《傳熱學(xué)》楊世銘-陶文銓-第八章熱輻射

1、1第八章第八章 熱輻射基本定律及熱輻射基本定律及 輻射特性輻射特性2意義和目的意義和目的qq意義：意義： 熱輻射是熱量傳遞的三種基本方式之一，在許多領(lǐng)域中具熱輻射是熱量傳遞的三種基本方式之一，在許多領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用，特別是航天器熱控制中，熱輻射更是必須考有重要應(yīng)用，特別是航天器熱控制中，熱輻射更是必須考慮的，如：慮的，如：3意義和目的意義和目的意義：意義： 日常生活中也隨處可見(jiàn)熱輻射的例子，如：日常生活中也隨處可見(jiàn)熱輻射的例子，如： (1)(1)當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱；當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱； 在冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒(méi)有窗簾在冬天

2、的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒(méi)有窗簾 時(shí)要舒服；時(shí)要舒服；(3)(3)太陽(yáng)能傳遞到地面太陽(yáng)能傳遞到地面 冬天，在蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在冬天，在蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在00以上，但地面卻可以上，但地面卻可 (2)(2) 能結(jié)冰。能結(jié)冰。4目的：目的： (1) (1) 認(rèn)識(shí)熱輻射的性質(zhì)；認(rèn)識(shí)熱輻射的性質(zhì)； (2) (2) 掌握表面熱輻射的基本傳遞規(guī)律；掌握表面熱輻射的基本傳遞規(guī)律； (3) (3) 了解氣體輻射的過(guò)程了解氣體輻射的過(guò)程 (4) (4) 掌握熱輻射換熱的基本研究方法和過(guò)程掌握熱輻射換熱的基本研究方法和過(guò)程58-1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念一一. 熱輻射的定義及區(qū)別于導(dǎo)熱對(duì)

3、流的特點(diǎn)熱輻射的定義及區(qū)別于導(dǎo)熱對(duì)流的特點(diǎn)(1)(1) 定義定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量；：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量；(2)(2) 特點(diǎn)特點(diǎn)： a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 0 K，就會(huì)不停地向周?chē)臻g發(fā)，就會(huì)不停地向周?chē)臻g發(fā)出熱輻射；出熱輻射； b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播； c 伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變； d 具有強(qiáng)烈的方向性；具有強(qiáng)烈的方向性； e 輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)； f 發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。次方。6（3）熱輻射的定義及區(qū)別于導(dǎo)熱對(duì)流的特點(diǎn)）熱輻射的

4、定義及區(qū)別于導(dǎo)熱對(duì)流的特點(diǎn)a:熱輻射的能量傳遞不需要其他介質(zhì)存在，而且在真空中傳遞熱輻射的能量傳遞不需要其他介質(zhì)存在，而且在真空中傳遞的效率最高；的效率最高；b:在物體發(fā)射與吸收輻射能量的過(guò)程中發(fā)生了電磁能與熱能兩在物體發(fā)射與吸收輻射能量的過(guò)程中發(fā)生了電磁能與熱能兩種能量形式的轉(zhuǎn)換種能量形式的轉(zhuǎn)換7二 從電磁波的角度描述熱輻射的特性1.傳播速率與波長(zhǎng)、頻率間的關(guān)系傳播速率與波長(zhǎng)、頻率間的關(guān)系熱輻射具有一般輻射現(xiàn)象的共性，以光速在空間傳播。熱輻射具有一般輻射現(xiàn)象的共性，以光速在空間傳播。電磁波的速率與波長(zhǎng)、頻率間的關(guān)系電磁波的速率與波長(zhǎng)、頻率間的關(guān)系 v式中：式中：f 頻率，頻率，s-1; 波長(zhǎng)

5、，波長(zhǎng)，mcf82. 電磁波譜電磁波譜物體輻射的電磁波波長(zhǎng)可以包括整個(gè)波譜，如圖物體輻射的電磁波波長(zhǎng)可以包括整個(gè)波譜，如圖8-18-1所示，而所示，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為我們所感興趣的，即工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.10.1100100mm。注1：紅外線(xiàn)區(qū)段：0.7620m 可見(jiàn)光區(qū)段：可見(jiàn)光區(qū)段：0.380.76m 太陽(yáng)輻射：太陽(yáng)輻射： 0.22m注2：波長(zhǎng)在1mm1m之間的電磁波稱(chēng)為微波。9電電 磁磁 輻輻 射射 波波 譜譜圖8-110當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即

