第8章__熱輻射基本定律a

1、熱輻射基本定律和輻射特性主要內(nèi)容主要內(nèi)容熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念黑體輻射基本定律黑體輻射基本定律 1、普朗克定律、普朗克定律 2、維恩位移定律、維恩位移定律 3、斯忒藩、斯忒藩玻爾茲曼定律（四次方定律）玻爾茲曼定律（四次方定律） 4、蘭貝特定律（朗伯定律）、蘭貝特定律（朗伯定律）固體和液體的輻射特性固體和液體的輻射特性實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系 -基爾霍夫定律基爾霍夫定律太陽(yáng)與環(huán)境輻射太陽(yáng)與環(huán)境輻射熱輻射基本定律熱輻射基本定律8.1 8.1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念熱輻射現(xiàn)象的基本概念2.熱輻射的特點(diǎn)熱輻射的特點(diǎn) 熱輻射可在真空中傳播熱輻射可在真空

2、中傳播, 不需要任何中間介質(zhì)不需要任何中間介質(zhì) ( 在真空中傳遞的效率最高在真空中傳遞的效率最高)；且輻射能的傳播具；且輻射能的傳播具有直線性有直線性b.在發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的同時(shí)還伴有能量形式的轉(zhuǎn)換在發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的同時(shí)還伴有能量形式的轉(zhuǎn)換輻輻 射射: 以電磁波形式傳遞能量的過(guò)程以電磁波形式傳遞能量的過(guò)程熱輻射熱輻射: 由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射輻射傳熱輻射傳熱: 物體間相互輻射和吸收的總效果物體間相互輻射和吸收的總效果1. 輻射、熱輻射與輻射傳熱輻射、熱輻射與輻射傳熱8.1.1 熱輻射的定義及特點(diǎn)熱輻射的定義及特點(diǎn) 8.1.2 熱輻射的電磁波特性熱輻射的電磁波特性

3、1.傳播速率、波長(zhǎng)、頻率間的關(guān)系傳播速率、波長(zhǎng)、頻率間的關(guān)系msfsmcfc,/,1波長(zhǎng)頻率電磁波的傳播速率可見(jiàn)光可見(jiàn)光: 0.380.76 ; 熱射線熱射線: 0.1100mm 2.電磁波波譜電磁波波譜m/波長(zhǎng)波長(zhǎng) 3.物體表面對(duì)電磁波的作用物體表面對(duì)電磁波的作用特例：固、液：特例：固、液：+=1+=1； 氣體：氣體： +=1 +=1(1)吸收、反射、穿透及相互關(guān)系吸收、反射、穿透及相互關(guān)系 Q Q+Q+Q+Q+Q=Q =Q +=1+=1-穿透率穿透率-反射率反射率-吸收率吸收率 (2)固體表面的反射類型固體表面的反射類型鏡反射鏡反射: 從某一方向入射的輻射按從某一方向入射的輻射按反射角等于

4、入射反射角等于入射 角角的規(guī)律反射的規(guī)律反射 (表表 面的不平整尺寸小于投面的不平整尺寸小于投 入輻射的波長(zhǎng)入輻射的波長(zhǎng))漫反射漫反射: 從某一方向入射的輻射向空間各個(gè)向方向從某一方向入射的輻射向空間各個(gè)向方向 反射出去反射出去 ( 發(fā)生于表面的不平整尺寸小于發(fā)生于表面的不平整尺寸小于 投入輻射的波長(zhǎng)的場(chǎng)合投入輻射的波長(zhǎng)的場(chǎng)合) 鏡反射鏡反射漫反射漫反射 黑體：能吸收所有投射到其表面上的輻射黑體：能吸收所有投射到其表面上的輻射 能的物體能的物體( (即即=1=1的物體的物體) )鏡體：反射比等于鏡體：反射比等于1 1的物體的物體 ( (當(dāng)反射為漫反射時(shí)稱為白體當(dāng)反射為漫反射時(shí)稱為白體) )透明

5、體：穿透比等于透明體：穿透比等于1 1的物體的物體 1.幾個(gè)理想物體幾個(gè)理想物體8.1.3 黑體模型黑體模型 2. 黑體模型黑體模型996. 06 . 0%6 . 0當(dāng)量腔孔時(shí)當(dāng)，AAdEEbb0:,則有對(duì)于黑體0dEE(3) E與與E 的關(guān)系：的關(guān)系：輻射力的概念輻射力的概念8.2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律(1) (全色全色)輻射力輻射力E 單位時(shí)間內(nèi)物體的單位表面積向半球空間的所單位時(shí)間內(nèi)物體的單位表面積向半球空間的所 有方向輻射出去的全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)的能量有方向輻射出去的全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)的能量, W/m2。 表征物體表面向外界發(fā)射輻射能本領(lǐng)的大小。表征物體表面向外界發(fā)射輻射能本領(lǐng)

