第8章-熱輻射基本定律和輻射特性

1、第8章 熱輻射基本定律和輻射特性,8.1 熱輻射現象的基本概念,8.1.1 熱輻射的定義及區(qū)別于導熱對流的特點,熱輻射：由電磁波傳遞能量； （可在真空中傳遞，能量形式發(fā)生變化） 與熱運動有關。 （溫度高，熱運動劇烈，物體輻射電磁波較強）,輻射傳熱： 微觀帶電粒子熱運動時，發(fā)出電磁波， 將熱能轉變?yōu)檩椛淠堋?微觀帶電粒子吸收電磁波，熱運動加劇， 將輻射能轉變?yōu)闊崮堋?8.1.2 從電磁波的角度描述熱輻射的特性,1. 傳播速率與波長、頻率間的關系,真空中光速 ，大氣中略低。,熱輻射的本質是電磁波：,波速、波長和頻率的關系：,頻率， 、 ；,波長， 、 ；,2. 電磁波的波譜,熱輻射的波長范圍：,

2、工業(yè)應用： ， （紅外線）, 太陽輻射： ， （可見光）,近紅外線： ，遠紅外線：,3. 物體表面對電磁波的作用,（1）吸收比、反射比與穿透比之間的一般關系,熱輻射投射到物體表面上：吸收、反射、穿透,入射總能 ：吸收 、反射 、穿透, 吸收比 ：,黑體： ，理想吸收體。,一般： ， 固體、液體在表面吸收，氣體在內部吸收。, 反射比 ：,鏡體： ，理想反射體。,氣體： ，,兩類反射： 鏡面反射：磨光表面，遵循反射定律。 漫反射：一般表面，粗糙度大于波長。,注意：（a）漫反射中 ，白體； （b）工業(yè)材料表面都為漫反射。, 穿透比 ：,透明體： ，理想透明體。 固體、液體： ，,8.1.3 黑體模型

3、及其重要性,黑體： ，無反射，常為黑色； 典型的熱輻射模型， 研究黑體可得到熱輻射規(guī)律。,黑體模型：帶有空腔的小孔。 熱輻射由小孔射入， 空腔吸收全部輻射能， 從小孔反射出來的能量可忽略。 此外：空腔內壁熱輻射能量由小孔射出， 在小孔外側，可測黑體空腔的熱輻射。,注意：黑體吸收能力最強，其輻射能力也最強。,8.2 黑體熱輻射的基本定律,8.2.1 斯忒藩-玻耳茲曼定律,關于熱輻射： 物體表面向空間發(fā)射、吸收輻射能半球空間； 物體熱輻射各種波長的輻射能，但強度不同。,輻射力 ： 單位時間、單位面積上輻射的總能量。 注意：包括全部波長、半球空間所有方向。,黑體輻射力：,黑體輻射系數：,8.2.2

4、普朗克定律,1.光譜輻射力 ：,單位時間，單位表面積， 包含 的單位波長范圍的輻射能。,表明波長 的電磁波的輻射能力。,2.普朗克定律：由量子理論推得,黑體光譜輻射力,第一輻射常量,第二輻射常量,維恩位移定律： 黑體的光譜輻射力存在峰值, 最大光譜輻射力的波長； 溫度升高， 向短波移動。 （一般物體類似）,3.普朗克定律與 斯忒藩-玻耳茲曼定律的關系,4. 黑體輻射能按波段的分布, 在 波長范圍內輻射能：, 黑體輻射函數：,即：在 內的輻射能所占的百分比。, 在 波長范圍內輻射能：,8.2.3 蘭貝特定律,1. 立體角 ：,電磁波沿直線傳播， 在同一錐體內，不同面積上的輻射能相同。,單位：空間

5、度, 是垂直 的面積； 半球空間 。,在球坐標系中：,緯度角,經度角,2. 定向輻射強度,可見輻射面積：對輻射面積 ， 法線方向可見輻射面積最大 方向可見輻射面積,定向輻射強度 ：（表示某一方向輻射強度） 在某一方向上，單位時間內， 單位可見輻射面積上輻射出去的， 落在單位立體角內的輻射能。,在與輻射面法向成 角的方向上：,單位：,3. 蘭貝特定律（余弦定律）,實驗測定表明：黑體的定向輻射強度是個常量。,余弦定律：,即：從單位輻射面積上發(fā)出的輻射能， 在空間各個方向上是不同的。,4. 蘭貝特定律與斯忒藩-玻耳茲曼定律間的關系,對半球空間，黑體輻射力：,（單位時間，單位面積輻射能）,P363例題

6、8-3 試分別計算溫度為1000K、1400K、3000K、6000K、時可見光和紅外線輻射在黑體總輻射中所占的份額。,解：以 時，黑體輻射可見光為例：,可見光波長范圍,P364例題8-4 如圖所示，有一個微元黑體面積dAb=10-3m2，與該黑體表面相距 0.5m 處另有三個微元面積dA1、dA2、dA3，面積均為10-3m2，該三個微元面積的空間方位如圖中所示。試計算從dAb發(fā)出分別落在dA1、dA2與dA3對dAb所張的立體角中的輻射能量。,解： 立體角：, 輻射能：,8.3 固體和液體的輻射特性,8.3.1 實際物體的輻射力,固體與液體熱輻射特性相似，與氣體輻射相差很大。,實際物體的輻