6、吸收、反射和穿透，如圖透，如圖8-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ1 1）物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透）物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透 圖圖8.28.2物體對(duì)熱輻射物體對(duì)熱輻射的吸收反射和穿透的吸收反射和穿透3.物體表面對(duì)電磁波的作用11對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于不含顆粒的氣體：對(duì)于不含顆粒的氣體：對(duì)于黑體：對(duì)于黑體： 鏡體或白體：鏡體或白體：1111,01,0透明體：透明體：2）反射又分鏡反射和漫反射兩種）反射又分鏡反射和漫反射兩種圖圖8-3 鏡反射鏡反射圖圖8-4 漫反射漫反射12黑體概念黑體概念黑體：黑體：是指能吸收投入到其面是指能吸收投入到其面上的所有

7、熱輻射能的物體，是上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。但卻可以人活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。工制造出近似的人工黑體。圖圖8-5 8-5 黑體模型黑體模型三三 黑體模型及其重要性黑體模型及其重要性黑體：鏡體：透明體：111.定義： 1138-2 8-2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律1.1.熱輻射能量的表示方法熱輻射能量的表示方法輻射力輻射力E E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有單位時(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。波長(zhǎng)的能量總和。 (W/m2)；光譜輻射力光譜輻射力

8、E E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)( (包含某一給定波長(zhǎng)包含某一給定波長(zhǎng)) )，物，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。 (W/m3)；14E、E關(guān)系關(guān)系:顯然，顯然， E和和E之間具有如下關(guān)系：之間具有如下關(guān)系：dEE0黑體一般采用下標(biāo)黑體一般采用下標(biāo)b表示，如黑體的輻射力為表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的黑體的光譜輻射力光譜輻射力為為Eb152.黑體輻射的三個(gè)基本定律及相關(guān)性質(zhì)黑體輻射的三個(gè)基本定律及相關(guān)性質(zhì) 1)(512TcbecE式中，式中， 波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，m m ； T T 黑體溫度，黑體溫度，K K ； c c1 1

9、第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2； c c2 2 第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.43881.43881010-2-2 W W K K； (1)Planck(1)Planck定律定律( (第一個(gè)定律第一個(gè)定律) )：圖圖8-68-6是根據(jù)上式描繪的黑是根據(jù)上式描繪的黑體光譜輻射力隨波長(zhǎng)和溫體光譜輻射力隨波長(zhǎng)和溫度的依變關(guān)系。度的依變關(guān)系。mm與與T T 的關(guān)系由的關(guān)系由WienWien位移位移定律給出，定律給出，KmTm3108976. 2圖圖8-6 Planck 定律的圖示定律的圖示16(2)Stefan-Boltzmann(2)St

10、efan-Boltzmann定律定律( (第二個(gè)定律第二個(gè)定律) )： 40)(51012TdecdEETcbb 式中，式中， = 5.67= 5.6710-8 w/(m210-8 w/(m2 K4)K4)， 是是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常數(shù)。常數(shù)。17普朗克定律與斯蒂芬玻耳茲曼定律的關(guān)系光譜輻射力曲線(xiàn)下的面積就是該溫度下黑體的輻射力251/()01bbcTocEE dde練習(xí)題：練習(xí)題：分析為何煉鋼時(shí)隨著溫度的升高，鋼錠表面顏色由暗分析為何煉鋼時(shí)隨著溫度的升高，鋼錠表面顏色由暗紅逐漸變白？紅逐漸變白？ 18黑體在波長(zhǎng)黑體在波長(zhǎng)11和和22區(qū)段區(qū)段內(nèi)所發(fā)

11、射的輻射力，如圖內(nèi)所發(fā)射的輻射力，如圖8-78-7所示：所示：(3)(3)黑體輻射能按波段的分布黑體輻射能按波段的分布圖圖8-7 8-7 特定波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)的特定波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)的 黑體輻射力黑體輻射力2121()bbEE d19黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù): :)()(1112)0()0(00440)(1212212121TfTfFFdEdETdETdEdEFbbbbbbbb注：(0)0bbEE d在任意兩個(gè)波長(zhǎng) 之間黑體的輻射能為：21、12()(0)(0)1221()()bbbbbbEFEFFE20(4) 立體角立體角 前面涉及到的只是半球空間內(nèi)的光譜特性，下面將前面涉及到的只是半球空間內(nèi)的光譜特性，