6、的大小。(2) 單色輻射力單色輻射力E （光譜輻射力）（光譜輻射力） 單位時(shí)間內(nèi)物體的單位表面積向半球空間的所單位時(shí)間內(nèi)物體的單位表面積向半球空間的所 有方向輻射出去的在包含有方向輻射出去的在包含在內(nèi)的單位波長(zhǎng)內(nèi)的在內(nèi)的單位波長(zhǎng)內(nèi)的能能 量，量，W/m3。8.2.1 斯忒藩斯忒藩玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律（四次方定律）（四次方定律） 反映黑體的反映黑體的(全色全色)輻射力與溫度的關(guān)系輻射力與溫度的關(guān)系404)100(TCETEbb或其中：其中： 黑體輻射常數(shù)黑體輻射常數(shù)(5.6710-8W/m2.K4) C0黑體輻射系數(shù)黑體輻射系數(shù)(5.67W/m2.K4)8.2.2 普朗克定律普朗克定律1),

7、()/(512TCbecTfE式中式中:KmcmWcKTmmWEb2221613104388. 1 ,107419. 3 ,/,第二輻射常量第一輻射常量黑體的熱力學(xué)溫度波長(zhǎng)黑體光譜輻射力1.普朗克定律普朗克定律反映在一定溫度下，黑體的光譜反映在一定溫度下，黑體的光譜(單單 色色)輻射力隨波長(zhǎng)的分布規(guī)律：輻射力隨波長(zhǎng)的分布規(guī)律：1),()/(512TCbecTfE規(guī)律：規(guī)律：(1)T一定時(shí)，一定時(shí)，Eb 與波長(zhǎng)有關(guān)與波長(zhǎng)有關(guān)(為一連續(xù)曲線為一連續(xù)曲線)，在，在 =0 之間單色輻射力存在一峰值之間單色輻射力存在一峰值(Eb )max； (2)對(duì)應(yīng)不同的溫度，有不同的能量分布曲線：隨對(duì)應(yīng)不同的溫度，

8、有不同的能量分布曲線：隨T 的升高，出現(xiàn)峰值的位置向短波方向移動(dòng)，同的升高，出現(xiàn)峰值的位置向短波方向移動(dòng)，同 時(shí)時(shí) (Eb )max值增大。值增大。2、維恩位移定律維恩位移定律（反映出現(xiàn)最大單色輻射力的波（反映出現(xiàn)最大單色輻射力的波 長(zhǎng)長(zhǎng)m與絕對(duì)溫度與絕對(duì)溫度T之間的關(guān)系）：之間的關(guān)系）：P213例例81：維恩位移定律的應(yīng)用：維恩位移定律的應(yīng)用結(jié)果：一般工業(yè)高溫范圍結(jié)果：一般工業(yè)高溫范圍(2000K), m =1.45 m(紅外區(qū)段紅外區(qū)段) 太陽(yáng)表面溫度太陽(yáng)表面溫度(5800K), m=0.50 m (可見(jiàn)光可見(jiàn)光)定律的定律的應(yīng)用應(yīng)用：分析金屬在不同溫度下的顏色變化。：分析金屬在不同溫度下

9、的顏色變化。 m T=2.897610-3m.K 2.910-3m.K3、普朗克定律普朗克定律與與斯忒藩斯忒藩玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律的關(guān)系的關(guān)系decdEETCbb0)/(5101217 4、波段輻射力 波段輻射：某一波段內(nèi)的輻射能量。 黑體在某一溫度下，1-2之間的波段輻射（圖中陰影面積）占全波輻射能量的份額用 表示。 21 bF 18 12122100000 bbbbbbFFdEdEdEF 曲曲線線下下總總面面積積陰陰影影面面積積 0212121 dEdEEEFbbbbb)()(5040)0()0(TfTTdETdEEEFbTbbbbbb 黑體輻射函數(shù)19 4001221TFFEbbbb

