=3000K： 1T1=1140mK， 2T1=2280mK 由表6-1查得， 可见光所占比例为：,T2=5762K： 1T2=2190mK， 2T2=4380mK 由表6-1查得， 可见光所占比例为：,可见，太阳辐射中可见光所占的比例很大。,黑体辐射规律小结： 黑体辐射的辐射力由斯蒂芬-波尔

17、兹曼定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方；黑体辐射能量按波长的分布服从于普朗克定律，按空间方向的分布服从于兰贝特定律；黑体的单色辐射力存在峰值，与此峰值相对应的波长max由维恩位移定律确定，即随着温度的升高，max向短波方向移动。,2020/10/6,40,3 黑体的吸收特性,吸收比是表示物体吸收入射辐射的能力。物体对入射辐射能所吸收的百分数定义为吸收比。 吸收比可划分为以下四种： 对来自一切方向和所有波长的入射辐射的吸收比，称之为总吸收比(简称吸收比); 对来自一切方向的某一波长的入射辐射的吸收比，称之为单色吸收比 ；,2020/10/6,41,对来自某一方向的所有波长的入射辐射的吸收比

18、，称之为方向吸收比 ; 对来自某一方向的某一波长的入射辐射的吸收比，称之为单色方向吸收比 , 。 黑体是理想的吸收体，它对一切波长和所有方向入射辐射的吸收比均等于1。对黑体有：,第六章作业,习题：3、10,2020/10/6,43,6-3实际物体的辐射和吸收,1 实际物体的辐射黑度（发射率）,实际物体表面的热辐射性能均弱于黑体表面。 实际物体的光谱辐射力往往随波长作不规则变化，不符合普朗克定律.图为同温度下黑体辐射,和实际物体辐射的单色辐射力随温度变化的曲线。曲线下的面积分别代表了各自的辐射力。,图6-10单色辐射力随波长的变化,单色辐射力随波长的变化,2020/10/6,44,实际物体表面的

19、辐射力与同温度下黑体辐射力的比值，称为黑度（发射率）。,黑度仅仅与物体表面自身的辐射特性相关，也就是与物体的种类、它的表面特征，还与物体的温度相关，而与物体外部的情况无关。实践证明，实际物体的辐射力并不严格正比于T4，但工程计算中仍认为一切实际物体的辐射力都与T4成正比，把由此引起的误差修正体现在以实验方法确定的发射率中。因此与温度有关。, 总发射率,2020/10/6,45,实际表面的单色辐射力与同温度下黑体表面的单色辐射力之比, 单色发射率,发射率与单色发射率之间的关系为,2020/10/6,46,物体表面在某方向上的方向辐射力与同温度黑体辐射在该方向上的方向辐射力之比，亦可表示为物体在某

20、方向上的辐射强度与同温度黑体辐射在该方向上的辐射强度之比,方向发射率,如果实际物体的方向辐射力遵守兰贝特定律,该物体表面称为漫射表面。黑体表面就是漫射表面。,2020/10/6,47,对等强辐射的理解： 相当于“灯泡亮度”，即从不同方向看过去，其亮度都是一样的。,2020/10/6,48,如果实际物体是漫射表面，则其方向辐射率 应等于常数，而与角度无关。 事实上实际物体不是漫发射体，即辐射强度在空间各个方向的分布不遵循兰贝特定律，而是方向角的函数。,对于非金属表面在 = (0,60)范围内方向黑度为一个常数值，表现出等强辐射的特征，而在 60之后方向黑度急剧减小，90时降为0。,2020/10

21、/6,49,对于金属表面在一个小的角范围内亦有等强辐射的特征，方向黑度可视为不变，然后随着角增大而急剧增大，直到接近90才有减小。,近似处理：一般金属和非金属表面均可当漫反射表面处理。,在与壁面法向成60角的范围内，大多数金属和非金属的定向发射率为常数，而表面的辐射能量绝大部分也位于这一区域，因此可将工,程中的大多数材料看成是发射率与方向无关的漫射体。,2020/10/6,51,工程上主要应用的是沿半球空间的平均发射率，即总发射率。因为发射率多用实验方法测定，而测量法线方向的方向发射率最为简单，所以我们通常测量物体表面的发射率是法线方向上的方向发射率 。 通常：,金属：,光滑非金属：,粗糙非金

