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1、传热学第九章辐射基本定律1 1第1页，本讲稿共54页人与墙壁间主要传热方式是辐射人与墙壁间主要传热方式是辐射2 2第2页，本讲稿共54页保温瓶夹层中主要依靠辐射传热保温瓶夹层中主要依靠辐射传热3 3第3页，本讲稿共54页传统工业中的辐射换热问题传统工业中的辐射换热问题4 4第4页，本讲稿共54页太阳能热水器是典型的利用辐射换热原理太阳能热水器是典型的利用辐射换热原理5 5第5页，本讲稿共54页辐射通过低温区向人体传热辐射通过低温区向人体传热6 6第6页，本讲稿共54页第九章第九章第九章第九章 热辐射基本定律及物体的辐射特性热辐射基本定律及物体的辐射特性热辐射基本定律及物体的辐射特性热辐射基本定
2、律及物体的辐射特性1、热辐射的基本概念、热辐射的基本概念 2、黑体辐射、黑体辐射 3、实际物体和灰体的辐射、实际物体和灰体的辐射 7 7第7页，本讲稿共54页1 1、热辐射基本概念、热辐射基本概念1)1)热辐射的物理本质热辐射的物理本质辐射辐射:物体通过电磁波传递能量的现象物体通过电磁波传递能量的现象热辐射热辐射:由于热的原因而产生的电磁波辐射由于热的原因而产生的电磁波辐射（改变物体内部微观粒子的热运动状态，将部分内能（改变物体内部微观粒子的热运动状态，将部分内能转换为电磁波的能量发送出去的过程）转换为电磁波的能量发送出去的过程）不同温度不同温度不同波长不同波长t0K内内辐射能辐射能辐射特性辐
3、射特性 不同方向不同方向的物体的物体能能辐射能辐射能吸收特性吸收特性不同波长不同波长辐射和吸收的总效果辐射和吸收的总效果辐射换热辐射换热8 8第8页，本讲稿共54页热辐射传播速度热辐射传播速度c、波长、波长和频率和频率f之间的关系之间的关系c=f 0.1 0.38 0.76 4 20 100 m 0.1 0.38 0.76 4 20 100 m紫外紫外可见可见红外红外近近 远远 工程材料辐射工程材料辐射(T2000K)(T2000K)热辐射的主要波谱热辐射的主要波谱:9 9第9页，本讲稿共54页热辐射到达物体表面后的传播途径如热辐射到达物体表面后的传播途径如图图：根据热平衡原理，投入辐射等于反
4、射辐射、吸根据热平衡原理，投入辐射等于反射辐射、吸收辐射和穿透辐射之和。收辐射和穿透辐射之和。吸收比吸收比=1 =1 绝对黑体（黑体）绝对黑体（黑体）反射比反射比=1 =1 镜体（对于漫反射称为白体）镜体（对于漫反射称为白体）穿透比穿透比=1 =1 绝对透明体（透明体）绝对透明体（透明体）2 2）吸收比、反射比和穿透比吸收比、反射比和穿透比辐射示意辐射示意1010第10页，本讲稿共54页2 2、黑体辐射、黑体辐射、黑体辐射、黑体辐射uu黑体的基本概念黑体的基本概念黑体的基本概念黑体的基本概念uu辐射力辐射力辐射力辐射力和和和和光谱辐射力光谱辐射力光谱辐射力光谱辐射力 uu普朗克定律普朗克定律普
5、朗克定律普朗克定律uu维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律 uu斯蒂芬斯蒂芬斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼定律波尔兹曼定律波尔兹曼定律波尔兹曼定律uu黑体辐射函数黑体辐射函数黑体辐射函数黑体辐射函数 uu兰贝特定律兰贝特定律兰贝特定律兰贝特定律uu小结小结小结小结1111第11页，本讲稿共54页黑体模型：黑体模型：图示窗口是黑体模型的一个实例图示窗口是黑体模型的一个实例小孔模型小孔模型1212第12页，本讲稿共54页辐辐射射力力:单单位位时时间间内内物物体体单单位位表表面面积积向向半半球球空空间间所所有方向发射的全部波长的辐射能总量，记为：有方向发射的全部波长的辐射能总量，记为：E。光谱辐
6、射力光谱辐射力:单位时间内物体单位表面积向半球空间单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射的某一波长的辐射能，记为：所有方向发射的某一波长的辐射能，记为：E。显然显然1313第13页，本讲稿共54页式中：式中：式中：式中：波长，波长，波长，波长，mm；T T黑体的绝对温度，黑体的绝对温度，黑体的绝对温度，黑体的绝对温度，K K；C C1 1第一辐射常量，第一辐射常量，第一辐射常量，第一辐射常量，3.7419103.741910-16-16 W W mm2 2 C C2 2第二辐射常量，第二辐射常量，第二辐射常量，第二辐射常量，1.4388101.438810-2-2 m m K K 普朗
