傳熱學(xué)(第四版)第八章熱輻射基本定律和輻射特性

第8章熱輻射基本定律及輻射特性本章的討論從（1）電磁波、波譜開(kāi)始，重點(diǎn)介紹熱輻射的波譜；然后介紹（2）黑體及黑體的輻射定律，包括Stefan-Boltzmann定律，普朗克定律，維恩位移定律，蘭貝特定律；接著，介紹物質(zhì)的輻射屬性，（3）發(fā)射率及發(fā)射率隨波長(zhǎng)和方向的關(guān)系，（4）吸收率。最后，應(yīng)用輻射定律解釋一些日常生活中的現(xiàn)象，如溫室效應(yīng)、沙漠地區(qū)晝夜溫差大等。1§8-1熱輻射的基本概念熱輻射：通過(guò)電磁波傳遞能量2輻射

輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。解釋輻射的兩種理論

：電磁理論與量子理論電磁波的數(shù)學(xué)描述：

c

—

某介質(zhì)中的光速,m/s

為真空中的光速;n為介質(zhì)的折射率。

—

波長(zhǎng),常用m為單位,1m=10-6m。

—

頻率,單位

1/s。3電磁波的波譜射線(xiàn)：

<5×10-5mX射線(xiàn)：5×10-7

m<<5×10-2m紫外線(xiàn)：4×10-3m<<0.38m可見(jiàn)光：0.38m<<0.76m紅外線(xiàn)：

0.76m<<103

m無(wú)線(xiàn)電波：

>103

m熱射線(xiàn)4熱輻射

由于物體內(nèi)部微觀(guān)粒子的熱運(yùn)動(dòng)而使物體向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。

理論上熱輻射的波長(zhǎng)范圍從零到無(wú)窮大，但在日常生活和工業(yè)上常見(jiàn)的溫度范圍內(nèi)，熱輻射的波長(zhǎng)主要在0.1m至100m之間,包括部分紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光和部分紅外線(xiàn)三個(gè)波段。5熱輻射的波譜紫外線(xiàn)0.1-0.40μm可見(jiàn)光0.40-0.76μm紅外線(xiàn)0.76-100μm太陽(yáng)輻射0.30-3μm6§8-2黑體輻射的基本定律熱輻射的主要特點(diǎn)（溫度、介質(zhì)、方向）（1）所有溫度大于0K(零下273℃)的物體都具有發(fā)射熱輻射的能力，溫度愈高，發(fā)射熱輻射的能力愈強(qiáng)。（2）熱輻射不依靠中間媒介，可以在真空中傳播，在真空中傳播的效率最高；（3）物體間以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量傳遞是雙向的。7輻射力E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。

(W/m2)；光譜輻射力Eλ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)的能量。

(W/m2μm)；定向輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向單位立體角空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。

(W/m2rad)；1.熱輻射能量的表示方法§8-2黑體輻射的基本定律Abodyatatemperatureaboveabsolutezeroemitsradiationinalldirectionsoverawiderangeofwavelengths.8黑體黑體是指能吸收投入到其面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)生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。人工黑體模型鏡反射與漫反射鏡反射漫反射9(1)Stefan-Boltzmann定律式中，σ=5.67×10-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常數(shù)。2.黑體輻射的四個(gè)基本定律注：黑體一般采用下標(biāo)b表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的光譜輻射力為Ebλ。10式中，λ—

波長(zhǎng)，m；T

—

黑體溫度，K；

c1

—

第一輻射常數(shù)，3.742×10-16Wm2；

c2—

第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2WK；

(2)Planck定律11給定T，黑體Ebλ隨波長(zhǎng)的關(guān)系Planck定律與Stefan-Boltzmann定律的關(guān)系？12不同T條件，黑體Ebλ隨波長(zhǎng)的關(guān)系T

