傳熱學(xué)第九章輻射基本定律課件

1人與墻壁間主要傳熱方式是輻射1人與墻壁間主要傳熱方式是輻射2保溫瓶夾層中主要依靠輻射傳熱2保溫瓶夾層中主要依靠輻射傳熱3傳統(tǒng)工業(yè)中的輻射換熱問題3傳統(tǒng)工業(yè)中的輻射換熱問題4太陽能熱水器是典型的利用輻射換熱原理4太陽能熱水器是典型的利用輻射換熱原理5輻射通過低溫區(qū)向人體傳熱5輻射通過低溫區(qū)向人體傳熱6第九章熱輻射基本定律及物體的輻射特性1、熱輻射的基本概念2、黑體輻射3、實(shí)際物體和灰體的輻射

6第九章熱輻射基本定律及物體的輻射特性1、熱輻射的基本概念71、熱輻射基本概念1)熱輻射的物理本質(zhì)輻射:物體通過電磁波傳遞能量的現(xiàn)象

熱輻射:由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射（改變物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)換為電磁波的能量發(fā)送出去的過程） 不同溫度 不同波長(zhǎng)t>0K內(nèi) 輻射能——輻射特性 不同方向的物體能 輻射能——吸收特性——不同波長(zhǎng)輻射和吸收的總效果——輻射換熱71、熱輻射基本概念8熱輻射傳播速度c、波長(zhǎng)λ和頻率f之間的關(guān)系c=f·λ0.10.380.76420100μm

紫外

可見

紅外

近遠(yuǎn)

工程材料輻射(T<2000K)

熱輻射的主要波譜:8熱輻射傳播速度c、波長(zhǎng)λ和頻率f之間的關(guān)系c=f·λ0.9熱輻射到達(dá)物體表面后的傳播途徑如圖：根據(jù)熱平衡原理，投入輻射等于反射輻射、吸收輻射和穿透輻射之和。吸收比α=1→絕對(duì)黑體（黑體）反射比ρ=1→鏡體（對(duì)于漫反射稱為白體）穿透比τ=1→絕對(duì)透明體（透明體）2）吸收比、反射比和穿透比輻射示意9熱輻射到達(dá)物體表面后的傳播途徑如圖：根據(jù)熱平衡原理，投入輻102、黑體輻射黑體的基本概念輻射力和光譜輻射力

普朗克定律維恩位移定律斯蒂芬-波爾茲曼定律黑體輻射函數(shù)

蘭貝特定律小結(jié)102、黑體輻射黑體的基本概念11黑體模型：圖示窗口是黑體模型的一個(gè)實(shí)例小孔模型11黑體模型：圖示窗口是黑體模型的一個(gè)實(shí)例小孔模型12輻射力:單位時(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能總量，記為：E。光譜輻射力:單位時(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的某一波長(zhǎng)的輻射能，記為：Eλ。顯然12輻射力:單位時(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的13式中：λ——波長(zhǎng)，m；T——黑體的絕對(duì)溫度，K；C1——第一輻射常量，3.7419×10-16W·m2C2——第二輻射常量，1.4388×10-2m·K

普朗克定律（黑體的光譜輻射力）:

13式中：λ——波長(zhǎng)，m；普朗克定律（黑體的光譜輻射力）:14維恩位移定律：由普朗克定律，令：其中：為某一溫度下最大光譜輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)光譜輻射力的峰值點(diǎn)隨溫度的升高向短波區(qū)移動(dòng)。14維恩位移定律：由普朗克定律，令：其中：為某一溫度下最15黑體輻射力：

式中：σ——黑體輻射常數(shù)，5.67×10-8W/(m2K4);CO——黑體輻射系數(shù)，5.67W/(m2K4)斯蒂芬-波爾茲曼定律（四次方定律)：有時(shí)需要計(jì)算某一波段的輻射能，如太陽輻射中可見光的份額。為了方便計(jì)算，引出黑體輻射函數(shù)。

15黑體輻射力：式中：σ——黑體輻射常數(shù)，5.67×10-16

某一波段內(nèi)的輻射能

黑體輻射函數(shù)：黑體在0~λ波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)出的輻射能在其輻射力中所占的份額。

其值可查教材表8-1（P360）黑體輻射函數(shù)動(dòng)畫1617a.為了描述輻射能的空間分布特性，引入立體角。蘭貝特定律（能量的空間分布——方向函數(shù)）立體角：

球面度式中：A——球面面積；r——球面半徑。

式中：θ——天頂角；φ——平面方位角。微元立體角

立體角動(dòng)畫17a.為了描述輻射能的空間分布特性，引入立體角。蘭貝特定律18b.定向輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位可見輻射面積在某一方向的單位立體角內(nèi)所發(fā)出的輻射能，稱為該方向的輻射強(qiáng)度，記為L(zhǎng)（θ）。可見輻射面積:指在接受輻射方向所能看到的輻射表面積，如圖可見輻射面積動(dòng)畫18b.定向輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位可見輻射面積在某一方向的19c.蘭貝特定律（余弦定律）：

黑體表面具有漫輻射（均勻輻射）的性質(zhì)，在半球空間各個(gè)方向上的定向輻射強(qiáng)度相等。d.定向輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位輻射面積，在某一方向P的單位立體角內(nèi)輻射的能量，稱為該方向的定向輻射力，記為E（θ）。對(duì)服從蘭貝特定律的輻射：