12、下面將要介紹的是黑體發(fā)射輻射的空間方向特性。首先引入立要介紹的是黑體發(fā)射輻射的空間方向特性。首先引入立體角的概念。體角的概念。定義：球面面積除以球半徑的平方稱(chēng)為立定義：球面面積除以球半徑的平方稱(chēng)為立體角，單位：體角，單位：sr(sr(球面度球面度) )。2cr 21 要說(shuō)明黑體向半球空間輻射出去的能量按不同方向分要說(shuō)明黑體向半球空間輻射出去的能量按不同方向分布的規(guī)律，只有對(duì)不同方向的相等的立體角來(lái)比較才有意布的規(guī)律，只有對(duì)不同方向的相等的立體角來(lái)比較才有意義。如圖義。如圖8-8和和8-9所示：所示：圖圖8-9 8-9 立體角定義圖立體角定義圖22圖圖8-9 8-9 計(jì)算微元立體角的幾何關(guān)系計(jì)算

13、微元立體角的幾何關(guān)系sincdArdrd ddsindd2rAc稱(chēng)為經(jīng)度角，稱(chēng)為經(jīng)度角， 稱(chēng)為緯度角稱(chēng)為緯度角23定義：定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上，在單位時(shí)間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長(zhǎng)的能量。單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長(zhǎng)的能量。參見(jiàn)圖參見(jiàn)圖8-108-10。注：對(duì)于黑體輻射可以預(yù)期，由于對(duì)稱(chēng)性注：對(duì)于黑體輻射可以預(yù)期，由于對(duì)稱(chēng)性在相同的緯度角在相同的緯度角下從微元黑體下從微元黑體面積面積dAdA向空間向空間不同經(jīng)度角不同經(jīng)度角方向單位立體角中輻射出去的方向單位立體角中輻射出去的能量是相等能量是相等的。的。因此，研究黑體輻射在空間不同方向

14、的分布只要因此，研究黑體輻射在空間不同方向的分布只要查明輻射能按不同緯度查明輻射能按不同緯度角分布的規(guī)律角分布的規(guī)律就可以了。就可以了。根據(jù)前面輻射力的定義，根據(jù)前面輻射力的定義， ，如果考察落，如果考察落到到d 立體角內(nèi)的能量，則立體角內(nèi)的能量，則 因此，定向因此，定向輻射力定義式可寫(xiě)為：輻射力定義式可寫(xiě)為： AEd),(d),(5) (5) 定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度I I( ( , , ) )：dd),(d),(AE24d ( )cos( )ddIAd ( )ddcos( )IA圖圖8-10 8-10 定向輻射強(qiáng)度的定義圖定向輻射強(qiáng)度的定義圖25(6) Lambert 定律定律(黑體輻射的

15、第三個(gè)基本定律黑體輻射的第三個(gè)基本定律) a: 黑體的定向輻射強(qiáng)度是個(gè)常量，黑體的定向輻射強(qiáng)度是個(gè)常量，與空間方向無(wú)關(guān)（度量是以單位可視面積）與空間方向無(wú)關(guān)（度量是以單位可視面積） b:黑體單位面積輻射（度量是以單位黑體單位面積輻射（度量是以單位實(shí)際輻射面積）出去的能量在空間的不同方實(shí)際輻射面積）出去的能量在空間的不同方向分布是不均勻的，按空間緯度角向分布是不均勻的，按空間緯度角 的余弦規(guī)律變化：在的余弦規(guī)律變化：在垂直于該表面的方向最大，而與表面平行的方向?yàn)榱?。垂直于該表面的方向最大，而與表面平行的方向?yàn)榱恪?它說(shuō)明黑體的定向輻射力隨天頂角它說(shuō)明黑體的定向輻射力隨天頂角 呈余弦規(guī)律變化，呈余