增大，λm向左偏移，且滿(mǎn)足稱(chēng)為

(3)Wien位移定律。13黑體輻射函數(shù)表14例，白熾燈的輻射15例，白熾燈的輻射16（4）Lambert定律Lambert定律：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，黑體單位可見(jiàn)面積，在單位立體角中輻射出去的能量相等，或定向輻射強(qiáng)度I是常數(shù)。Lambert定律也稱(chēng)為余弦定律。敘述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，黑體單位面積，在單位立體角中輻射出去的能量,或稱(chēng)為定向輻射力，隨天頂角呈余弦規(guī)律變化。面積為dA的黑體微元，在微元立體角dΩ內(nèi)輻射出去的能量為dΦ，實(shí)驗(yàn)查明：I為常數(shù)，與θ無(wú)關(guān)。稱(chēng)為可見(jiàn)面積。17沿半球方向積分上式，可獲得半球輻射強(qiáng)度E:輻射力與定向輻射力的關(guān)系？181、實(shí)際物體發(fā)射率同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)；真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；定義發(fā)射率

(也稱(chēng)為黑度)

：相同溫度下，實(shí)際物體的輻射力與黑體輻射力之比:§

8-3固體和液體的輻射特性19上面公式只是針對(duì)光譜和方向平均的情況，但是，實(shí)際上真實(shí)表面的發(fā)射能力隨光譜和方向變化。光譜輻射力定向輻射力20

對(duì)應(yīng)于黑體的輻射力Eb，光譜輻射力Eb和定向輻射強(qiáng)度I，分別引入三個(gè)修正系數(shù)，即，（總）發(fā)射率，光譜發(fā)射率()和定向發(fā)射率()，其表達(dá)式和物理意義如下實(shí)際物體的輻射力與黑體發(fā)射力之比:實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜發(fā)射力之比：實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向發(fā)射強(qiáng)度之比：212、實(shí)際物體的光譜輻射力223、實(shí)際物體的定向輻射力注意θ為天頂角23實(shí)際物體輻射的簡(jiǎn)化處理方式光譜發(fā)射率()為常數(shù)==>灰體假設(shè)；定向發(fā)射率()為常數(shù)==>漫射表面假設(shè)；因此，實(shí)際物體的光譜發(fā)射率并不是常數(shù)；定向發(fā)射率也不是常數(shù)。將不確定因素歸于簡(jiǎn)單的修正系數(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)。課堂測(cè)試：作圖()和()，說(shuō)明灰體、漫射表面的輻射特性。漫灰表面244，有關(guān)發(fā)射率的一些實(shí)例2526§

8-4實(shí)際物體的吸收特性當(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、反射和穿透，如圖所示。1，吸收、反射和穿透率定義27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)于黑體：鏡體或白體：透明體：固體和液體對(duì)輻射能的吸收和反射基本上屬于表面效應(yīng)：金屬的表面層厚度小于1m；絕大多數(shù)非金屬的表面層厚度小于1mm。282，吸收比實(shí)際物體的光譜吸收比也與黑體、灰體不同，是波長(zhǎng)的函數(shù)。幾種金屬材料的光譜吸收比29

輻射特性隨波長(zhǎng)變化的性質(zhì)稱(chēng)為輻射特性對(duì)波長(zhǎng)的選擇性。實(shí)際物體的吸收比不僅取決于物體本身材料的種類(lèi)、溫度及表面性質(zhì)，還和投入輻射的波長(zhǎng)分布有關(guān)，因此和投入輻射能的發(fā)射體溫度有關(guān)。幾種非金屬材料的光譜吸收比30

工程上的熱輻射主要位于0.76～10m的紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)，絕大多數(shù)工程材料的光譜輻射特性在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)變化不大，因此在工程計(jì)算時(shí)可以近似地當(dāng)作灰體處理。一些材料對(duì)黑體輻射的吸收比隨黑體溫度的變化。

31基爾霍夫定律

基爾霍夫定律揭示了物體吸收比與發(fā)射率之間的關(guān)系，其表達(dá)式為

說(shuō)明吸收輻射能能力愈強(qiáng)的物體的發(fā)射輻射能能力也也愈強(qiáng)。在溫度相同的物體中，黑體吸收輻射能的能力最強(qiáng)，發(fā)射輻射能的能力也最強(qiáng)。

對(duì)于漫射、灰體，輻射特性與角度和波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，32應(yīng)用舉例（1）

太陽(yáng)紫外線(xiàn)輻射與臭氧層破壞33應(yīng)用舉例（2）

溫室效應(yīng)34應(yīng)用舉例（3）紅外測(cè)溫儀35輻射基本概念小結(jié)黑體的輻射定律輻射能力輻射力光譜輻射力定向輻射力實(shí)際物體的輻射定律假定物體