上式表明：?jiǎn)挝惠椛涿嫔习l(fā)出的輻射能落到空間不同方向單位立體角內(nèi)的能量是不等的，其值正比于該方向與輻射面法線夾角的余弦.19c.蘭貝特定律（余弦定律）：黑體表面具有漫輻射（均勻輻20輻射力與定向輻射強(qiáng)度的關(guān)系：

20輻射力與定向輻射強(qiáng)度的關(guān)系：21

黑體輻射規(guī)律的小結(jié)：

黑體輻射的輻射力由斯蒂芬-波爾茲曼定律確定，輻射力正比于熱力學(xué)溫度的四次方；黑體輻射能量按波長(zhǎng)的分布服從普朗克定律，而按空間的分布服從蘭貝特定律；黑體的單色輻射力有個(gè)峰值，與此峰值相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)由維恩位移定律確定，即隨著溫度的升高，向短波方向移動(dòng)。21黑體輻射規(guī)律的小結(jié)：黑體輻射的輻射力由223、實(shí)際物體和灰體的輻射發(fā)射熱輻射的性質(zhì)

吸收熱輻射的性質(zhì)

灰體

基爾霍夫定律

223、實(shí)際物體和灰體的輻射發(fā)射熱輻射的性質(zhì)23

黑體輻射特性：

溫度：E（T）~T4（S-B定律）

波長(zhǎng)：E（λ）

（Planck定律）

方向：E（θ）=Lcosθ（Lambert定律）

對(duì)于非黑體，其輻射特性要作適當(dāng)修正。

1)發(fā)射熱輻射的性質(zhì)23黑體輻射特性：溫度：E（T）~T4（S-B定律24黑度：對(duì)于實(shí)際物體來說，黑度仍是溫度的函數(shù)，即實(shí)際物體的輻射力不滿足四次方關(guān)系。實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值稱為實(shí)際物體的黑度，又稱發(fā)射率，記為ε。

24黑度：對(duì)于實(shí)際物體來說，黑度仍是溫度的函數(shù)，即實(shí)際物體的25光譜黑度：

ελ=Eλ/Ebλ，為實(shí)際物體的光譜輻射力與同溫度同波長(zhǎng)下黑體的光譜輻射力的比值，稱為實(shí)際物體的光譜黑度，又叫光譜發(fā)射率。它是溫度與波長(zhǎng)的函數(shù)。

25光譜黑度：ελ=Eλ/Ebλ，為實(shí)際物體的光譜輻射力與26定向黑度：

實(shí)際物體在半球空間的輻射強(qiáng)度不服從蘭貝特定律。定向黑度：在某一方向上實(shí)際物體的輻射強(qiáng)度與同溫度下黑體的輻射強(qiáng)度之比。

26定向黑度：實(shí)際物體在半球空間的輻射強(qiáng)度不服27物體的黑度：ε=f（物質(zhì)種類，表面溫度，表面狀況）在與壁面法向成角的范圍內(nèi)，大多數(shù)金屬和非金屬的定向發(fā)射率均為常數(shù)，而表面的輻射能量絕大部分亦位于這一區(qū)域、因此，可以將工程中的大多數(shù)材料看成是黑度與方向無關(guān)的漫射體，近似認(rèn)為其也服從蘭貝特定律。近似處理：一般金屬和非金屬表面可作漫射表面處理兩種簡(jiǎn)化處理方法：漫射表面—與方向無關(guān)

灰體表面—與波長(zhǎng)無關(guān)27物體的黑度：ε=f（物質(zhì)種類，表面溫度，表面狀況）在與壁282)吸收熱輻射的性質(zhì)投入輻射與吸收輻射的關(guān)系282)吸收熱輻射的性質(zhì)投入輻射與吸收輻射的關(guān)系29光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)投入輻射能的吸收 份額。吸收比：物體對(duì)投入輻射在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收份額α=f（自身表面性質(zhì)與溫度T1，輻射源性質(zhì)與溫度T2）若投入輻射來自黑體，則吸收比為：29光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)投入輻射能的吸收 份額。α30對(duì)來自黑體輻射的吸收比：

導(dǎo)體的α（T2）為增函數(shù)，非導(dǎo)體的α（T2）為降函數(shù)。原因：黑體輻射：T2↑→λmax↓(溫度越高，短波份額越大)導(dǎo)電體吸收比：λ↓→αλ↑→α↑(善于吸收短波輻射)非導(dǎo)體吸收比：λ↓→αλ↓→α↓(善于吸收長(zhǎng)波輻射)30對(duì)來自黑體輻射的吸收比：導(dǎo)體的α（T2）為增函數(shù)，非導(dǎo)31當(dāng)T2很高時(shí)，白色非金屬表面吸收比可能低于金屬表面吸收比。原因：T2↑→可見光↑→白色表面α可見↓→α↓物體表面顏色僅對(duì)可見光的吸收比有較大影響如：α白漆，陽光=0.12α白漆,紅外≈0.9α黑漆,陽光=0.96α黑漆,紅外≈0.9金屬表面吸收比小，非金屬及金屬氧化物表面吸收比大。3）灰體:單色吸收比與波長(zhǎng)無關(guān)的物體。αλ=α=常數(shù)，是一個(gè)理想化的假設(shè)，可以簡(jiǎn)化計(jì)算，一般材料在工程常見溫度范圍內(nèi)可以當(dāng)作灰體。