16、弦規(guī)律變化，見(jiàn)圖見(jiàn)圖8-11，因此，因此， Lambert定律也稱(chēng)為余弦定律。定律也稱(chēng)為余弦定律。d ( )ddcos( )IAd ( )cos( )ddIA26圖圖8-11 Lambert8-11 Lambert定律圖示定律圖示沿半球方向積分上式，可獲得了半球輻射強(qiáng)度沿半球方向積分上式，可獲得了半球輻射強(qiáng)度E:E:2cos dbbEII 可見(jiàn)，遵守蘭貝特定律的輻射，數(shù)值上其可見(jiàn)，遵守蘭貝特定律的輻射，數(shù)值上其輻射力等于定向輻射強(qiáng)度的輻射力等于定向輻射強(qiáng)度的 倍。倍。27 Planck定律定律: 給出了特定波長(zhǎng)下的輻射力；給出了特定波長(zhǎng)下的輻射力； Stefan-Boltzmann定律定律:

17、給出了一切波長(zhǎng)下的總輻射力；給出了一切波長(zhǎng)下的總輻射力； Lambert定律：描述了輻射能量按空間方向分布的規(guī)律；定律：描述了輻射能量按空間方向分布的規(guī)律；(1) Wien位移定律：位移定律： 給出了給出了m與與T 的關(guān)系的關(guān)系28 8-3 實(shí)際固體和液體的輻射特性實(shí)際固體和液體的輻射特性一一 實(shí)際物體的輻射力實(shí)際物體的輻射力v前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長(zhǎng)；輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長(zhǎng)；v真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；v定義定義:

18、發(fā)射率發(fā)射率 (也稱(chēng)為黑度也稱(chēng)為黑度) ：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比黑體半球總輻射力之比:4TEEEb44100boTEETC29上面公式只是針對(duì)方向和光譜平均的情況，但實(shí)際上，真實(shí)表面上面公式只是針對(duì)方向和光譜平均的情況，但實(shí)際上，真實(shí)表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)黑體真實(shí)表面黑體，T真實(shí)表面，T二實(shí)際物體的光譜輻射力30 實(shí)際物體的光譜輻射力是隨波長(zhǎng)分布的規(guī)律與普朗克定律不同，但定性上是

19、一致的。（1）黑體的輻射波譜是隨波長(zhǎng)連續(xù)地變化的（光滑曲線(xiàn)）；（2）對(duì)任何波長(zhǎng)，T，Eb（3）對(duì)于某一溫度而言，輻射力有最大值。T，最大值向左移動(dòng)；（4）輻射能和溫度有關(guān)。當(dāng)溫度較低時(shí)，可見(jiàn)光所占分額很少（0.6；金屬：T，（形成氧化無(wú)薄層）；非金屬：或 （可增可減）。45前面講過(guò)，黑體、灰體、白體等都是前面講過(guò)，黑體、灰體、白體等都是理想物體，而實(shí)際物體的輻射特性并理想物體，而實(shí)際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同，比如，不完全與這些理想物體相同，比如，(1)(1)實(shí)際物體的輻射力與黑體和灰體實(shí)際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見(jiàn)圖的輻射力的差別見(jiàn)圖7-147-14；(2)(2)

20、 實(shí)際實(shí)際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；的四次方成正比；(3)(3) 實(shí)際物體的定實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守LambertLambert定定律，等等。所有這些差別全部歸于上律，等等。所有這些差別全部歸于上面的系數(shù)，因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)面的系數(shù)，因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，形式也可能很復(fù)雜。在工程來(lái)確定，形式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將真實(shí)表面假設(shè)為漫發(fā)射面。上一般都將真實(shí)表面假設(shè)為漫發(fā)射面。圖圖8-14 實(shí)際物體、黑體實(shí)際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜和灰體的輻射能量光譜46本節(jié)中，還有幾點(diǎn)需要注意本節(jié)中，還

21、有幾點(diǎn)需要注意 將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜，將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜，很難理論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)；很難理論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)； 服從服從LambertLambert定律的表面成為漫射表面。雖然實(shí)際物體的定律的表面成為漫射表面。雖然實(shí)際物體的定向發(fā)射率并不完全符合定向發(fā)射率并不完全符合LambertLambert定律，但仍然近似地認(rèn)定律，但仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從為大多數(shù)工程材料服從LambertLambert定律，這有許多原因；定律，這有許多原因；1.1.物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類(lèi)、表面溫度和表面狀況。物體表面的發(fā)射率取

