第8章 熱輻射備份

1、2022-5-1841-12022-5-1841-22022-5-1841-3主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)：，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2022-5-1841-4電磁輻射包含了多種形式，工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射電磁輻射包含了多種形式，工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為區(qū)域一般為0.1100 m。電磁波的傳播速度：電磁波的傳播速度： c = f c =3108m/s; f -頻率，頻率，s-1; -波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，m，常用，常用 m2022-5-1841-5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，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)

2、象，即吸收、反射和穿透。即吸收、反射和穿透。11QQQQQQQQQQ吸收比吸收比反射比反射比投射比投射比2022-5-1841-6反射分鏡反射和漫反射兩種反射分鏡反射和漫反射兩種1, 0通常，固體及液體通常，固體及液體: :1,0通常通常, , 氣體氣體: :1的物體稱的物體稱透明體透明體1的物體稱為的物體稱為黑體黑體1的物體稱的物體稱鏡體鏡體（漫反射時(shí)稱（漫反射時(shí)稱白體白體）固體表面的兩種反射固體表面的兩種反射2022-5-1841-7 黑體黑體：是指能吸收投入到：是指能吸收投入到其表面上的所有熱輻射能的其表面上的所有熱輻射能的物體。是一種科學(xué)假想的物物體。是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是

3、不存在的。體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的但卻可以人工制造出近似的人工黑體。人工黑體。人工黑體空腔內(nèi)壁面溫度須維持均勻人工黑體空腔內(nèi)壁面溫度須維持均勻人工黑體空腔內(nèi)壁面人工黑體空腔內(nèi)壁面即為即為的輻射，的輻射，自身輻射與反射輻射之和自身輻射與反射輻射之和2022-5-1841-82022-5-1841-9：發(fā)射體：發(fā)射體內(nèi)內(nèi)向向所所發(fā)射的發(fā)射的能量能量2mWE表示，單位是用符號(hào)輻射力從輻射力從總體上總體上表征物體發(fā)射輻射能能力表征物體發(fā)射輻射能能力：發(fā)射體：發(fā)射體內(nèi)內(nèi)向向所發(fā)射的所發(fā)射的包含某給定波長(zhǎng)包含某給定波長(zhǎng))的能量的能量某波長(zhǎng)某波長(zhǎng)的輻射能力稱為的輻射能力稱為光譜輻射

4、力光譜輻射力3mWE 表示，單位是用符號(hào)0dEE黑體一般采用下標(biāo)黑體一般采用下標(biāo)b表示，如黑體的表示，如黑體的輻射力輻射力為為Eb，黑體的黑體的光譜輻射力光譜輻射力為為Eb2022-5-1841-10 1)(512TcbecE-波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，m ； T -黑體溫度，黑體溫度，K ；c1-第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，3.74210-16 W m2；c2 - 第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.438810-2 W K (1)普朗克（普朗克（Planck）定律：）定律：( (黑體輻射的第一個(gè)基本定律黑體輻射的第一個(gè)基本定律) )KmTm3108976. 2Planck 定律的圖示定律的圖示m與與 T 的

5、 關(guān) 系 由 維 恩的 關(guān) 系 由 維 恩（Wien）位移定律給出：）位移定律給出：2022-5-1841-11( (黑體輻射的第二個(gè)基本定律黑體輻射的第二個(gè)基本定律) )40)(51012TdecdEETcbb= 5.6710-8 w/(m2 K4)，是，是Stefan-Boltzmann常數(shù)常數(shù)，也，也稱稱黑體輻射常數(shù)黑體輻射常數(shù)。C0=5.67 W/m2K4為為黑體輻射系數(shù)黑體輻射系數(shù)40100TCEb為計(jì)算高溫輻射方便，上式可改寫為：為計(jì)算高溫輻射方便，上式可改寫為：2022-5-1841-12黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù)：自：自0至波長(zhǎng)至波長(zhǎng)間黑體輻射占同溫度黑間黑體輻射占同溫度黑體輻射