31當(dāng)T2很高時(shí)，白色非金屬表面吸收比可能低于金屬表面吸收比32如圖：板1為黑體，板2為實(shí)際物體，兩板間的輻射換熱熱流密度為：

當(dāng)T1=T2時(shí)，q=0在熱平衡條件下，任何物體的輻射力與它對(duì)來自黑體輻射的吸收比之比，恒等于同溫度下黑體的輻射力。（只與溫度有關(guān)，與物體本身性質(zhì)無關(guān)）4）基爾霍夫定律：聯(lián)系實(shí)際物體發(fā)射特性與吸收特性的紐帶與橋梁32如圖：板1為黑體，板2為實(shí)際物體，兩板間的輻射換熱熱流33推論：同溫度下，善于輻射的物體必善于吸收。實(shí)際物體α<1，同溫度下黑體輻射力最大。由黑度定義：——在與黑體處于熱平衡的條件下，任何物體對(duì)來自黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的黑度。對(duì)于光譜輻射：αλ（T）=ελ（T）對(duì)于灰體：吸收比與外界條件無關(guān)，無論投入輻射是否來自黑體，無論是否處于熱平衡，只與自身溫度有關(guān)。所以灰體的吸收比恒等于同溫度下本身的黑度。（一般工程材料在紅外線范圍內(nèi)可近似按灰體處理）

33推論：由黑度定義：——在與黑體處于熱平衡的條件下，任34海水的顏色為什么總是藍(lán)色的？

答：由海水的非灰性質(zhì)引起的，海水對(duì)不同波長(zhǎng)的可見光的吸收不同，對(duì)藍(lán)色光附近的射線吸收少，反射多，所以海水呈現(xiàn)藍(lán)色。34海水的顏色為什么總是藍(lán)色的？

答：由海水的非灰性質(zhì)引起的35概念匯總:1.黑體：吸收比為1的物體，同溫度下輻射力最大。

2.輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能.3.光譜輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的某一波長(zhǎng)的輻射能。4.普朗克定律：

5.維恩位移定律：

6.斯蒂芬——波爾茲曼定律：

35概念匯總:1.黑體：吸收比為1的物體，同溫度下輻射力最大367.蘭貝特定律：具有漫輻射特性的表面，其定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)。服從蘭貝特定律的輻射，在半球空間不同方向的單位立體角內(nèi)的輻射能數(shù)值不等，其值正比于該方向與輻射面法線方向夾角的余弦，所以蘭貝特定律又叫余弦定律。8.定向輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位可見輻射面積在某一方向上的單位立體角內(nèi)的輻射能稱為該方向的定向輻射強(qiáng)度。9.定向輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位輻射面積在某一方向P的單位立體角內(nèi)的輻射能稱為該方向的定向輻射力。10.對(duì)服從蘭貝特定律的輻射，367.蘭貝特定律：具有漫輻射特性的表面，其定向輻射強(qiáng)度與方3712.光譜黑度：實(shí)際物體的光譜輻射力與同溫度及波長(zhǎng)下黑體的光譜輻射力之比，記為：13.定向黑度：在某一方向?qū)嶋H物體的定向輻射強(qiáng)度與同溫度下黑體的定向輻射強(qiáng)度之比。15.吸收比：物體對(duì)投入輻射的吸收份額，它不僅與自身的表面性質(zhì)與溫度有關(guān)，還與輻射源的性質(zhì)與溫度有關(guān)。14.光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)輻射能的吸收份額，記為：αλ11.黑度：實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值稱為實(shí)際物體的黑度（發(fā)射率），記為：

3712.光譜黑度：實(shí)際物體的光譜輻射力與同溫度及波長(zhǎng)下黑體3818.基爾霍夫定律：在熱平衡條件下，任何物體的輻射力與它對(duì)來自黑體輻射的吸收比之比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力。因此，在與黑體處于熱平衡的條件下，任何物體對(duì)來自黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的黑度。19.對(duì)于灰體，灰體吸收率與外界條件無關(guān)，只與自身溫度有關(guān)。20.一般工程材料在紅外線范圍內(nèi)可近似按灰體處理。

16.物體的顏色僅對(duì)可見光的吸收比有較大影響17.灰體：光譜吸收比與波長(zhǎng)無關(guān)的物體。

3818.基爾霍夫定律：在熱平衡條件下，任何物體的輻射力與它39思考題分析:1.什么叫黑體？在熱輻射理論中為什么要引入這一概念？答：吸收比α=1的物體叫做黑體，黑體是一個(gè)理想化的物體，黑體輻射的特性反映了物體輻射在波長(zhǎng)、溫度和方向上的變化規(guī)律，這為研究實(shí)際物體的輻射提供了理論依據(jù)和簡(jiǎn)化分析基礎(chǔ)。2.溫度均勻的空腔壁面上的小孔具有黑體輻射的特性，那么空腔內(nèi)部壁面的輻射是否也是黑體輻射？

答：空間內(nèi)部壁面不一定是黑體輻射，之所以小孔呈現(xiàn)出黑體特性，是因?yàn)檩椛湓诳涨粌?nèi)經(jīng)歷了很多次吸收和反射過程，使離開小孔的能量微乎其微。39思考題分析:1.什么叫黑體？在熱輻射理論中為什么要引入403.試說明，為什么在定義輻射力時(shí)要加上“半球空間”及“全部波長(zhǎng)”的說明？