10、 為方便，黑體輻射函數(shù)已制成表 在給定波段12間隔內(nèi)的輻射力：)()0(TfFb 20 【例例8-18-1】一玻璃板在一玻璃板在為為0.43m的的波段內(nèi)，其透射比為波段內(nèi)，其透射比為0.94，而在其它波段下，而在其它波段下都是不透明的，試求入射的太陽(yáng)能穿透玻都是不透明的，試求入射的太陽(yáng)能穿透玻璃的能量占其總輻射能的百分比（太陽(yáng)表璃的能量占其總輻射能的百分比（太陽(yáng)表面可近似認(rèn)為面可近似認(rèn)為T=6000K）。21解 太陽(yáng)表面溫度T=6000K，10.4m，23m，1T=2400mK，2T=18000mK，查黑體輻射函數(shù)表得：%02.14)0(1TbF%05.98)0(2TbF則 %03.84)0(

11、)0()(1221TbTbbFFF 結(jié)果分析:在0.43m波段內(nèi)太陽(yáng)輻射能占太陽(yáng)全波長(zhǎng)總輻射能84.03。由于玻璃透射比為94，可求得穿過(guò)玻璃能量占太陽(yáng)輻射落在玻璃上能量的百分比84.039479。 22 【例例8-28-2】設(shè)鎢絲燈的燈絲溫度為設(shè)鎢絲燈的燈絲溫度為2800K2800K，試求可見(jiàn)光波段內(nèi)燈絲輻射能占其總輻射能試求可見(jiàn)光波段內(nèi)燈絲輻射能占其總輻射能的百分比（設(shè)燈絲為黑體）。的百分比（設(shè)燈絲為黑體）。 解:可見(jiàn)光波段為0.380.76m 10.38m；1T1064mK, 20.76m 2T=2128mK， 查黑體輻射函數(shù)表得:23%88. 8%,07025. 0)0()0(21 T

12、bTbFF %81.8%07025.0%88.8)0()0()(1221 TbTbTTbFFF 【討論】在燈絲發(fā)出的輻射能中，可見(jiàn)光只占8.81，其余91.19屬于不可見(jiàn)的紅外輻射，并轉(zhuǎn)化為熱能，散失到周圍環(huán)境中，鎢絲燈作為光源其效率是很低的。 平面角：平面角：8.2.3 蘭貝特定律蘭貝特定律 -(反映黑體輻射能按空間方向的分布規(guī)律反映黑體輻射能按空間方向的分布規(guī)律)1.立體角立體角立體角：立體角：ddrdAdsrrAccsin);)(22球面度緯度角徑度角 2.定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度 I 定義定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)、單位可見(jiàn)輻射面積、單位：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)、單位可見(jiàn)輻射面積、單位 立體角的輻射能量稱為

13、定向輻射強(qiáng)度立體角的輻射能量稱為定向輻射強(qiáng)度即：即：)/(cos)()(2srmWddAdI27 3 輻射力和輻射強(qiáng)度的區(qū)別輻射力和輻射強(qiáng)度的區(qū)別 某一溫度下，單位時(shí)間內(nèi)物體單位某一溫度下，單位時(shí)間內(nèi)物體單位( (可見(jiàn)可見(jiàn)）面積向半球空間所有方向發(fā)射的全波長(zhǎng)輻射面積向半球空間所有方向發(fā)射的全波長(zhǎng)輻射能的總和稱為能的總和稱為輻射力輻射力（輻射強(qiáng)度）（輻射強(qiáng)度）。 某一溫度下，單位時(shí)間內(nèi)物體單位某一溫度下，單位時(shí)間內(nèi)物體單位( (可見(jiàn)可見(jiàn)）面積所有方向發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射能稱為面積所有方向發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射能稱為單單色輻射力色輻射力（單色輻射強(qiáng)度）（單色輻射強(qiáng)度） 。 某一溫度下，單位時(shí)間內(nèi)物體單位

14、可見(jiàn)某一溫度下，單位時(shí)間內(nèi)物體單位可見(jiàn)面積在半球空間某一方向面積在半球空間某一方向單位立體角單位立體角內(nèi)發(fā)射內(nèi)發(fā)射全波長(zhǎng)輻射能的總和稱為全波長(zhǎng)輻射能的總和稱為定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度。針。針對(duì)某一波長(zhǎng)的定向輻射強(qiáng)度稱為對(duì)某一波長(zhǎng)的定向輻射強(qiáng)度稱為單色定向輻單色定向輻射強(qiáng)度射強(qiáng)度。4. 蘭貝特定蘭貝特定律律(余弦定律余弦定律)： -黑體輻射的定向輻射強(qiáng)度等于常量黑體輻射的定向輻射強(qiáng)度等于常量,與方向無(wú)關(guān)與方向無(wú)關(guān)故由上式又有：故由上式又有：)cos()(IdAdd 即：即：Ip=Im=In=I表明表明:黑體單位面積輻射出去的能量（定向輻射力）黑體單位面積輻射出去的能量（定向輻射力）在空間不同方向

