熱輻射基本定律

1、熱輻射的基本定律1樓smyt_1983 2位粉絲在工程技術(shù)中，在日常生活中，輻射換熱現(xiàn)象是屢見(jiàn)不 鮮的。太陽(yáng)對(duì)大地的照射是最常見(jiàn)的輻射現(xiàn)象。高爐中 灼熱的火焰會(huì)烘烤得人們難以忍受，太陽(yáng)對(duì)人造衛(wèi)星的 輻射，會(huì)使衛(wèi)星的朝陽(yáng)面的溫度明顯地高于衛(wèi)星背陽(yáng)面 的溫度；高溫發(fā)動(dòng)機(jī)部件與飛機(jī)機(jī)體之間的輻射換熱嚴(yán) 重地影響著飛機(jī)的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)，等等。特別是近年 來(lái)，人類對(duì)太陽(yáng)能的利用，都大大地促進(jìn)了人們對(duì)輻射 換熱的研究。本章首先介紹輻射的基本特性和基本規(guī)律；然后重點(diǎn)討 論物體之間的輻射換熱規(guī)律；最后對(duì)氣體輻射換熱的特 點(diǎn)作扼要的介紹。第一節(jié)基本概念1- 1熱輻射的本質(zhì)和特征由于不同的原因，物體能夠向其所在的

2、空間發(fā)射各種不 同波長(zhǎng)的電磁波；不同波長(zhǎng)的電磁波具有不同的效應(yīng)， 人們可以利用不同波長(zhǎng)的電磁波效應(yīng)達(dá)到一定的目的。 比如，人們可以利用無(wú)線電波傳送信息，利用x射線穿透物質(zhì)的能力進(jìn)行零件探傷，利用熱射線傳遞熱能，等 等。人們根據(jù)電磁波不同效應(yīng)把電磁波分成若干波段。波長(zhǎng)入=0.38一 0.76 pm的電磁波段稱為可見(jiàn)光波段入=0.76- 1000的電磁波段稱為紅外波段（一般將紅外波段范圍又分為近紅外波段和遠(yuǎn)紅外波段，近紅外波段為 入=0.7- 25 mi,遠(yuǎn)紅外波段為 入=25- 1000 m）波長(zhǎng)大 于1000 pm的電磁波段稱為無(wú)線電波段 （根據(jù)其波長(zhǎng)的不 同又可分為雷達(dá)、視頻和廣播三個(gè)波段）

3、；波長(zhǎng)小于0.4 am的電磁波依次分為紫外線、x射線和Y射線等。可見(jiàn)光和紅外線以及紫外線的一部分被物體吸收后產(chǎn)生熱效 應(yīng)，即波長(zhǎng) 入=0.1 1000叩范圍內(nèi)的電磁技能被物體 吸收變?yōu)闊崮?，因此，這一波長(zhǎng)范圍的電磁波稱為熱射 線。因?yàn)樵谝话愠Ｒ?jiàn)的工業(yè)溫度條件下，其輻射波長(zhǎng)均 在這一范圍，所以本課程所感興趣的將是熱射線，下面 將專門討論這一波長(zhǎng)范圍內(nèi)電磁波的發(fā)射、傳播和吸收 的規(guī)律。、熱輻射的本質(zhì)和特點(diǎn)1、發(fā)射輻射能是各類物質(zhì)的固有特性。當(dāng)原子內(nèi)部的電子受溫和振動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生交替變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，發(fā)出電 磁波向空間傳播，這就是輻射。由于自身溫度或熱運(yùn)動(dòng) 的原因面激發(fā)產(chǎn)生的電磁波傳播，就稱熱輻射。顯然