答：因?yàn)檩椛浔砻姘肭蚩臻g每一立體角都有來自輻射面的輻射能，而輻射能的形式有各個(gè)不同波長(zhǎng)，全輻射必須包括表面輻射出去的全部能量，所以要加上“半球空間”和“全部波長(zhǎng)”的說明。4.黑體的輻射能按波長(zhǎng)是怎樣分布的？光譜輻射力Ebλ的單位中分母的“m3”代表什么意義？答：黑體輻射能按波長(zhǎng)的分布服從普朗克定律，光譜輻射力單位中分母“m3”代表了單位面積m2和單位波長(zhǎng)m的意思。

403.試說明，為什么在定義輻射力時(shí)要加上“半球空間”41下一張5.黑體的輻射能按空間方向是怎樣分布？定向輻射強(qiáng)度與空間方向無關(guān)是否意味著黑體的輻射能在半球空間各方向上是均勻分布的？

答：黑體輻射能按空間方向分布服從蘭貝特定律。定向輻射強(qiáng)度與空間方向無關(guān)并不意味著黑體輻射能在半球空間各個(gè)方向均勻分布，因?yàn)檩椛鋸?qiáng)度是指單位可見輻射面積的輻射能，在不同方向，可見輻射面積是不同的，即定向輻射力是不同的。6.什么叫光譜吸收比？在不同光源的照耀下，物體常呈現(xiàn)不同的顏色，如何解釋？答：所謂光譜吸收比，是指物體對(duì)某一波長(zhǎng)投入輻射的吸收份額，物體的顏色是物體對(duì)光源某種波長(zhǎng)光波的強(qiáng)烈反射，不同光源的光譜不同，所以物體呈現(xiàn)出不同顏色。41下一張5.黑體的輻射能按空間方向是怎樣分布？定向輻射強(qiáng)度42

7.對(duì)于一般物體，吸收比等于發(fā)射率在什么條件下成立？答：任何物體在與黑體處于熱平衡的條件下，對(duì)來自黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的發(fā)射率。8.說明灰體的定義以及引入灰體的簡(jiǎn)化對(duì)工程輻射換熱計(jì)算的意義。答：光譜吸收比與波長(zhǎng)無關(guān)的物體叫做灰體，灰體的吸收比恒等于同溫度下的發(fā)射率，把實(shí)際物體當(dāng)作灰體處理，可以不必考慮投入輻射的特性，將大大簡(jiǎn)化輻射換熱的計(jì)算。

42

7.對(duì)于一般物體，吸收比等于發(fā)射率在什么條件下成立？439.已知材料A、B的光譜吸收比與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖所示，試估計(jì)這兩種材料的發(fā)射率ε隨溫度變化的特性，并說明理由。

答：根據(jù)基爾霍夫定律：

又：維恩定律:

因?yàn)锳的光譜吸收比隨波長(zhǎng)增加而降低，即其善于吸收短波輻射，必善于發(fā)射短波輻射，所以其發(fā)射率隨溫度升高而升高，可能是金屬材料。B的光譜吸收比隨波長(zhǎng)增加而增高，即其善于吸收長(zhǎng)波輻射，必善于發(fā)射長(zhǎng)波輻射，所以其發(fā)射率隨溫度升高而降低?？赡苁欠墙饘俨牧稀?/p>

439.已知材料A、B的光譜吸收比與波長(zhǎng)的44典型習(xí)題分析:

1.一爐膛內(nèi)火焰的平均溫度為1500K，爐墻上有一直徑為20cm的看火孔（可看成黑體）。試計(jì)算當(dāng)看火孔打開時(shí)向外輻射的功率。該輻射能中波長(zhǎng)為2m的光譜輻射力是多少?哪一種波長(zhǎng)下的輻射能最多?

解：

根據(jù)Plank定律，=2m，T=1500K時(shí)：44典型習(xí)題分析:1.一爐膛內(nèi)火焰的平均溫度為1500K45由Wien位移定律：

答：當(dāng)看火孔打開時(shí)向外輻射的功率為9018W；該輻射能中波長(zhǎng)為2m的單色輻射力是9.74×1010W/m3；波長(zhǎng)為1.93m的輻射能最多。

45由Wien位移定律：答：當(dāng)看火孔打開時(shí)向外輻射的462.一漫射表面在某一溫度下的單色輻射力與波長(zhǎng)的關(guān)系可以近似用右圖表示，試：(1)計(jì)算此時(shí)的輻射力；(2)計(jì)算此時(shí)法線方向的定向輻射強(qiáng)度。

解：(1)輻射力

=50(10-5)+150(15-10)+50(20-15)=1250(W/m2)(2)法向輻射強(qiáng)度:因?yàn)槭锹瓷浔砻?各方向輻射強(qiáng)度相同462.一漫射表面在某一溫度下的單色輻射力與波長(zhǎng)的關(guān)系可以近473.有一塊厚為3mm的玻璃，經(jīng)測(cè)定，其對(duì)波長(zhǎng)為0.3～2.5m的輻射能的穿透率為0.9，而對(duì)其它波長(zhǎng)的輻射能可以認(rèn)為完全不穿透。試據(jù)此計(jì)算溫度為5800K的黑體輻射及溫度為300K的黑體輻射投射到該玻璃上時(shí)各自的總穿透率.