7、克定律（黑体的光谱辐射力）普朗克定律（黑体的光谱辐射力）普朗克定律（黑体的光谱辐射力）普朗克定律（黑体的光谱辐射力）:1414第14页，本讲稿共54页维恩位移定律：维恩位移定律：维恩位移定律：维恩位移定律：由普朗克定律，令：由普朗克定律，令：其中：其中：为某一温度下最大光谱辐射力所对应的波长为某一温度下最大光谱辐射力所对应的波长光谱辐射力的峰值点光谱辐射力的峰值点随温度的升高向短波随温度的升高向短波区移动。区移动。1515第15页，本讲稿共54页黑体辐射力：黑体辐射力：式中：式中：黑体辐射常数，黑体辐射常数，5.6710-8 W/(m2K4);CO黑体辐射系数，黑体辐射系数，5.67 W/(m
8、2K4)斯蒂芬斯蒂芬斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼定律（四次方定律波尔兹曼定律（四次方定律波尔兹曼定律（四次方定律波尔兹曼定律（四次方定律)：有时需要计算某一波段的辐射能，如太阳辐射中可有时需要计算某一波段的辐射能，如太阳辐射中可见光的份额。为了方便计算，引出见光的份额。为了方便计算，引出黑体辐射函数。黑体辐射函数。1616第16页，本讲稿共54页 某一波段内的辐射能某一波段内的辐射能黑体辐射函数：黑体辐射函数：黑体辐射函数：黑体辐射函数：黑体在黑体在黑体在黑体在00波长范围内发出的辐射能在其辐射力中波长范围内发出的辐射能在其辐射力中波长范围内发出的辐射能在其辐射力中波长范围内发出的辐射能在其辐射力中
9、所占的份额。所占的份额。所占的份额。所占的份额。其值可查教材表其值可查教材表8-1（P360）黑体辐射函数动画黑体辐射函数动画1717第17页，本讲稿共54页a.a.为了描述辐射能的空间分布特性，引入立体角。为了描述辐射能的空间分布特性，引入立体角。为了描述辐射能的空间分布特性，引入立体角。为了描述辐射能的空间分布特性，引入立体角。兰贝特定律（能量的空间分布兰贝特定律（能量的空间分布兰贝特定律（能量的空间分布兰贝特定律（能量的空间分布方向函数）方向函数）方向函数）方向函数）立体角：立体角：球面度球面度式中：式中：A球面面积；球面面积；r球面半径。球面半径。式中：式中：天顶角；天顶角；平面方位角
10、。平面方位角。微元立体角微元立体角立体角动画立体角动画1818第18页，本讲稿共54页b.b.定向辐射强度：定向辐射强度：单位时间、单位单位时间、单位可见辐射面积可见辐射面积在某在某一方向的一方向的单位立体角单位立体角内所发出的辐射能，称为该方向内所发出的辐射能，称为该方向的辐射强度，记为的辐射强度，记为L（）。）。可见辐射面积可见辐射面积:指在接受辐指在接受辐射方向所能看到的辐射表射方向所能看到的辐射表面积，如图面积，如图 可见辐射面积动画可见辐射面积动画1919第19页，本讲稿共54页c.c.兰贝特定律（余弦定律）：兰贝特定律（余弦定律）：黑体表面具有漫辐射（均匀辐射）的性质，在半球黑体表
11、面具有漫辐射（均匀辐射）的性质，在半球空间各个方向上的定向辐射强度相等。空间各个方向上的定向辐射强度相等。d.d.定向辐射力：定向辐射力：单位时间、单位辐射面积，在某一方单位时间、单位辐射面积，在某一方向向P的单位立体角内辐射的能量，称为该方向的定向的单位立体角内辐射的能量，称为该方向的定向辐射力，记为辐射力，记为E（）。）。对服从兰贝特定律的辐射：对服从兰贝特定律的辐射：上式表明：上式表明：单位辐射面上发出的辐射能落到空间不同单位辐射面上发出的辐射能落到空间不同方向单位立体角内的能量是不等的，其值正比于该方方向单位立体角内的能量是不等的，其值正比于该方向与辐射面法线夹角的余弦向与辐射面法线夹
12、角的余弦.2020第20页，本讲稿共54页 辐射力与定向辐射强度的关系：辐射力与定向辐射强度的关系：2121第21页，本讲稿共54页 黑体辐射规律的小结：黑体辐射规律的小结：黑体辐射的辐射力由斯蒂芬黑体辐射的辐射力由斯蒂芬-波尔兹曼定律确波尔兹曼定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方；黑体辐射定，辐射力正比于热力学温度的四次方；黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律，而按空间的分能量按波长的分布服从普朗克定律，而按空间的分布服从兰贝特定律；黑体的单色辐射力有个峰值，布服从兰贝特定律；黑体的单色辐射力有个峰值，与此峰值相对应的波长与此峰值相对应的波长 由维恩位移定律确定，即由维恩位移定律确定，