22、決于物質(zhì)種類(lèi)、表面溫度和表面狀況。這說(shuō)明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外這說(shuō)明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。界條件。477-4 7-4 實(shí)際固體的吸收比和基爾霍夫定律實(shí)際固體的吸收比和基爾霍夫定律 上一節(jié)簡(jiǎn)單介紹了實(shí)際物體的發(fā)射情況，那么當(dāng)外界的上一節(jié)簡(jiǎn)單介紹了實(shí)際物體的發(fā)射情況，那么當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時(shí)，該物體對(duì)投入輻射吸收的輻射投入到物體表面上時(shí)，該物體對(duì)投入輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對(duì)其作出解答。情況又是如何呢？本節(jié)將對(duì)其作出解答。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with what ha

23、ppens to _, while emissivity deals with _481. 1. 投入輻射投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能 2. 2. 選擇性吸收選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際 物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變 化，這叫選擇性吸收化，這叫選擇性吸收3. 3. 吸收比吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用 表表 示示，即，即)(投入輻射投入的能量吸收的能量首先介紹幾個(gè)

24、概念：首先介紹幾個(gè)概念：494 光譜吸收比光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。能量投入的某一特定波長(zhǎng)的能量吸收的某一特定波長(zhǎng)的),(1T圖圖8-17和和8-18分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸收比同分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系。波長(zhǎng)的關(guān)系。圖圖8-17 金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系50圖圖8-18 8-18 非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比

25、同波長(zhǎng)的關(guān)系非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系515.實(shí)際物體的吸收具有選擇性 物體的光譜吸收比隨波長(zhǎng)而異的特性稱(chēng)為物體的吸收具有選擇性。 （1）玻璃暖房溫室效應(yīng) （2）焊接工人戴墨鏡 （3）物體的顏色 52設(shè)下標(biāo)設(shè)下標(biāo)1 1、2 2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體1 1的吸的吸收比為收比為)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質(zhì)表面的性質(zhì)，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbb6實(shí)際物體吸收的選擇性對(duì)輻射傳熱計(jì)算所造成的困難 物體的吸收比除了與自身表面的性質(zhì)和溫度（T1）有關(guān)外，還與投入

26、輻射按波長(zhǎng)的能量分布有關(guān)，投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布有取決于發(fā)出投入輻射的物體的性質(zhì)和溫度（T2）。物體的吸收比要根據(jù)吸收一方和發(fā)出投入輻射一方兩方面的性質(zhì)和溫度來(lái)確定。53圖圖8-19給出了一些材料對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。給出了一些材料對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。如果投入輻射來(lái)自黑體，由于如果投入輻射來(lái)自黑體，由于 ，則上式可變?yōu)椋瑒t上式可變?yōu)?),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性質(zhì)表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb54圖圖8-19 8-19 物體表面對(duì)黑體輻射的吸收比與溫

27、度的關(guān)系物體表面對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系55 物體的選擇性吸收特性，即對(duì)有些波長(zhǎng)的投入輻射吸收多，物體的選擇性吸收特性，即對(duì)有些波長(zhǎng)的投入輻射吸收多，而對(duì)另一些波長(zhǎng)的輻射吸收少，在實(shí)際生產(chǎn)中利用的例子很而對(duì)另一些波長(zhǎng)的輻射吸收少，在實(shí)際生產(chǎn)中利用的例子很多，但事情往往都具有雙面性，人們?cè)诶眠x擇性吸收的同多，但事情往往都具有雙面性，人們?cè)诶眠x擇性吸收的同時(shí)，也為其傷透了腦筋，這是因?yàn)槲毡扰c投入輻射波長(zhǎng)有時(shí)，也為其傷透了腦筋，這是因?yàn)槲毡扰c投入輻射波長(zhǎng)有關(guān)的特性給工程中輻射換熱的計(jì)算帶來(lái)巨大麻煩，對(duì)此，一關(guān)的特性給工程中輻射換熱的計(jì)算帶來(lái)巨大麻煩，對(duì)此，一般有般有兩種兩種處理方法，即