解:根據(jù)穿透率定義:

在T=5800K時(shí)：1T=0.3×5800=1740(m·K)2T=2.5×5800=14500(m·K)

473.有一塊厚為3mm的玻璃，經(jīng)測(cè)定，其對(duì)波長(zhǎng)為0.3～248查參考文獻(xiàn)[1]表7-1得：Fb(0-1)=3.296

Fb(0-2)=96.57

所以

=0.9(0.9657-0.03296)=0.8395=83.95

在T=300K時(shí)：1T=0.3×300=90(m·K)2T=2.5×300=750(m·K)

查表得：Fb(0-1)=0.0029Fb(0-2)=0.0242

所以

=0.9(0.0242-0.0029)=0.0192

48查參考文獻(xiàn)[1]表7-1得：Fb(0-1)=3.49分析與思考：暖房的升溫作用可以從本題中玻璃的單色穿透率特性得到解釋，太陽輻射類似于溫度為5800K的黑體輻射，暖房?jī)?nèi)物體的輻射類似于溫度為300K的黑體輻射，由于玻璃的選擇透射而使太陽熱輻射易于進(jìn)入，暖房?jī)?nèi)物體熱輻射不易透出，從而使暖房溫度升高。

49分析與思考：暖房的升溫作用可以從本題中玻璃的單色穿透率特504.面積為A1=4×10-4m2溫度為T1=1000K的漫射表面向半球空間發(fā)出熱輻射，在與輻射表面法線成45方向距離為1m處安置一直徑為20mm的熱流計(jì)探頭，測(cè)得該處的熱流為1.2×10-3W，探頭表面的吸收比取為1。試確定輻射表面的黑度。解：探頭對(duì)輻射表面構(gòu)成的立體角為:

504.面積為A1=4×10-4m2溫度為T1=1000K51在1000K下黑體的輻射力為：

Eb=5.67×10-8×10004=5.67×104(W/m2)由：

51在1000K下黑體的輻射力為：Eb=5.67×10525.一表面的光譜反射比與波長(zhǎng)之間的關(guān)系如下：對(duì)于波長(zhǎng)小于4的熱輻射，其反射比，對(duì)于波長(zhǎng)大于4的熱輻射，其反射比。試確定該表面對(duì)溫度為1000K的黑體輻射的吸收比。

解：

查黑體輻射函數(shù)：

525.一表面的光譜反射比與波長(zhǎng)之間的關(guān)系如下：對(duì)于波長(zhǎng)小53人與墻壁間主要傳熱方式是輻射1人與墻壁間主要傳熱方式是輻射54保溫瓶夾層中主要依靠輻射傳熱2保溫瓶夾層中主要依靠輻射傳熱55傳統(tǒng)工業(yè)中的輻射換熱問題3傳統(tǒng)工業(yè)中的輻射換熱問題56太陽能熱水器是典型的利用輻射換熱原理4太陽能熱水器是典型的利用輻射換熱原理57輻射通過低溫區(qū)向人體傳熱5輻射通過低溫區(qū)向人體傳熱58第九章熱輻射基本定律及物體的輻射特性1、熱輻射的基本概念2、黑體輻射3、實(shí)際物體和灰體的輻射

6第九章熱輻射基本定律及物體的輻射特性1、熱輻射的基本概念591、熱輻射基本概念1)熱輻射的物理本質(zhì)輻射:物體通過電磁波傳遞能量的現(xiàn)象

熱輻射:由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射（改變物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)換為電磁波的能量發(fā)送出去的過程） 不同溫度 不同波長(zhǎng)t>0K內(nèi) 輻射能——輻射特性 不同方向的物體能 輻射能——吸收特性——不同波長(zhǎng)輻射和吸收的總效果——輻射換熱71、熱輻射基本概念60熱輻射傳播速度c、波長(zhǎng)λ和頻率f之間的關(guān)系c=f·λ0.10.380.76420100μm

紫外

可見

紅外

近遠(yuǎn)

工程材料輻射(T<2000K)

熱輻射的主要波譜:8熱輻射傳播速度c、波長(zhǎng)λ和頻率f之間的關(guān)系c=f·λ0.61熱輻射到達(dá)物體表面后的傳播途徑如圖：根據(jù)熱平衡原理，投入輻射等于反射輻射、吸收輻射和穿透輻射之和。吸收比α=1→絕對(duì)黑體（黑體）反射比ρ=1→鏡體（對(duì)于漫反射稱為白體）穿透比τ=1→絕對(duì)透明體（透明體）2）吸收比、反射比和穿透比輻射示意9熱輻射到達(dá)物體表面后的傳播途徑如圖：根據(jù)熱平衡原理，投入輻622、黑體輻射黑體的基本概念輻射力和光譜輻射力

普朗克定律維恩位移定律斯蒂芬-波爾茲曼定律黑體輻射函數(shù)

蘭貝特定律小結(jié)102、黑體輻射黑體的基本概念63黑體模型：圖示窗口是黑體模型的一個(gè)實(shí)例小孔模型11黑體模型：圖示窗口是黑體模型的一個(gè)實(shí)例小孔模型64輻射力:單位時(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能總量，記為：E。光譜輻射力:單位時(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的某一波長(zhǎng)的輻射能，記為：Eλ。顯然12輻射力:單位時(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的65式中：λ——波長(zhǎng)，m；T——黑體的絕對(duì)溫度，K；C1——第一輻射常量，3.7419×10-16W·m2C2——第二輻射常量，1.4388×10-2m·K

普朗克定律（黑體的光譜輻射力）:

13式中：λ——波長(zhǎng)，m；普朗克定律（黑體的光譜輻射力）:66維恩位移定律：由普朗克定律，令：其中：為某一溫度下最大光譜輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)光譜輻射力的峰值點(diǎn)隨溫度的升高向短波區(qū)移動(dòng)。14維恩位移定律：由普朗克定律，令：其中：為某一溫度下最67黑體輻射力：