6、力的百分?jǐn)?shù)，記為體輻射力的百分?jǐn)?shù)，記為f(T)TbbbTdTETdEFTf0540)0()()(黑體在波長(zhǎng)黑體在波長(zhǎng)1和和2區(qū)段內(nèi)所區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力：發(fā)射的輻射力：2121()bbEEd2022-5-1841-13)()(1112)0()0(00440)(1212212121TfTfFFdEdETdETdEdEFbbbbbbbb黑體輻射函數(shù)表見(jiàn)黑體輻射函數(shù)表見(jiàn)p360某波段區(qū)間黑體輻射能占同溫度黑體輻射力的百分?jǐn)?shù)為：某波段區(qū)間黑體輻射能占同溫度黑體輻射力的百分?jǐn)?shù)為：給定波段區(qū)間內(nèi)，單位時(shí)間黑體單位面積所輻射能量：給定波段區(qū)間內(nèi)，單位時(shí)間黑體單位面積所輻射能量：bbbEFE)()(21212

7、022-5-1841-14定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：?jiǎn)挝唬簊r(球面度球面度)，ddsindsinrddd22rrrAc(3) 蘭貝特（蘭貝特（Lambert） 定律定律 (黑體輻射的第黑體輻射的第 三個(gè)基本定律三個(gè)基本定律)2022-5-1841-15定義定義：內(nèi)，物體在內(nèi)，物體在（垂直發(fā)射垂直發(fā)射方向的單位面積）方向的單位面積）上，在上，在發(fā)射的發(fā)射的（一切（一切波長(zhǎng)的能量）波長(zhǎng)的能量）。 d ( )( )d cosdIA( )constantII2022-5-1841-16蘭貝特（蘭貝特（Lambert） 定律定律 (余弦定

8、律余弦定律)d( )cosddIA上式說(shuō)明黑體的上式說(shuō)明黑體的隨天頂角隨天頂角 呈余弦規(guī)律變化，因此，呈余弦規(guī)律變化，因此， 蘭貝特定律也稱為蘭貝特定律也稱為余弦定律余弦定律。Lambert定律圖示定律圖示d ( )d cosdIA2022-5-1841-17上式兩端乘上式兩端乘d，然后在半球空間積分，可得輻，然后在半球空間積分，可得輻射力射力E:上式表明遵守蘭貝特定律的輻射，其半球輻射力數(shù)上式表明遵守蘭貝特定律的輻射，其半球輻射力數(shù)值上等于定向輻射強(qiáng)度的值上等于定向輻射強(qiáng)度的倍倍d ( )cosd dIA22d ( )cosdbEIdAddsind22200cos sinsincosbEId

9、 dId dI 2022-5-1841-18小結(jié)小結(jié)1.黑體輻射力由斯忒藩黑體輻射力由斯忒藩-玻耳茲曼定律確定，輻射力玻耳茲曼定律確定，輻射力與熱力學(xué)溫度四次方成正比與熱力學(xué)溫度四次方成正比;2.黑體輻射能量按波長(zhǎng)分布服從普朗克定律黑體輻射能量按波長(zhǎng)分布服從普朗克定律;3.黑體輻射能量按空間分布服從蘭貝特定律黑體輻射能量按空間分布服從蘭貝特定律;4. 黑體單色輻射輻射力存在峰值，峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)黑體單色輻射輻射力存在峰值，峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)m由由維恩位移定律確定，隨溫度升高，維恩位移定律確定，隨溫度升高，m逐漸減小。逐漸減小。P362P362例題例題2022-5-1841-192022-5-1841

10、-20bEE； 發(fā)射率發(fā)射率 (也稱黑度也稱黑度) ：相同溫度下，實(shí)際物體的輻射：相同溫度下，實(shí)際物體的輻射力與黑體輻射力之比力與黑體輻射力之比:4TEEb2022-5-1841-21bEE)( 相同溫度下，實(shí)際物體相同溫度下，實(shí)際物體的光譜輻射力的光譜輻射力E與黑體與黑體的光譜輻射力的光譜輻射力Eb之比之比:0044()bbE dEdEETT 實(shí)際物體的實(shí)際物體的發(fā)射率發(fā)射率 與光譜發(fā)射率關(guān)系與光譜發(fā)射率關(guān)系:2022-5-1841-22 實(shí)際物體輻射并不完全符合蘭貝特定律。實(shí)際物體輻射并不完全符合蘭貝特定律。 相同溫度下，實(shí)際物體在與輻射面成相同溫度下，實(shí)際物體在與輻射面成角的方向上的定角