15、的分布按緯度角在空間不同方向的分布按緯度角的余弦規(guī)律變的余弦規(guī)律變化化. .5. 蘭貝特定律蘭貝特定律與與斯忒藩斯忒藩玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律間的關(guān)系間的關(guān)系 即定向輻射強(qiáng)度即定向輻射強(qiáng)度I與輻射力與輻射力E之間的關(guān)系之間的關(guān)系對(duì)于服從蘭貝特定律的輻射，有：對(duì)于服從蘭貝特定律的輻射，有：bbbbbIddIddIdIdAdE2/02022sincossincoscos)(即即:bbIE0dEE(3) E與與E 的關(guān)系：的關(guān)系： 1. 輻射力的概念輻射力的概念 黑體輻射基本定律小結(jié)黑體輻射基本定律小結(jié)(1) (全色全色)輻射力輻射力E(2) 單色輻射力單色輻射力E （光譜輻射力）（光譜輻射力）2.

16、 斯忒藩斯忒藩玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律（四次方定律）（四次方定律） 反映黑體的反映黑體的(全色全色)輻射力與溫度的關(guān)系輻射力與溫度的關(guān)系404)100(TCETEbb或3.普朗克定律普朗克定律反映在一定溫度下，黑體的光譜反映在一定溫度下，黑體的光譜(單單 色色)輻射力隨波長(zhǎng)的分布規(guī)律輻射力隨波長(zhǎng)的分布規(guī)律1),()/(512TCbecTfE規(guī)律：規(guī)律：(1)T一定時(shí)，一定時(shí)，Eb 與波長(zhǎng)有關(guān)與波長(zhǎng)有關(guān)(為一連續(xù)曲線為一連續(xù)曲線)，在，在 =0 之間單色輻射力存在一峰值之間單色輻射力存在一峰值(Eb )max； (2)對(duì)應(yīng)不同的溫度，有不同的能量分布曲線：隨對(duì)應(yīng)不同的溫度，有不同的能量分布曲線：

17、隨T 的升高，出現(xiàn)峰值的位置向短波方向移動(dòng)，同的升高，出現(xiàn)峰值的位置向短波方向移動(dòng)，同 時(shí)時(shí) (Eb )max值增大。值增大。4、維恩位移定律維恩位移定律（反映出現(xiàn)最大單色輻射力的波（反映出現(xiàn)最大單色輻射力的波 長(zhǎng)長(zhǎng)m與絕對(duì)溫度與絕對(duì)溫度T之間的關(guān)系）：之間的關(guān)系）： m T=2.897610-3m.K 2.910-3m.K5、普朗克定律普朗克定律與與斯忒藩斯忒藩玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律的關(guān)系的關(guān)系decdEETCbb0)/(51012bbbbbbEFFEFE)0()0()()(1221216. 黑體的波段輻射力黑體的波段輻射力Eb7. 蘭貝特定律蘭貝特定律(反映黑體輻射能按空間方向的分布規(guī)律

18、反映黑體輻射能按空間方向的分布規(guī)律)(1)立體角與立體角與定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度的概念的概念(2) 蘭貝特定蘭貝特定律律(余弦定律余弦定律) -黑體輻射的定向輻射強(qiáng)度等于常量黑體輻射的定向輻射強(qiáng)度等于常量,與方向無(wú)關(guān)與方向無(wú)關(guān) 即：即：Ip=Im=In=I)cos()(:IdAdd或表明表明:黑體單位面積輻射出去的能量在空間不同方向黑體單位面積輻射出去的能量在空間不同方向 的分布按緯度角的分布按緯度角的余弦規(guī)律變化的余弦規(guī)律變化. .(3) 蘭貝特定律蘭貝特定律與與斯忒藩斯忒藩玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律間的關(guān)系間的關(guān)系:對(duì)于服從蘭貝特定律的輻射，有：對(duì)于服從蘭貝特定律的輻射，有：bbIE8.3

19、 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特征：在相同溫度下，實(shí)際物體的輻射力總是小特征：在相同溫度下，實(shí)際物體的輻射力總是小 于黑體的輻射力于黑體的輻射力兩者的差別用兩者的差別用發(fā)射率發(fā)射率(黑度黑度)表示表示 反映物體發(fā)射輻射能的能力大小，對(duì)于一反映物體發(fā)射輻射能的能力大小，對(duì)于一定的物體表面，其數(shù)值與溫定的物體表面，其數(shù)值與溫 度有關(guān)（具體關(guān)系由度有關(guān)（具體關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)定）實(shí)驗(yàn)測(cè)定）8.3.1 實(shí)際物體的輻射力實(shí)際物體的輻射力E(全色輻射力全色輻射力) 與發(fā)射率與發(fā)射率定義定義: 實(shí)際物體的輻射力與同實(shí)際物體的輻射力與同溫度下溫度下黑體的輻射力之為黑體的輻射力之為 實(shí)際物體的發(fā)射