式中：σ——黑體輻射常數(shù)，5.67×10-8W/(m2K4);CO——黑體輻射系數(shù)，5.67W/(m2K4)斯蒂芬-波爾茲曼定律（四次方定律)：有時(shí)需要計(jì)算某一波段的輻射能，如太陽輻射中可見光的份額。為了方便計(jì)算，引出黑體輻射函數(shù)。

15黑體輻射力：式中：σ——黑體輻射常數(shù)，5.67×10-68

某一波段內(nèi)的輻射能

黑體輻射函數(shù)：黑體在0~λ波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)出的輻射能在其輻射力中所占的份額。

其值可查教材表8-1（P360）黑體輻射函數(shù)動(dòng)畫1669a.為了描述輻射能的空間分布特性，引入立體角。蘭貝特定律（能量的空間分布——方向函數(shù)）立體角：

球面度式中：A——球面面積；r——球面半徑。

式中：θ——天頂角；φ——平面方位角。微元立體角

立體角動(dòng)畫17a.為了描述輻射能的空間分布特性，引入立體角。蘭貝特定律70b.定向輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位可見輻射面積在某一方向的單位立體角內(nèi)所發(fā)出的輻射能，稱為該方向的輻射強(qiáng)度，記為L(zhǎng)（θ）?？梢娸椛涿娣e:指在接受輻射方向所能看到的輻射表面積，如圖可見輻射面積動(dòng)畫18b.定向輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位可見輻射面積在某一方向的71c.蘭貝特定律（余弦定律）：

黑體表面具有漫輻射（均勻輻射）的性質(zhì)，在半球空間各個(gè)方向上的定向輻射強(qiáng)度相等。d.定向輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位輻射面積，在某一方向P的單位立體角內(nèi)輻射的能量，稱為該方向的定向輻射力，記為E（θ）。對(duì)服從蘭貝特定律的輻射：

上式表明：?jiǎn)挝惠椛涿嫔习l(fā)出的輻射能落到空間不同方向單位立體角內(nèi)的能量是不等的，其值正比于該方向與輻射面法線夾角的余弦.19c.蘭貝特定律（余弦定律）：黑體表面具有漫輻射（均勻輻72輻射力與定向輻射強(qiáng)度的關(guān)系：

20輻射力與定向輻射強(qiáng)度的關(guān)系：73

黑體輻射規(guī)律的小結(jié)：

黑體輻射的輻射力由斯蒂芬-波爾茲曼定律確定，輻射力正比于熱力學(xué)溫度的四次方；黑體輻射能量按波長(zhǎng)的分布服從普朗克定律，而按空間的分布服從蘭貝特定律；黑體的單色輻射力有個(gè)峰值，與此峰值相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)由維恩位移定律確定，即隨著溫度的升高，向短波方向移動(dòng)。21黑體輻射規(guī)律的小結(jié)：黑體輻射的輻射力由743、實(shí)際物體和灰體的輻射發(fā)射熱輻射的性質(zhì)

吸收熱輻射的性質(zhì)

灰體

基爾霍夫定律

223、實(shí)際物體和灰體的輻射發(fā)射熱輻射的性質(zhì)75

黑體輻射特性：

溫度：E（T）~T4（S-B定律）

波長(zhǎng)：E（λ）

（Planck定律）

方向：E（θ）=Lcosθ（Lambert定律）

對(duì)于非黑體，其輻射特性要作適當(dāng)修正。

1)發(fā)射熱輻射的性質(zhì)23黑體輻射特性：溫度：E（T）~T4（S-B定律76黑度：對(duì)于實(shí)際物體來說，黑度仍是溫度的函數(shù)，即實(shí)際物體的輻射力不滿足四次方關(guān)系。實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值稱為實(shí)際物體的黑度，又稱發(fā)射率，記為ε。

24黑度：對(duì)于實(shí)際物體來說，黑度仍是溫度的函數(shù)，即實(shí)際物體的77光譜黑度：

ελ=Eλ/Ebλ，為實(shí)際物體的光譜輻射力與同溫度同波長(zhǎng)下黑體的光譜輻射力的比值，稱為實(shí)際物體的光譜黑度，又叫光譜發(fā)射率。它是溫度與波長(zhǎng)的函數(shù)。

25光譜黑度：ελ=Eλ/Ebλ，為實(shí)際物體的光譜輻射力與78定向黑度：

實(shí)際物體在半球空間的輻射強(qiáng)度不服從蘭貝特定律。定向黑度：在某一方向上實(shí)際物體的輻射強(qiáng)度與同溫度下黑體的輻射強(qiáng)度之比。

26定向黑度：實(shí)際物體在半球空間的輻射強(qiáng)度不服79物體的黑度：ε=f（物質(zhì)種類，表面溫度，表面狀況）在與壁面法向成角的范圍內(nèi)，大多數(shù)金屬和非金屬的定向發(fā)射率均為常數(shù)，而表面的輻射能量絕大部分亦位于這一區(qū)域、因此，可以將工程中的大多數(shù)材料看成是黑度與方向無關(guān)的漫射體，近似認(rèn)為其也服從蘭貝特定律。近似處理：一般金屬和非金屬表面可作漫射表面處理兩種簡(jiǎn)化處理方法：漫射表面—與方向無關(guān)