4、， 熱輻射是電磁波，電磁波的波長(zhǎng)范圍可從幾萬(wàn)分之一微 米到數(shù)千米，它們的名稱和分類如圖所示。通常把 入=0.1- 100 Mi范圍的電磁波稱熱射線，其中包括可見(jiàn)光線、 部分紫外線和紅外線具有波動(dòng)和量子特性。2、特點(diǎn)熱輻射的本質(zhì)決定了熱輻射過(guò)程有如下三個(gè)特點(diǎn)：輻射換熱與導(dǎo)熱、對(duì)流換熱不同、它不依賴物體的接 觸而進(jìn)行熱量傳遞，而導(dǎo)熱和對(duì)流換熱都必須由冷、熱 物體直接接觸或通過(guò)中間介質(zhì)相接觸才能進(jìn)行。輻射換熱過(guò)程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化，即物體的 部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁波能發(fā)射出去，當(dāng)此波能射及另一 物體表面而被吸收時(shí)，電磁波能又轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。一切物體只要其溫度 T > 0K ,都會(huì)不斷地發(fā)射熱射線

5、。 當(dāng)物體間有溫差時(shí)，高溫物體輻射給低溫物體的能量大 于低溫物體輻射給高溫物體的能量，因此總的結(jié)果是高 溫物體把能量傳給低溫物體。即使各個(gè)物體的溫度相同, 輻射換熱仍在不斷進(jìn)行， 只是每一物體輻射出去的能量， 等于吸收的能量，從而處于動(dòng)平衡的狀態(tài)。二、物體的熱輻射特性-吸收、反射和透射當(dāng)熱射線投射到物件上時(shí)，遵循著可見(jiàn)光的規(guī)律，其中 部分被物體吸收，部分被反射，其余則透過(guò)物體。如圖 所示，其中反射存在漫反射和鏡反射兩種情況。在物體表面對(duì)射線的吸收、反射和透射的過(guò)程中，能量 平衡關(guān)系為：由此可定義吸收率、反射率和透射率: 物體吸收率：；物體反射率：；物體透射率 其中；對(duì)于單色吸收率、單色反射率、

6、單色透射率: 為研究輻射特性可提出以下理想輻射模型：黑體：a =1 p =0 t =0白體：a =0 p =1 t =0 2010-4-13 11:10* 回復(fù)透明體：a =0 p =0 t =1面smyt_1983 2位粉絲自然界和工程應(yīng)用中，完全符合理想要求的黑體、白體 和透明體雖然并不存在，但和它們根相象的物體卻是有 的。例如，煤炭的吸收比達(dá)到0.96,磨光的金子反射比幾乎等于0.98,而常溫下空氣對(duì)熱射線呈現(xiàn)透明的性質(zhì)。 但是，在分析實(shí)際物體表面的吸收、反射和透過(guò)特性的 時(shí)候，必須非常謹(jǐn)慎地對(duì)待波長(zhǎng)，尤其要注意不能以肉 眼的直觀感覺(jué)來(lái)判斷某物體吸收比的高低。對(duì)于曰1的物體、說(shuō)明它能允許

7、投射來(lái)的輻射能全部透 射過(guò)去、因此，稱為透明體。這種極限狀況在自然界中 并不存在，只能有近似的透明體，如雙原子氣體（氧氣、氮?dú)猓┛梢暈椋? 1的透明體；干燥的空氣也可以近似視為 透休，但當(dāng)空氣中摻有水蒸氣和二氧化碳?xì)鈺r(shí)，它就不 再能作為透明體來(lái)處理，因?yàn)檫@兩種氣體的吸收率不等 于零。有些物體的透射性能與波長(zhǎng)有關(guān)。也就是說(shuō)，它 對(duì)于某一一波長(zhǎng)范圍的輻射線表現(xiàn)出良好的透射性能， 而對(duì)另一些波長(zhǎng)范圍則表現(xiàn)為非透明體性能，這就是物 體對(duì)波長(zhǎng)的選擇性。例如普通玻璃對(duì)可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)是良好 的透明體，但對(duì)紫外線和紅外線來(lái)說(shuō)就不是透明體。因 此人們?cè)谄胀úＡУ氖覂?nèi)進(jìn)行日光浴的效果就與室外顯 著不同。對(duì)大多數(shù)的固體