11、的方向上的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比:( )( )( )( )bbIIII 注：黑體定向輻射強(qiáng)度與注：黑體定向輻射強(qiáng)度與無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。2022-5-1841-23特點(diǎn)特點(diǎn)：自：自0開始，一定角度內(nèi)定向發(fā)射率幾乎不變；開始，一定角度內(nèi)定向發(fā)射率幾乎不變；隨后隨隨后隨 增加而急劇增大。而在增加而急劇增大。而在90的極小范圍內(nèi)又減的極小范圍內(nèi)又減?。ㄎ礃?biāo)出）小（未標(biāo)出）()() ( ) (t=150)2022-5-1841-243）非導(dǎo)電體材料定向發(fā)射率）非導(dǎo)電體材料定向發(fā)射率 ( ) (t=093.3)0 60：定向發(fā)射率：定向發(fā)射率 ( )逐漸減小，逐漸

12、減小，90時(shí)為時(shí)為0特點(diǎn)：特點(diǎn)：2022-5-1841-25漫發(fā)射漫發(fā)射：服從蘭貝特定律定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)：服從蘭貝特定律定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，即表面的關(guān)，即表面的。滿足上述規(guī)律的表面稱為滿足上述規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面漫發(fā)射面。大多數(shù)實(shí)際表。大多數(shù)實(shí)際表面可近似認(rèn)為漫發(fā)射面。面可近似認(rèn)為漫發(fā)射面。實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)驗(yàn)表明：高度光滑金屬表面為高度光滑金屬表面為1.2； 其它光滑表面約其它光滑表面約0.95；粗；粗糙表面約糙表面約0.98如果不考慮定向輻射強(qiáng)度的細(xì)節(jié)，大多數(shù)實(shí)際表面可如果不考慮定向輻射強(qiáng)度的細(xì)節(jié)，大多數(shù)實(shí)際表面可近似認(rèn)為服從蘭貝特定律。近似認(rèn)為服從蘭貝特定律。金屬發(fā)射率與表面狀況密切

13、相關(guān)；金屬發(fā)射率與表面狀況密切相關(guān)；非金屬非金屬 發(fā)射率與表面狀況關(guān)系不大發(fā)射率與表面狀況關(guān)系不大2022-5-1841-26本節(jié)中，有幾點(diǎn)需要注意本節(jié)中，有幾點(diǎn)需要注意1. 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)；2. 服從服從Lambert定律的表面為漫射表面。實(shí)際物體的定向定律的表面為漫射表面。實(shí)際物體的定向發(fā)射率并不完全符合發(fā)射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地認(rèn)為定律，但仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從大多數(shù)工程材料服從Lambert定律；定

14、律；3. 物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。這說(shuō)明況。這說(shuō)明，而不，而不涉及外界條件。涉及外界條件。(是物性參數(shù)是物性參數(shù)）作業(yè)：作業(yè)：3，10，11P370 例題例題2022-5-1841-272022-5-1841-28 上一節(jié)簡(jiǎn)單介紹了實(shí)際物體的發(fā)射情況，那上一節(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)投入輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對(duì)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。其作出解答。Semi-transparent medium2

15、022-5-1841-29投入輻射投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)自外界投射到物體單位表面：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)自外界投射到物體單位表面積上的輻射能積上的輻射能 )(投入輻射投入的能量吸收的能量一、實(shí)際物體的吸收比一、實(shí)際物體的吸收比吸收比吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的份額。通常：物體對(duì)投入輻射所吸收的份額。通常用用 表示表示，即，即1. 光譜吸收比（光譜吸收比（也叫也叫單色吸收比單色吸收比）：物體對(duì)某一特定：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的份額。波長(zhǎng)的輻射能所吸收的份額。能量投入的某一特定波長(zhǎng)的吸收的某一特定波長(zhǎng)的 能量),(1T2022-5-1841-30 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

16、收比同波長(zhǎng)的關(guān)系() 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。吸收的特性。2022-5-1841-31非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長(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()2022-5-1841-322.實(shí)際物體的吸收具有選擇性實(shí)際物體的吸收具有選擇性選擇性吸收選擇性吸收：實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收能力根據(jù)：實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收能力根據(jù)投入輻射波長(zhǎng)的不同而不同投入輻射波長(zhǎng)的不同而不同溫室溫室：花房、塑料大棚、玻璃窗等：花房、塑料大棚、玻璃窗等（溫室效應(yīng)）（溫室效應(yīng)）著裝著裝：夏淺冬深：夏淺冬深太陽(yáng)能集熱器太陽(yáng)能集熱器：選擇性涂