20、率實(shí)際物體的發(fā)射率(黑度黑度), 用用表示表示：bEE 則實(shí)際物體的輻射力為則實(shí)際物體的輻射力為: 404)100(TCTEEb 黑度黑度與單色黑度與單色黑度 間的關(guān)系：間的關(guān)系：dETEEbb04)(18.3.2 實(shí)際物體的光譜輻射力實(shí)際物體的光譜輻射力E與光譜發(fā)射率與光譜發(fā)射率()定義定義: 實(shí)際物體的光譜輻射力與實(shí)際物體的光譜輻射力與同溫度同溫度下黑體在同一下黑體在同一 波長(zhǎng)下的光譜輻射力之比稱為實(shí)際物體的光譜波長(zhǎng)下的光譜輻射力之比稱為實(shí)際物體的光譜 發(fā)射率發(fā)射率(光譜黑度光譜黑度), 用用()表示表示：bEE)( 一般一般, 實(shí)際物體的黑度實(shí)際物體的黑度除與表面性質(zhì)有關(guān)外除與表面性質(zhì)有

21、關(guān)外, ,還與溫度存在依變關(guān)系還與溫度存在依變關(guān)系. .8.3.3 實(shí)際物體的定向輻射實(shí)際物體的定向輻射力力E()與定向發(fā)射率與定向發(fā)射率bbEEEE)()()()(定義定義: 實(shí)際物體在某一方向的定向輻射力與實(shí)際物體在某一方向的定向輻射力與同溫同溫 度度下黑體的定向輻射力之比稱為實(shí)際物體下黑體的定向輻射力之比稱為實(shí)際物體 的定向發(fā)射率的定向發(fā)射率(定向黑度定向黑度), 用用 表示：表示：)(式中式中: 輻射方向與輻射面法線方向之間的夾角輻射方向與輻射面法線方向之間的夾角; 方向上的定向輻射力方向上的定向輻射力 同溫度下黑體的定向輻射力同溫度下黑體的定向輻射力 bEE)()(1. 定向發(fā)射率定

22、向發(fā)射率 隨隨角的變化規(guī)律角的變化規(guī)律)(2. 定向發(fā)射率與半球平均發(fā)射率間的關(guān)系定向發(fā)射率與半球平均發(fā)射率間的關(guān)系簡(jiǎn)化式簡(jiǎn)化式(工程計(jì)算中黑度工程計(jì)算中黑度的的實(shí)用處理方法實(shí)用處理方法)：nM式中式中: 為法向發(fā)射率為法向發(fā)射率n金屬表面金屬表面(表面高度磨光時(shí)取上限表面高度磨光時(shí)取上限) M=1.21.3, 即即=(1.21.3) n(2) 非導(dǎo)體非導(dǎo)體, M=0.951.0(3) 實(shí)用中，對(duì)于工程材料實(shí)用中，對(duì)于工程材料(高度磨光表面除外高度磨光表面除外)，一，一 般可取般可取M1.0，即，即n (實(shí)際情況實(shí)際情況: 有光滑表面的物體，有光滑表面的物體， =0.95n 粗糙的物體，粗糙的

23、物體， =0.98n) 即即: 大部分工程材料的定向發(fā)射率可近似取為定大部分工程材料的定向發(fā)射率可近似取為定 值值, 故可作漫射體處理故可作漫射體處理(4) 非金屬材料，當(dāng)缺乏資料時(shí)，可近似取非金屬材料，當(dāng)缺乏資料時(shí)，可近似取=0.9 本節(jié)中，還有幾點(diǎn)需要注意本節(jié)中，還有幾點(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)；復(fù)雜很難理論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)；2.2.服從服從LambertLambert定律的表面稱為漫射表面。雖然實(shí)際物定律的表面稱為漫射表面。雖然實(shí)際物 體的定向發(fā)射率并不完全符合體的

24、定向發(fā)射率并不完全符合LambertLambert定律，但仍然定律，但仍然 近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從LambertLambert定律，這有定律，這有 許多原因；許多原因；3.3.影響物體表面發(fā)射率的因素影響物體表面發(fā)射率的因素: 物質(zhì)種類、表面溫度和物質(zhì)種類、表面溫度和 表面狀況。表面狀況。 這說(shuō)明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身這說(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。有關(guān)，而不涉及外界條件。2、光譜吸收比光譜吸收比(單色吸收比單色吸收比) () 物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分比物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分比8.4.1 實(shí)際物體