8、和液體來(lái)說(shuō)，熱射線都是不能透射的，即 l 0。這時(shí)，a十p= 1由上式可以看到，對(duì)于 的物體，吸收能力越強(qiáng)，它的反射能力就越弱；或者說(shuō) 反射能力越強(qiáng)的非透體，其吸收能力就越弱。這一知識(shí) 早巳被人們的日常生活所驗(yàn)證。例如夏天人們總是喜歡 穿白色衣服，這就是利用白色對(duì)可見(jiàn)光反射能力強(qiáng)這一 特點(diǎn)，便衣服吸收的可見(jiàn)光減少，達(dá)到?jīng)鏊哪康?。?如在防原子輻射的設(shè)施上涂成白色也是這個(gè)道理。但是 應(yīng)該注意，顏色對(duì)可見(jiàn)光的特性并不能概括為額色對(duì)全 部熱射線的特性，上面已經(jīng)提及普通玻璃對(duì)可見(jiàn)光是透 體而對(duì)紫外線和紅外線卻不是進(jìn)體。而白色滌對(duì)可見(jiàn)光 具有很高的反射串，但對(duì)于紅外線的反射率卻很低；白 族和黑漆對(duì)紅外

9、線的反射率和吸收牢幾乎沒(méi)有什么差 別?？梢?jiàn)，對(duì)熱射線的吸收與反射并不取決于顏色，實(shí) 際上在很大程度上取決于物體表面的狀況、粗糙度等因 素。對(duì)于物體P= 1的極限情況，說(shuō)明物體能將投射來(lái)的輻射 能全部反射掉。這種物體稱為白體。物體對(duì)投射來(lái)的射 線的反射可分為鏡反射和漫反射。鏡反射時(shí)射線入射角 等于射線的反射角，而漫反射則比較地元規(guī)律。表面粗糙度對(duì)射線的反射有決 定性的影響。注意，這里所指的表面扭糙度是相對(duì)于輻 射線的波長(zhǎng)而言的。當(dāng)表面不平整度（粗極度）小于投射射 線的波長(zhǎng)時(shí)，即為光滑表面，這時(shí)形成鏡反射，如高度 拋光的金屬表面。一般的：t程材料表面對(duì)熱射線來(lái)說(shuō)均 可視力粗糙表面，所以形成漫反射。

10、在本課程所涉及的 范圍內(nèi)都只限十漫射表面。對(duì)于。=1的物體，意味著它能全部吸收投射來(lái)的各種波長(zhǎng)的輻射能，可見(jiàn)它是 物體吸收能力最強(qiáng)的一種物體，因此稱之為絕對(duì)黑體或 黑體。在自然界中并不存在絕對(duì)黑體。人們可以制造出 近似的黑體。例如在高吸收率不透明材料構(gòu)成的等壁溫 空腔上開一小扎，就可以把該小孔視為該溫度下的黑體。 由于投射到小7L上的射線進(jìn)入空腔后，經(jīng)過(guò)反復(fù)吸收、 反射，而最后從小孔反射出去的能量可以忽略?？梢哉J(rèn) 為能量全部被小孔吸收。在理解上述基本概念時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：鏡反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。物體的顏色。關(guān)鍵在于是物體本身發(fā)射可見(jiàn)光還是物 體反射可見(jiàn)光。理想輻射模型均

11、是對(duì)全波長(zhǎng)而言的。三、輻射強(qiáng)度和輻射力所有的固體和液體表面都隨時(shí)向其上方的整個(gè)空間(稱為半球空間)發(fā)射不同波長(zhǎng)的輻射能量。為了進(jìn)行輻射換熱的工程計(jì)算，必須研究物體輻射能量隨波長(zhǎng)的分布特 性，以及在半球空間各個(gè)方向亡的分布規(guī)律。一輻射強(qiáng)度2010-4-13 11:10, 回復(fù)1、立體角：是一個(gè)空間角度。定義為：3樓，單位為立體弧度 Srsmyt_1983 2位粉絲其中。的變化范圍是0-900 , 6的變化范圍則是 0-3600。2、輻射強(qiáng)度:是物體給定輻射方向上，物體在與發(fā)射方向垂直的方向上的 單位投影面積，在單位時(shí)間和單位立體角內(nèi)所發(fā)射全波長(zhǎng)的 能量，符號(hào)為I,單位為 W/(m2Sr)。,其中