22、属：,漫射表面可假定：,2020/10/6,52,单色方向发射率,物体表面在某方向上的单色方向辐射力与同温度黑体辐射在该方向上的单色方向辐射力之比。,附表：常用材料表面的法向发射率,2020/10/6,56,例：试计算温度处于1400的碳化硅涂料表面的辐射力。 解：由表查得10101400，碳化硅的法向发射率n =0.820.92，故可取对应1400的n为0.92，由碳化硅涂料可作为粗糙非金属表面处理，即 =0.98n =0.902，辐射力为：,2020/10/6,57,例：实验测得2500K钨丝的法向单色发射率如图所示，计算其辐射力及发光效率（可视为漫反射）。 解：由发射率与单色发射率之间的

23、关系有：,0.45,2020/10/6,58,由表6-1查得:,再计算可见光范围的辐射能，取可见光波长为0.380.76 m,2020/10/6,59,发光效率为:,可见发光效率很低。,由表6-1查得:,于是可见光范围的辐射能为：,2020/10/6,60,2 实际物体的吸收灰体,实际物体表面对热辐射的吸收是针对投入辐射而言的。实际物体对入射辐射吸收的百分数称之为该物体的吸收比。 物体表面的吸收特性就不仅仅与物体的物质结构、表面特征以及温度状况有关，而且还与投入辐射的辐射能随波长和温度的变化密切相关。 辐射源温度对吸收比的影响是因为实际物体的单色吸收比不等于常数，而是随入射波长而变，而入射波长

24、又取决于入射辐射的温度。,2020/10/6,61,假定投入辐射来自黑体表面2，那么吸收表面1对其的吸收比可以定义为：,为物体表面对黑体辐射的单色吸收比。,下面给出了实验得出的一些材料对黑体辐射的单色吸收比随黑体温度的变化关系。,2020/10/6,62,金属导体的光谱吸收比同波长的关系,非导体的光谱吸收比同波长的关系,物体表面对黑体辐射的 吸收比与温度的关系,2020/10/6,63,物体表面的单色吸收率随波长变化的特性称为物体表面对波长（光谱）的选择性。,暖房：当太阳光照射到玻璃上时，玻璃对波长小于2.2m的辐射能吸收比很小、穿透比很大，从而使大部分太阳能可以进入到暖房内。暖房中的物体温度

25、低，辐射能绝大部分位于红外区，而玻璃对于波长大于3m的辐射能吸收比很大、穿透比很小，阻止了辐射能向暖房外的散失。,2020/10/6,64,墨镜：焊接工人工作时戴一黑色眼镜是为了让对人体有害的紫外线能被特种玻璃所吸收。 五颜六色的世界： 当阳光照射到一个物体表面时，如果该物体几乎全部吸收各种可见光，它就是黑色； 如果几乎全部反射可见光，它就是白色； 如果几乎均匀吸收各色可见光并均匀地反射各色可见光，它就是灰色； 如果只反射了一种波长的可见光而几乎全部吸收了其它可见光，则它就呈现被反射的这种辐射线的颜色。,2020/10/6,65,如果投入辐射不是来自黑体，则必须研究物体表面单色吸收率随投入辐射

26、波长变化的规律。原因就在于光谱吸收率对不同波长的辐射具有选择性。 如果物体表面的单色吸收比为常数 那么它的吸收比也就为常数 。即此时物体的吸收比只取决于本身的情况，与外界情况无关。,把灰体定义为单色吸收比为常数的物体。,灰体也是一种理想的辐射表面，实际表面在一定条件下可以认为其具有灰体的特性。,2020/10/6,67,灰体是从物体表面对投入辐射的吸收特性上去定义的，如果再在其发射特性上给予等强辐射的假设，即认为是漫射表面，也就是漫射灰表面，简称漫灰表面。,漫射表面发射率与方向无关 灰体表面吸收比与波长无关,2020/10/6,68,3 实际物体辐射与吸收之间的关系,实际物体的辐射和吸收之间有

27、联系，这就是基尔霍夫定律。,假定两块平行平板距离很近，从一块板发出的辐射能全部落到另一块板上。若板1为黑体表面，板2为任意物体的表面。两者的辐射力、吸收比和表面温度分别为Eb、 b(=1)、T1、E、 和T2。,2020/10/6,69,板2发出的辐射能E全部被板1吸收，而板1发出的辐射能Eb只被板2吸收Eb ，可得两板之间的辐射换热量为：,当系统处于热平衡时T1=T2，q=0,所以有,或,2020/10/6,70,即为基尔霍夫定律的两种数学表达式。,表述： 在热平衡条件下，任何物体的辐射力E和它对来自黑体辐射的吸收比的比值恒等于同温度下黑体的辐射力Eb。 热平衡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。,或,2020/10/6,71,基尔霍夫定律是在物体与黑体投入辐射处于热平衡条件下得出的。,必要条件：物体与黑体投入辐射热平衡,工程计算难以满足,那么什么前提下这两个