灰體表面—與波長(zhǎng)無關(guān)27物體的黑度：ε=f（物質(zhì)種類，表面溫度，表面狀況）在與壁802)吸收熱輻射的性質(zhì)投入輻射與吸收輻射的關(guān)系282)吸收熱輻射的性質(zhì)投入輻射與吸收輻射的關(guān)系81光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)投入輻射能的吸收 份額。吸收比：物體對(duì)投入輻射在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收份額α=f（自身表面性質(zhì)與溫度T1，輻射源性質(zhì)與溫度T2）若投入輻射來自黑體，則吸收比為：29光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)投入輻射能的吸收 份額。α82對(duì)來自黑體輻射的吸收比：

導(dǎo)體的α（T2）為增函數(shù)，非導(dǎo)體的α（T2）為降函數(shù)。原因：黑體輻射：T2↑→λmax↓(溫度越高，短波份額越大)導(dǎo)電體吸收比：λ↓→αλ↑→α↑(善于吸收短波輻射)非導(dǎo)體吸收比：λ↓→αλ↓→α↓(善于吸收長(zhǎng)波輻射)30對(duì)來自黑體輻射的吸收比：導(dǎo)體的α（T2）為增函數(shù)，非導(dǎo)83當(dāng)T2很高時(shí)，白色非金屬表面吸收比可能低于金屬表面吸收比。原因：T2↑→可見光↑→白色表面α可見↓→α↓物體表面顏色僅對(duì)可見光的吸收比有較大影響如：α白漆，陽光=0.12α白漆,紅外≈0.9α黑漆,陽光=0.96α黑漆,紅外≈0.9金屬表面吸收比小，非金屬及金屬氧化物表面吸收比大。3）灰體:單色吸收比與波長(zhǎng)無關(guān)的物體。αλ=α=常數(shù)，是一個(gè)理想化的假設(shè)，可以簡(jiǎn)化計(jì)算，一般材料在工程常見溫度范圍內(nèi)可以當(dāng)作灰體。

31當(dāng)T2很高時(shí)，白色非金屬表面吸收比可能低于金屬表面吸收比84如圖：板1為黑體，板2為實(shí)際物體，兩板間的輻射換熱熱流密度為：

當(dāng)T1=T2時(shí)，q=0在熱平衡條件下，任何物體的輻射力與它對(duì)來自黑體輻射的吸收比之比，恒等于同溫度下黑體的輻射力。（只與溫度有關(guān)，與物體本身性質(zhì)無關(guān)）4）基爾霍夫定律：聯(lián)系實(shí)際物體發(fā)射特性與吸收特性的紐帶與橋梁32如圖：板1為黑體，板2為實(shí)際物體，兩板間的輻射換熱熱流85推論：同溫度下，善于輻射的物體必善于吸收。實(shí)際物體α<1，同溫度下黑體輻射力最大。由黑度定義：——在與黑體處于熱平衡的條件下，任何物體對(duì)來自黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的黑度。對(duì)于光譜輻射：αλ（T）=ελ（T）對(duì)于灰體：吸收比與外界條件無關(guān)，無論投入輻射是否來自黑體，無論是否處于熱平衡，只與自身溫度有關(guān)。所以灰體的吸收比恒等于同溫度下本身的黑度。（一般工程材料在紅外線范圍內(nèi)可近似按灰體處理）

33推論：由黑度定義：——在與黑體處于熱平衡的條件下，任86海水的顏色為什么總是藍(lán)色的？

答：由海水的非灰性質(zhì)引起的，海水對(duì)不同波長(zhǎng)的可見光的吸收不同，對(duì)藍(lán)色光附近的射線吸收少，反射多，所以海水呈現(xiàn)藍(lán)色。34海水的顏色為什么總是藍(lán)色的？

答：由海水的非灰性質(zhì)引起的87概念匯總:1.黑體：吸收比為1的物體，同溫度下輻射力最大。

2.輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能.3.光譜輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的某一波長(zhǎng)的輻射能。4.普朗克定律：

5.維恩位移定律：

6.斯蒂芬——波爾茲曼定律：

35概念匯總:1.黑體：吸收比為1的物體，同溫度下輻射力最大887.蘭貝特定律：具有漫輻射特性的表面，其定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)。服從蘭貝特定律的輻射，在半球空間不同方向的單位立體角內(nèi)的輻射能數(shù)值不等，其值正比于該方向與輻射面法線方向夾角的余弦，所以蘭貝特定律又叫余弦定律。8.定向輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位可見輻射面積在某一方向上的單位立體角內(nèi)的輻射能稱為該方向的定向輻射強(qiáng)度。9.定向輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位輻射面積在某一方向P的單位立體角內(nèi)的輻射能稱為該方向的定向輻射力。10.對(duì)服從蘭貝特定律的輻射，367.蘭貝特定律：具有漫輻射特性的表面，其定向輻射強(qiáng)度與方8912.光譜黑度：實(shí)際物體的光譜輻射力與同溫度及波長(zhǎng)下黑體的光譜輻射力之比，記為：13.定向黑度：在某一方向?qū)嶋H物體的定向輻射強(qiáng)度與同溫度下黑體的定向輻射強(qiáng)度之比。15.吸收比：物體對(duì)投入輻射的吸收份額，它不僅與自身的表面性質(zhì)與溫度有關(guān)，還與輻射源的性質(zhì)與溫度有關(guān)。14.光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)輻射能的吸收份額，記為：αλ11.黑度：實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值稱為實(shí)際物體的黑度（發(fā)射率），記為：