7、射力 與同溫度下的黑體不同。 定義，發(fā)射率（黑度）：,注意： 表明物體的輻射特性，與環(huán)境無關。,實際物體：,8.3.2 實際物體的光譜輻射力,實驗發(fā)現：實際物體的光譜輻射力 與黑體不同， 但總的變化趨勢定性關系基本一致。,定義，光譜發(fā)射率（單色黑度）：,光譜發(fā)射率與發(fā)射率關系：,注意：實驗發(fā)現 與溫度有關。,8.3.3 實際物體的定向輻射強度,實際物體的定向輻射強度 ，在不同方向發(fā)生變化。,定義，定向發(fā)射率（定向黑度） ：,與輻射面法線的夾角,1. 定向發(fā)射率隨 角的變化規(guī)律, 黑體： 定向輻射強度為常量，, 漫射體： 定向輻射強度為常量，,， 開始增大, 金屬導體：理論分析與實驗基本一致（極

8、坐標）,，,，,， 開始減小,，,，, 非導電體：,1-潮濕的冰 2-木材 3-玻璃 4-紙 5-粘土 6-氧化銅 7-氧化鋁,定向輻射強度 ： 指從單位可見面積發(fā)射出去的， 落在空間任意方向的單位立體角中的能量。,2. 定向發(fā)射率 與半球平均發(fā)射率 間的關系,說明： 理論和實驗表明： 在大半個半球空間基本為常量,， 修正系數, 實驗測定： 金屬 （高度磨光取上限） 非金屬 （粗糙表面取上限）,工程計算中： ，,因此：工程中一般給出法向發(fā)射率，并看成是漫射體。,3. 影響物體發(fā)射率的因素, 物質種類； 表面溫度； 表面狀況,P370例題8-6 實驗測得2500K鎢絲的法向一單色發(fā)射率如圖所示，

9、試計算其輻射力及發(fā)光效率。,解： 發(fā)射率：,P360表8-1, 可見光范圍,由圖得發(fā)射率,8.4 實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系,8.4.1 實際物體的吸收比,黑體： ， ， ；,實際物體： ， ，,投入輻射 ：單位時間，外界投入到物體上單位面積的輻射能。,吸收比 ：物體對投入輻射所吸收的百分比。,取決于兩因素： 吸收物體的特性：種類、表面溫度、表面狀況； 投入輻射的特性：波長范圍、能量分布。,1. 光譜吸收比,實驗表面：實際物體對不同波長的輻射能，其吸收不同。 指對所有波長的輻射能吸收的平均值。,光譜吸收比 ：物體吸收某一特定波長輻射能的百分比。,非導體的光譜吸收比： 波長小于 時，光譜

10、吸收比小于 ； 波長大于 時，光譜吸收比高達 。,2. 實際物體的吸收具有選擇性,選擇性吸收：指物體的光譜吸收比隨波長變化。,實際當中，大量存在： 溫室效應 溫室玻璃對太陽輻射 穿透比高，輻射能進入溫室； 玻璃對室內紅外輻射 穿透比低，阻止熱量散失。, 物體顏色 太陽光照射到物體上時，吸收不同，顏色不同： 全部吸收黑色；全部反射白色； 均勻吸收并反射灰色；只反射一種波長單色。,3. 實際物體吸收的選擇性對輻射傳熱計算所造成的困難, 表面 1 吸收表面 2 的輻射,表面 2 輻射：,表面 1 吸收：, 表面 1 吸收黑體的輻射,簡化：實際中測物體 對黑體的吸收比。,8.4.2 灰體的概念及其工程

11、應用,為簡化吸收的計算，提出灰體的概念。,灰體：光譜吸收比與波長無關，即,注意： 灰體的吸收與輻射物體無關，只與自身性質有關； 工業(yè)上熱輻射物體 ，可當作灰體處理。,8.4.3 吸收比與發(fā)射率的關系基爾霍夫定律,1. 實際物體吸收比和發(fā)射率間的關系,設：表面 1 為黑體，輻射力 ，吸收比 表面 2 為實物，輻射力 ，吸收比,對實際物體 2 ： 輻射熱量 熱平衡時 ，,注意： 是與黑體的吸收比。,條件：熱平衡；黑體投入輻射。,定律表明：物體輻射能力大，其吸收能力也強。例如黑體。,2. 漫射灰體吸收比和發(fā)射率間的關系,漫射灰體（漫灰表面）：,漫射體： ，輻射與空間方向 無關。,灰體： ，吸收與投入輻射無關。,因此：漫灰表面的輻射與吸收，與外界環(huán)境無關，與自身有關。, 漫灰表面與黑體，達到熱平衡：, 漫灰表面與實際物體，無熱平衡：（環(huán)境變化，自身不變）,即：漫灰表面一定有 。例如工程中的輻射傳熱。,P378例題8-7 一火床爐的爐墻