12、3、單色輻射強(qiáng)度如果輻射強(qiáng)度是指在波長(zhǎng)入附近的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)所發(fā)射的能量，稱為單色輻射強(qiáng)度，符號(hào)為 I入單位為W/(m2 m Sr)。二輻射力1、輻射力：發(fā)射物體每單位表面積在單位時(shí)間內(nèi)向半球空間所發(fā)射的全波長(zhǎng)能量，稱為輻射力，符號(hào)為E,單位為WZm2oE與I的關(guān)系為：；E與I入的關(guān)系為：2、 單色輻射力：如果輻射力是指在波長(zhǎng)入附近的單位波長(zhǎng) 間隔內(nèi)所發(fā)射的能量，稱為單色輻射力，符號(hào)為 E入，單位 為 WZ(m2 m)。3、定向輻射力：如果輻射力是指在某規(guī)定方向上的單位面積上所發(fā)射的能量，稱為定向輻射力，符號(hào)為 E0,單位為WZ(m2 a m)第二節(jié)熱輻射的基本定律重點(diǎn)內(nèi)容：熱輻射的基本定律及

13、實(shí)際物體的熱輻射特性簡(jiǎn)化方法一、黑體黑體具有最大的吸收力(a =1,)同時(shí)亦具有最大的輻射力 (£ = 1)。在實(shí)際物體中不存在絕對(duì)黑體，為此引出人工黑體，如圖所示。具有一個(gè)小孔的等溫空腔表面，若有外部投射輻射從小孔進(jìn) 入空腔內(nèi)，必將在其內(nèi)表面經(jīng)歷無(wú)數(shù)次的吸收和反射，最后能夠從小孔重新選出去的輻射能量必定微乎其微。于是有理由認(rèn)為，幾乎全部入射能量都被空腔吸收殆盡。從這個(gè)意義上講，小孔非常接近黑體的性質(zhì)。另外，腔內(nèi)空間的輻射場(chǎng)系由腔內(nèi)表面的發(fā)射和反射疊加而成，是各向同性的，而且必定和從小孔選出的輻射具有相同的性質(zhì)，也等于腔壁溫度所對(duì)應(yīng)的黑體輻射力。二、普朗克(M.Planck)定律1、

14、表達(dá)式其中C1、C2分別稱為普朗克第一常數(shù)和第二常數(shù)。該規(guī)律描述了黑體單色輻射力隨波長(zhǎng)及溫度的變化規(guī)律，如圖所示。2分析在一定溫度下，黑體在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射能量各不相 同。維恩位移定律：隨著溫度T增高，最大單色輻射力 Eb入，max所對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng) 入ma施漸向短波方向移動(dòng)。入maxT=2897.6 嘩黑體T<1400K，輻射大部分能量集中在40.76-10 內(nèi)，從而可以忽略可見(jiàn)光。常溫下，實(shí)際物體的輻射主要是紅外輻射。三、斯蒂芬-玻爾茲曼定律Eb= b bT4W/m2; b b=5.67*108W/(m2K4)描述了黑體輻射力隨表面溫度的變化規(guī)律。也可以計(jì)算某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射力。其

15、中 稱為黑體輻射系數(shù)。四、蘭貝特（Lambert）余弦定律 包括三個(gè)方面的內(nèi)容：1、半球空間上，黑體的輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)。即：,而各朝向輻射同性的表面稱為漫輻射表面。2、漫輻射表面定向輻射力與輻射強(qiáng)度間滿足：3、 漫輻射表面的輻射力是輻射強(qiáng)度的兀倍。該定律描述了黑體及漫輻射表面定向輻射力按空間方向的 分布變化規(guī)律。7-3、實(shí)際固體何液體的輻射特性黑體是所有物體當(dāng)中吸收能力最大，同時(shí)發(fā)射能力也最大的理想化表面，這個(gè)特點(diǎn)使它很自然地成了描述實(shí)際表面的吸 收和發(fā)射能力大小的最佳基準(zhǔn)。通常實(shí)際表面（固體或液體）的光譜輻射力比同溫度的黑體小，而且表現(xiàn)出不像黑體那么有規(guī)律。一般對(duì)實(shí)際物體表面輻射特性進(jìn)行一