3712.光譜黑度：實(shí)際物體的光譜輻射力與同溫度及波長(zhǎng)下黑體9018.基爾霍夫定律：在熱平衡條件下，任何物體的輻射力與它對(duì)來自黑體輻射的吸收比之比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力。因此，在與黑體處于熱平衡的條件下，任何物體對(duì)來自黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的黑度。19.對(duì)于灰體，灰體吸收率與外界條件無關(guān)，只與自身溫度有關(guān)。20.一般工程材料在紅外線范圍內(nèi)可近似按灰體處理。

16.物體的顏色僅對(duì)可見光的吸收比有較大影響17.灰體：光譜吸收比與波長(zhǎng)無關(guān)的物體。

3818.基爾霍夫定律：在熱平衡條件下，任何物體的輻射力與它91思考題分析:1.什么叫黑體？在熱輻射理論中為什么要引入這一概念？答：吸收比α=1的物體叫做黑體，黑體是一個(gè)理想化的物體，黑體輻射的特性反映了物體輻射在波長(zhǎng)、溫度和方向上的變化規(guī)律，這為研究實(shí)際物體的輻射提供了理論依據(jù)和簡(jiǎn)化分析基礎(chǔ)。2.溫度均勻的空腔壁面上的小孔具有黑體輻射的特性，那么空腔內(nèi)部壁面的輻射是否也是黑體輻射？

答：空間內(nèi)部壁面不一定是黑體輻射，之所以小孔呈現(xiàn)出黑體特性，是因?yàn)檩椛湓诳涨粌?nèi)經(jīng)歷了很多次吸收和反射過程，使離開小孔的能量微乎其微。39思考題分析:1.什么叫黑體？在熱輻射理論中為什么要引入923.試說明，為什么在定義輻射力時(shí)要加上“半球空間”及“全部波長(zhǎng)”的說明？

答：因?yàn)檩椛浔砻姘肭蚩臻g每一立體角都有來自輻射面的輻射能，而輻射能的形式有各個(gè)不同波長(zhǎng)，全輻射必須包括表面輻射出去的全部能量，所以要加上“半球空間”和“全部波長(zhǎng)”的說明。4.黑體的輻射能按波長(zhǎng)是怎樣分布的？光譜輻射力Ebλ的單位中分母的“m3”代表什么意義？答：黑體輻射能按波長(zhǎng)的分布服從普朗克定律，光譜輻射力單位中分母“m3”代表了單位面積m2和單位波長(zhǎng)m的意思。

403.試說明，為什么在定義輻射力時(shí)要加上“半球空間”93下一張5.黑體的輻射能按空間方向是怎樣分布？定向輻射強(qiáng)度與空間方向無關(guān)是否意味著黑體的輻射能在半球空間各方向上是均勻分布的？

答：黑體輻射能按空間方向分布服從蘭貝特定律。定向輻射強(qiáng)度與空間方向無關(guān)并不意味著黑體輻射能在半球空間各個(gè)方向均勻分布，因?yàn)檩椛鋸?qiáng)度是指單位可見輻射面積的輻射能，在不同方向，可見輻射面積是不同的，即定向輻射力是不同的。6.什么叫光譜吸收比？在不同光源的照耀下，物體常呈現(xiàn)不同的顏色，如何解釋？答：所謂光譜吸收比，是指物體對(duì)某一波長(zhǎng)投入輻射的吸收份額，物體的顏色是物體對(duì)光源某種波長(zhǎng)光波的強(qiáng)烈反射，不同光源的光譜不同，所以物體呈現(xiàn)出不同顏色。41下一張5.黑體的輻射能按空間方向是怎樣分布？定向輻射強(qiáng)度94

7.對(duì)于一般物體，吸收比等于發(fā)射率在什么條件下成立？答：任何物體在與黑體處于熱平衡的條件下，對(duì)來自黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的發(fā)射率。8.說明灰體的定義以及引入灰體的簡(jiǎn)化對(duì)工程輻射換熱計(jì)算的意義。答：光譜吸收比與波長(zhǎng)無關(guān)的物體叫做灰體，灰體的吸收比恒等于同溫度下的發(fā)射率，把實(shí)際物體當(dāng)作灰體處理，可以不必考慮投入輻射的特性，將大大簡(jiǎn)化輻射換熱的計(jì)算。

42

7.對(duì)于一般物體，吸收比等于發(fā)射率在什么條件下成立？959.已知材料A、B的光譜吸收比與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖所示，試估計(jì)這兩種材料的發(fā)射率ε隨溫度變化的特性，并說明理由。

答：根據(jù)基爾霍夫定律：

又：維恩定律:

因?yàn)锳的光譜吸收比隨波長(zhǎng)增加而降低，即其善于吸收短波輻射，必善于發(fā)射短波輻射，所以其發(fā)射率隨溫度升高而升高，可能是金屬材料。B的光譜吸收比隨波長(zhǎng)增加而增高，即其善于吸收長(zhǎng)波輻射，必善于發(fā)射長(zhǎng)波輻射，所以其發(fā)射率隨溫度升高而降低?？赡苁欠墙饘俨牧?。

439.已知材料A、B的光譜吸收比與波長(zhǎng)的96典型習(xí)題分析:

1.一爐膛內(nèi)火焰的平均溫度為1500K，爐墻上有一直徑為20cm的看火孔（可看成黑體）。試計(jì)算當(dāng)看火孔打開時(shí)向外輻射的