17、層：選擇性涂層軍事軍事：武器涂層：武器涂層2022-5-1841-33物體的物體的吸收比吸收比除除與自身表面性質(zhì)與自身表面性質(zhì)和和溫度溫度有關(guān)外，還與有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布有關(guān)。物體有關(guān)。物體1為研究對(duì)象、為研究對(duì)象、物體物體2產(chǎn)生投入輻射，則物體產(chǎn)生投入輻射，則物體1的吸收比為的吸收比為:1122201222012( ,)( ,)()d( ,)()d( ,12)bbTT ETT ETf T T 吸收的總能量投入的總能量表面 的性質(zhì)， 表面 的性質(zhì)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，則上式可變?yōu)樽優(yōu)?1),(2Tb112211

18、2001220011204212( , )( ,)( )d( , )( )d( )d( )d( , )( )d( , 1 )bbbbbbTT ETT ETETETT ETTf T T 表面 的性質(zhì)吸收比不是吸收比不是物性參數(shù)物性參數(shù)2022-5-1841-342022-5-1841-35 物體的選擇性吸收特性給工程中輻射換熱的計(jì)算帶物體的選擇性吸收特性給工程中輻射換熱的計(jì)算帶來(lái)巨大麻煩，對(duì)此，引入一種來(lái)巨大麻煩，對(duì)此，引入一種理想物體灰體理想物體灰體: ，光譜吸收比光譜吸收比， 即即 = ( ) = const。 對(duì)于大部分工程問(wèn)題所涉及的波長(zhǎng)范圍來(lái)講，灰對(duì)于大部分工程問(wèn)題所涉及的波長(zhǎng)范圍來(lái)講

19、，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.在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們?cè)趯W(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)系來(lái)看一下二者之間具有什么樣的聯(lián)系。二、灰體概念及其工程應(yīng)用二、灰體概念及其工程應(yīng)用2022-5-1841-36bbEEEE三、吸收比與發(fā)射率的關(guān)系三、吸收比與發(fā)射率的關(guān)系-基爾霍夫基爾霍夫(Kirchhoff)定律定律兩塊相距很近的平行（或無(wú)限大）平板，板兩塊相距很近的平行（或無(wú)限大）平板，板1是黑體，是黑體，板板2是任意物體，參數(shù)分別為是任意物體，參數(shù)分別為Eb, T1 以及以及E, , T2，則，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱

20、平衡時(shí)當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)(T1=T2)，有：，有： 此即此即Kirchhoff 定律表達(dá)式之一。該式定律表達(dá)式之一。該式說(shuō)明：在說(shuō)明：在下，任何物體的輻下，任何物體的輻射與它對(duì)來(lái)自黑體輻射的吸收比的比值，射與它對(duì)來(lái)自黑體輻射的吸收比的比值，等于等于黑體的輻射力黑體的輻射力板板2吸收的輻射能與發(fā)射的輻射能相等，即吸收的輻射能與發(fā)射的輻射能相等，即2022-5-1841-37注意：注意：為了將為了將Kirchhoff 定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們推導(dǎo)了多種適用條件，形成了該定律不同層次上推導(dǎo)了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達(dá)式。的表達(dá)式。bbEEEE1）整個(gè)系

21、統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)）整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)2) 投射輻射源必須是投射輻射源必須是同溫度同溫度下的下的黑體黑體。Kirchhoff 定律另一種表達(dá)式。該式說(shuō)明：在定律另一種表達(dá)式。該式說(shuō)明：在下，任何物體的輻射對(duì)來(lái)自黑體的投入輻射的吸收下，任何物體的輻射對(duì)來(lái)自黑體的投入輻射的吸收比，等于比，等于該物體的發(fā)射率。該物體的發(fā)射率。2022-5-1841-38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，半球全波段，半球全波段，半球無(wú)條件，無(wú)條件， 為緯度角（天頂角）為緯度角（天頂角）漫射表面漫射表面與黑體處于熱平衡與黑體處于熱平衡或漫灰表面或漫灰表面),(),(TT),(),(TT)()(TT不同條件下基爾霍夫定律表達(dá)式不同條件下基爾霍夫定律表達(dá)式, p377表表8-3注：注：1) 漫射表面漫射表面：指發(fā)射或反射的：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空定向輻射強(qiáng)度與空間方向無(wú)關(guān)間方向無(wú)關(guān)，即符合，即符合Lambert定律的物體表面；定律的物體表面；2) 灰體灰體：指：指光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體，其吸收輻的物體，其吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個(gè)相同射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個(gè)相同的比例。的比例。2022-5-1841-39漫射表面發(fā)射定向輻射強(qiáng)度與空間方向無(wú)關(guān)，即漫射表面發(fā)射定向輻射強(qiáng)