25、的吸收比實(shí)際物體的吸收比 表示物體表面對(duì)輻射能的吸收特性表示物體表面對(duì)輻射能的吸收特性8.4 實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系 一般，一般，()與波長(zhǎng)與波長(zhǎng)有關(guān)有關(guān)(物體對(duì)輻射能吸收物體對(duì)輻射能吸收 的選擇性的選擇性）1、投入輻射、投入輻射G 單位時(shí)間內(nèi)從外界投射到物體單位表面積上的單位時(shí)間內(nèi)從外界投射到物體單位表面積上的 各種波長(zhǎng)能量的總和，稱為對(duì)該表面的投入輻各種波長(zhǎng)能量的總和，稱為對(duì)該表面的投入輻 射射. 單位單位 W/m2.溫室效應(yīng)：利用了玻璃對(duì)輻射能吸收的選擇性溫室效應(yīng)：利用了玻璃對(duì)輻射能吸收的選擇性 （對(duì)（對(duì)3m的輻射能穿透比很大，的輻射能穿透比

26、很大， 對(duì)對(duì)3m的輻射能穿透比很?。┑妮椛淠艽┩副群苄。┪矬w的顏色變化：取決于物體表面對(duì)可見(jiàn)光的選擇物體的顏色變化：取決于物體表面對(duì)可見(jiàn)光的選擇 性吸收特性性吸收特性選擇性吸收和穿透選擇性吸收和穿透實(shí)例實(shí)例：溫室效應(yīng)、物體的顏色等：溫室效應(yīng)、物體的顏色等3、吸收比吸收比 物體對(duì)投入輻射所吸收的百分比物體對(duì)投入輻射所吸收的百分比. (表征物體表面對(duì)外來(lái)能量的反應(yīng)表征物體表面對(duì)外來(lái)能量的反應(yīng)) 的數(shù)值取決于：的數(shù)值取決于： (1) 吸收輻射物體本身的狀況吸收輻射物體本身的狀況(表面表面1的性質(zhì)和溫度的性質(zhì)和溫度); (2) 投入輻射的特性投入輻射的特性(能量按波長(zhǎng)的分布能量按波長(zhǎng)的分布) (即表面

27、即表面2的性的性 質(zhì)和溫度質(zhì)和溫度)。;:GG按定義0220221020211)(),()(),(),(),(),(),(dTETdTETTdTGdTGTbb即：即：)1,()(),()()(),(212021020214的性質(zhì)表面TTfTdTETdTEdTETbbb對(duì)于來(lái)自黑體的輻射對(duì)于來(lái)自黑體的輻射 ，有：，有： 對(duì)于給定的物體，對(duì)黑體輻射的吸收比則只對(duì)于給定的物體，對(duì)黑體輻射的吸收比則只 是溫度是溫度T1、T2的函數(shù)的函數(shù)),(),(2TETGb規(guī)律：規(guī)律：T1一定時(shí)，一定時(shí)，非導(dǎo)電非導(dǎo)電 體體對(duì)黑體輻射的吸對(duì)黑體輻射的吸 收比收比 隨溫度隨溫度T2 的增加而減小的增加而減小 (2) T

28、1一定時(shí)，一定時(shí)，導(dǎo)電體導(dǎo)電體 對(duì)黑體輻射的吸收對(duì)黑體輻射的吸收 比比 隨溫度隨溫度 T2的的 增加而增大增加而增大 8.4.2 灰體灰體 光譜吸收比光譜吸收比()與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體即對(duì)于灰體有：即對(duì)于灰體有： ()=常數(shù)，故有：常數(shù)，故有：常數(shù)),(),(),(),(102021TdTGdTGT 與黑體類似，灰體也是一種理想物體。與黑體類似，灰體也是一種理想物體。實(shí)用實(shí)用中，大多數(shù)工程材料均可作灰體處理中，大多數(shù)工程材料均可作灰體處理（工業(yè)上的（工業(yè)上的熱輻射范圍絕大部分在紅外區(qū)段的熱輻射范圍絕大部分在紅外區(qū)段的0.7610 m之之間間, 此時(shí)此時(shí) 一般不隨波長(zhǎng)作顯著變化）一般