16、定程度的簡(jiǎn) 化，再用輻射率和吸收率進(jìn)行修正。引入輻射率是為了定量描述實(shí)際物體在發(fā)射輻射方面與黑體的差別，而引入吸收率是為了定量描述實(shí)際物體在吸收輻射方面與黑體的差別。一輻射率（全波長(zhǎng)）輻射率；定向輻射率；單色輻射率 2010-4-13 11:10* 回復(fù)4樓單色輻射率在圖中，是兩段線段長(zhǎng)度之比；輻射率則是陰影 面積（即實(shí)際物體輻射力） 與實(shí)線下的面積（即黑體輻射力） 之比；實(shí)際物體用灰體近似替代， 在圖上就意味著，虛線下 的面積與陰影面積相同。smyt_1983 l位粉絲二單色輻射率與灰體實(shí)際材料表面的光譜輻射力不遵守普朗克定律，或者說(shuō)不同波長(zhǎng)下光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)的變化比較大，并且不規(guī)則。某一溫

17、度下，實(shí)際物體的單色輻射力隨波長(zhǎng)的變化是不規(guī)則 的。但工程上，實(shí)際物體一般可用灰體近似替代。灰體：是指物體單色輻射力與同溫度黑體單色輻射力隨波長(zhǎng) 的變化曲線相似，或它的單色發(fā)射率不隨波長(zhǎng)變化，即： 入乒f（； a）入乒f（入）輻射是連續(xù)的光譜：E入=£入Eb,入輻射力符合四次方定律：E=£ Eb=s入Eb一般實(shí)際物體表面在紅外線波長(zhǎng)范圍內(nèi)，可以近似作為灰體處理。三定向輻射率與漫射表面某一溫度下，實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度在各方向上的變化是 不規(guī)則的。但從圖中可以看出，金屬在0 =0400、非金屬在0 =0600的單色輻射率基本為常數(shù)，所以較為粗糙的實(shí)際物體表面可作為漫射表面處理

18、，但其輻射率應(yīng)做如下修正：（非金屬）；（磨光金屬表面）。漫射表面：各朝向輻射同性的表面稱為漫輻射表面，e 0 f（。）a。乒 f（ 0 ）符合蘭貝特余弦定律定向吸收率與空間方向無(wú)關(guān)。輻射力符合四次方定律：E=£ Eb=e 0 Eb一般較為粗糙的實(shí)際物體表面可作為漫射表面處理。7-4、實(shí)際物體的吸收比與基爾霍夫定律掌握輻射的基本定律、漫射表面及灰體表面的輻射和吸收特 性、實(shí)際物體的熱輻射特性及其簡(jiǎn)化方法。一、實(shí)際物體的吸收特性實(shí)際物體的輻射換熱比較復(fù)雜，在表面間將形成多次反射、 吸收的現(xiàn)象。因此，確定其輻射和吸收特性也是極其重要的。實(shí)際物體吸收率不僅與本身性質(zhì)和狀況有關(guān)，還取決于投射輻

19、射的特性。日常生活中也有明顯例子：紅光投射到紅玻璃 上時(shí)，玻璃背面有紅光透出， 說(shuō)明紅玻璃對(duì)紅光的吸收率不 大：但當(dāng)綠光投射到紅玻璃上時(shí).玻璃背面無(wú)光透出， 說(shuō)明紅玻璃對(duì)綠光的吸收率很大?？梢?jiàn)，投射光的波長(zhǎng)對(duì)紅玻璃的吸收率有很大的影響。實(shí)際物體輻射率的計(jì)算方法：實(shí)際物體吸收率的計(jì)算方法:二、基爾霍夫定律描述了物體發(fā)射輻射的能力和吸收投射輻射的能力之間的 關(guān)系。在熱平衡條件下，a入，。,T= e入，。,T1、對(duì)于實(shí)際物體表面：a入，。=&入，。2、對(duì)于灰體：a 0 = e 03、對(duì)于漫射表面：a入=e入4、對(duì)于漫-灰表面（及黑體）：a = £例題例題1、£ = £與£=£的區(qū)別是什么？答：區(qū)別在于& =£的適用條件為漫射表面，而& =£的適用條件為灰體表面。例題2、應(yīng)用維恩定律解釋金