28、處理方法，即 灰體法灰體法，即將光譜吸收比，即將光譜吸收比 ( ( ) ) 等效為常數(shù)，即等效為常數(shù)，即 = = ( ( ) ) = const= const。并將。并將 ( ( ) )與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱(chēng)為灰體與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱(chēng)為灰體，與黑體類(lèi)，與黑體類(lèi)似，它也是一種理想物體，但對(duì)于大部分工程問(wèn)題來(lái)講，灰似，它也是一種理想物體，但對(duì)于大部分工程問(wèn)題來(lái)講，灰體假設(shè)帶來(lái)的誤差是可以容忍的；體假設(shè)帶來(lái)的誤差是可以容忍的；(1)(1)譜帶模型法譜帶模型法，即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干，即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域被稱(chēng)為一個(gè)譜帶，在每個(gè)譜帶內(nèi)應(yīng)用灰小區(qū)域，每個(gè)小

29、區(qū)域被稱(chēng)為一個(gè)譜帶，在每個(gè)譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體假設(shè)。體假設(shè)。567.灰體的概念及其工程應(yīng)用 因單色吸收率對(duì)不同波長(zhǎng)輻射的選擇性，從而吸收率與投因單色吸收率對(duì)不同波長(zhǎng)輻射的選擇性，從而吸收率與投入輻射有關(guān)。如果入輻射有關(guān)。如果=C=C（即單色吸收率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)），從而（即單色吸收率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)），從而=C=C。 定義灰體定義灰體：光譜吸收比（單色吸收率）與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體：光譜吸收比（單色吸收率）與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱(chēng)為灰體。此時(shí)，不管投入輻射的分布如何，吸收比稱(chēng)為灰體。此時(shí)，不管投入輻射的分布如何，吸收比 都是同都是同一個(gè)常數(shù)。一個(gè)常數(shù)。 = = = C= C 灰體和黑體一樣灰體和黑體一樣, ,也是一種理想物

30、體也是一種理想物體, ,但在工業(yè)中遇到的熱但在工業(yè)中遇到的熱輻射，波長(zhǎng)主要在輻射，波長(zhǎng)主要在0.760.761010微米之間，在此范圍內(nèi)，把實(shí)際物微米之間，在此范圍內(nèi)，把實(shí)際物體看作灰體誤差不大，也可看作是漫射表面。體看作灰體誤差不大，也可看作是漫射表面。57在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來(lái)看一在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來(lái)看一下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，18591859年，基爾霍夫用熱力年，基爾霍夫用熱力學(xué)方法回答了這個(gè)問(wèn)題，從而提出了學(xué)方法回答了這個(gè)問(wèn)題，從而提出了基爾霍夫基爾霍夫定律。定律。最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無(wú)限大平板間的熱力學(xué)

31、平衡方法。最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無(wú)限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。如圖如圖8-208-20所示，板所示，板1 1時(shí)黑體，板時(shí)黑體，板2 2是任意物體，參數(shù)分別為是任意物體，參數(shù)分別為E Eb b T T1 1 以及以及E E, , , T, T2 2 則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有 8.吸收比與發(fā)射率的關(guān)系基爾霍夫定律（1）實(shí)際物體吸收比和發(fā)射率間的關(guān)系58 兩個(gè)平行放置無(wú)限大平板，兩板相距很近，板1為黑體，其輻射力為Eb，吸收率為b=1，溫度為T(mén)1，板2為實(shí)際物體，溫度為T(mén)2，黑度為。求板2 的能量收支差額。bbEEEE圖圖8-20 8-20 平行平板平行平板間的輻射換熱間的輻射

32、換熱bbbbbEEEEEEqTTEEEEqEEq221121 0 )1 ( 1 2從而有（處于熱平衡）若：板：板59 任何物體的輻射力和它對(duì)來(lái)自黑體輻射的吸收率的比值恒等于Eb。 注意：只有在熱平衡條件下才能成立。v推論：v 1. 善于輻射的物體必善于吸收；v 2. 因1，所以EEb。即在同一溫度下，黑體的輻射力最大 Kirchhoff 定律的表達(dá)式說(shuō)明，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，定律的表達(dá)式說(shuō)明，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有如下物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有如下限制限制：60 整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)； 如物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關(guān)，則二者只有處于如物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關(guān)，則二者只有處于同一溫度下的值才能相等；同一溫度下的值才能相等； 投射輻射源必須是同溫度下的黑體投射輻射源必須是同溫度下的黑體。為了將為了將Kirchhoff Kirchhoff 定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們考察、定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們考察、推導(dǎo)了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達(dá)推導(dǎo)了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達(dá)式，見(jiàn)表式，見(jiàn)表8-38-3。只取決于本身性）（不考慮熱平衡過(guò)程，）（常數(shù)