29、不隨波長(zhǎng)作顯著變化） 物體的選擇性吸收特性，在實(shí)際生產(chǎn)中利用的例物體的選擇性吸收特性，在實(shí)際生產(chǎn)中利用的例 子很多，但也給工程中輻射換熱的計(jì)算帶來(lái)巨大麻煩。子很多，但也給工程中輻射換熱的計(jì)算帶來(lái)巨大麻煩。 對(duì)此，一般有對(duì)此，一般有兩種兩種處理方法，即處理方法，即 (1) (1)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)，等效為常數(shù)， = = ( ( )=const)=const， 將物體作為灰體處理。誤差在允許范圍內(nèi)；將物體作為灰體處理。誤差在允許范圍內(nèi)； (2) (2)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)域劃分為若干小區(qū)即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜

30、帶區(qū)域劃分為若干小區(qū) 域，每個(gè)小區(qū)域被稱為一個(gè)譜帶，在每個(gè)譜帶內(nèi)應(yīng)用灰域，每個(gè)小區(qū)域被稱為一個(gè)譜帶，在每個(gè)譜帶內(nèi)應(yīng)用灰 體假設(shè)。體假設(shè)。 8.4.3 吸收比與發(fā)射率之間的關(guān)系吸收比與發(fā)射率之間的關(guān)系 基爾霍夫基爾霍夫(Kirchhoff)定律定律1、實(shí)際物體吸收比與發(fā)射率之間的關(guān)系、實(shí)際物體吸收比與發(fā)射率之間的關(guān)系式式(8-25a)成立的條件：成立的條件：熱平衡熱平衡)258(2211aEEEEb (1)基爾霍夫定律的表述基爾霍夫定律的表述 在在熱平衡條件熱平衡條件下，任何物體的輻射力與對(duì)黑下，任何物體的輻射力與對(duì)黑 體輻射的吸收比之比恒等于同溫度下黑體的輻射體輻射的吸收比之比恒等于同溫度下黑

31、體的輻射 力。即：力。即：53黑黑體體平平壁壁任任意意平平壁壁平壁平壁1212間輻射換熱間輻射換熱的凈熱流密度為的凈熱流密度為21221bqEE當(dāng)平壁當(dāng)平壁1212溫度相等溫度相等( (熱平衡熱平衡) )時(shí)時(shí) q21=0212bEE (2)定律的證明定律的證明 54 bEE 表述：在熱平衡條件下，任何物體的表述：在熱平衡條件下，任何物體的輻射力與它對(duì)黑體輻射的吸收比之比恒等輻射力與它對(duì)黑體輻射的吸收比之比恒等于同溫度下黑體的輻射力。于同溫度下黑體的輻射力。 顯然，這個(gè)比值僅與熱平衡溫度有關(guān)，顯然，這個(gè)比值僅與熱平衡溫度有關(guān)，而與物體的本身性質(zhì)無(wú)關(guān)。而與物體的本身性質(zhì)無(wú)關(guān)。 一般表達(dá)式為：一般表

32、達(dá)式為：由于平壁由于平壁2 2為任意壁面，故可寫成為任意壁面，故可寫成12112ibiEEEE55 從基爾霍夫定律可得出下面的結(jié)論：從基爾霍夫定律可得出下面的結(jié)論： （a a）輻射力大的物體對(duì)同溫下黑體輻射）輻射力大的物體對(duì)同溫下黑體輻射能的吸收比也大。能的吸收比也大。 善于輻射的物體也善于吸收同溫度下善于輻射的物體也善于吸收同溫度下黑體的輻射能。黑體的輻射能。 （b b）實(shí)際物體的輻射力實(shí)際物體的輻射力E小于同溫下黑小于同溫下黑體的輻射力體的輻射力Eb(因?yàn)閷?shí)際物體因?yàn)閷?shí)際物體1 )。 同一溫度下黑體的輻射力最大。同一溫度下黑體的輻射力最大。56 （c c）由黑度定義式和基爾霍夫定律表達(dá)式）

33、由黑度定義式和基爾霍夫定律表達(dá)式可得基爾霍夫定律的另一表達(dá)式：可得基爾霍夫定律的另一表達(dá)式： （T）=（T） 可表述為：在與黑體處于熱平衡的條件可表述為：在與黑體處于熱平衡的條件下，任何物體對(duì)黑體的吸收比等于同溫下該物下，任何物體對(duì)黑體的吸收比等于同溫下該物體的發(fā)射率。體的發(fā)射率。 2. 特例特例漫射灰體吸收比與發(fā)射率之間的關(guān)系漫射灰體吸收比與發(fā)射率之間的關(guān)系(p224)(1)由灰體的定義由灰體的定義=()=常數(shù)，有常數(shù)，有=()=常數(shù)常數(shù)(2)對(duì)于灰體，不論對(duì)于來(lái)自何處的輻射，也不論是對(duì)于灰體，不論對(duì)于來(lái)自何處的輻射，也不論是 否處于熱平衡，恒有否處于熱平衡，恒有=結(jié)論結(jié)論: 在灰體層面上在

34、灰體層面上, 善于輻射的物體必善于吸收善于輻射的物體必善于吸收),(),(TT 關(guān)于基爾霍夫定律及灰體假設(shè)的幾點(diǎn)說(shuō)明關(guān)于基爾霍夫定律及灰體假設(shè)的幾點(diǎn)說(shuō)明1 1、基爾霍夫定律在不同層次上有不同的表達(dá)式、基爾霍夫定律在不同層次上有不同的表達(dá)式 （詳見(jiàn)（詳見(jiàn)下頁(yè)表）下頁(yè)表）2 2、在常見(jiàn)的溫度范圍內(nèi)，大多數(shù)工程材料均可作、在常見(jiàn)的溫度范圍內(nèi)，大多數(shù)工程材料均可作 灰體處理（漫灰表面）灰體處理（漫灰表面）3 3、由定律可得出結(jié)論：物體的輻射能力越大，其、由定律可得出結(jié)論：物體的輻射能力越大，其 吸收能力也越大（善于輻射必善于吸收）吸收能力也越大（善于輻射必善于吸收） 條件：灰體條件：灰體4 4、上述處

35、理方法不適用于對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、上述處理方法不適用于對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收 （大多數(shù)物體對(duì)可見(jiàn)光有（大多數(shù)物體對(duì)可見(jiàn)光有強(qiáng)烈的選擇性）強(qiáng)烈的選擇性）層層 次次數(shù)學(xué)表達(dá)式數(shù)學(xué)表達(dá)式成立條件成立條件光譜，定向光譜，定向光譜，半球光譜，半球定向，半球定向，半球全波段，半球全波段，半球 無(wú)條件，無(wú)條件， 為緯度角為緯度角漫射表面漫射表面灰體表面灰體表面與黑體處于熱平衡或?qū)εc黑體處于熱平衡或?qū)β冶砻媛冶砻?,(),(TT),(),(TT)()(TTKirchhoff Kirchhoff 定律的不同表達(dá)式定律的不同表達(dá)式),(),(TT8.4.4 溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)溫室溫室: 位于太陽(yáng)照耀下的封閉的空間位于太

36、陽(yáng)照耀下的封閉的空間 (小轎車、暖房等小轎車、暖房等)原理原理: 利用玻璃對(duì)太陽(yáng)輻射的強(qiáng)烈的選擇性利用玻璃對(duì)太陽(yáng)輻射的強(qiáng)烈的選擇性 （對(duì)（對(duì)3m的熱輻射有很高的穿透比，的熱輻射有很高的穿透比， 對(duì)對(duì)3m的熱輻射的穿透比則很小）的熱輻射的穿透比則很?。┪招詺怏w吸收性氣體溫室氣體溫室氣體(二氧化碳、多種二氧化碳、多種CFC制冷劑制冷劑如冰箱制冷劑如冰箱制冷劑R12)例例:已知：煤層溫度已知：煤層溫度2000K，可作黑體；爐墻為，可作黑體；爐墻為漫射表面，漫射表面， 內(nèi)表面溫度內(nèi)表面溫度500K，光譜發(fā)射率如圖。，光譜發(fā)射率如圖。求：爐墻內(nèi)表面的發(fā)射率求：爐墻內(nèi)表面的發(fā)射率與對(duì)煤層輻射的吸收比與對(duì)

37、煤層輻射的吸收比解：解：(1)先求發(fā)射率先求發(fā)射率。由發(fā)射率的定義可得：由發(fā)射率的定義可得：bbbbEdEEdEEET001)()()()0(23212113201012111212bbbbbbbbbbbbbFFFEdEEdEEdEEdEdEdE 其中：其中： 1、2、3已已 知，知，F(xiàn)b(01)、Fb(12)及及Fb(2)可根據(jù)可根據(jù)T1值從黑體輻值從黑體輻射函數(shù)表查得。代入數(shù)據(jù)后可得：射函數(shù)表查得。代入數(shù)據(jù)后可得：(T1)=0.61(2)再求對(duì)煤層輻射的吸收比再求對(duì)煤層輻射的吸收比由對(duì)黑體輻射的吸收比的定義式由對(duì)黑體輻射的吸收比的定義式(7-23b)可得：可得：)()(),(),(2020212211TEdEdEdETEdTETbbbbbb)()()(