13、即随着温度的升高，随着温度的升高，向短波方向移动。向短波方向移动。2222第22页，本讲稿共54页3 3 3 3、实际物体和灰体的辐射、实际物体和灰体的辐射、实际物体和灰体的辐射、实际物体和灰体的辐射uu发射热辐射的性质发射热辐射的性质 uu吸收热辐射的性质吸收热辐射的性质 uu灰体灰体 uu基尔霍夫定律基尔霍夫定律 2323第23页，本讲稿共54页黑体辐射特性：黑体辐射特性：温度：温度：E（T）T4（S-B定律）定律）波长：波长：E（）（Planck定律）定律）方向：方向：E（）=Lcos（Lambert定律）定律）对于非黑体，其辐射特性要作适当修正。对于非黑体，其辐射特性要作适当修正。1)
14、1)发射热辐射的性质发射热辐射的性质2424第24页，本讲稿共54页黑度：黑度：黑度：黑度：对于实际物体来说，黑度仍是温度的函数，即实际物体的辐对于实际物体来说，黑度仍是温度的函数，即实际物体的辐射力不满足四次方关系。射力不满足四次方关系。实际物体的辐射力与同温度实际物体的辐射力与同温度实际物体的辐射力与同温度实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值称为下黑体辐射力的比值称为下黑体辐射力的比值称为下黑体辐射力的比值称为实际物体的黑度，又称实际物体的黑度，又称实际物体的黑度，又称实际物体的黑度，又称发发发发射率射率射率射率，记为，记为，记为，记为。2525第25页，本讲稿共54页光谱黑度：光谱
15、黑度：光谱黑度：光谱黑度：=E=E/E/Ebb，为实际，为实际物体的光谱辐射力与物体的光谱辐射力与同温度同波长下黑体同温度同波长下黑体的光谱辐射力的比值，的光谱辐射力的比值，称为实际物体的光谱称为实际物体的光谱黑度，又叫光谱发射黑度，又叫光谱发射率。它是温度与波长率。它是温度与波长的函数的函数 。2626第26页，本讲稿共54页定向黑度定向黑度定向黑度定向黑度 ：实际物体在半球空间的辐射强度不服从兰贝特定律。实际物体在半球空间的辐射强度不服从兰贝特定律。定向黑度：定向黑度：在某一方向在某一方向上实际物体的辐射强度上实际物体的辐射强度与同温度下黑体的辐射与同温度下黑体的辐射强度之比。强度之比。2
16、727第27页，本讲稿共54页物体的黑度：物体的黑度：=f=f（物质种类，表面温度，表面状况）（物质种类，表面温度，表面状况）在与壁面法向成在与壁面法向成 角的范围内，大多数金角的范围内，大多数金属和非金属的定向发射率均为常数，而表属和非金属的定向发射率均为常数，而表面的辐射能量绝大部分亦位于这一区域、面的辐射能量绝大部分亦位于这一区域、因此，可以将工程中的大多数材料看成是因此，可以将工程中的大多数材料看成是黑度与方向无关的漫射体，近似认为其也黑度与方向无关的漫射体，近似认为其也服从兰贝特定律。服从兰贝特定律。近似处理：一般金属和非金属表面可作漫射表面处理近似处理：一般金属和非金属表面可作漫射
17、表面处理 两种简化处理方法：漫射表面两种简化处理方法：漫射表面与方向无关与方向无关 灰体表面灰体表面与波长无关与波长无关2828第28页，本讲稿共54页2)2)吸收热辐射的性质吸收热辐射的性质投入辐射与吸收辐射的关系投入辐射与吸收辐射的关系2929第29页，本讲稿共54页光谱吸收比：光谱吸收比：光谱吸收比：光谱吸收比：物体对某一特定波长投入辐射能的吸收物体对某一特定波长投入辐射能的吸收物体对某一特定波长投入辐射能的吸收物体对某一特定波长投入辐射能的吸收份额。份额。份额。份额。吸收比：吸收比：吸收比：吸收比：物体对投入辐射在全波长范围内的吸收份额物体对投入辐射在全波长范围内的吸收份额物体对投入辐
18、射在全波长范围内的吸收份额物体对投入辐射在全波长范围内的吸收份额=f=f（自身表面性质与温度（自身表面性质与温度T T1 1，辐射源性质与温度，辐射源性质与温度T T2 2）若投入辐射来自黑体，则吸收比为：若投入辐射来自黑体，则吸收比为：3030第30页，本讲稿共54页对来自黑体辐射的吸收比：对来自黑体辐射的吸收比：导体的导体的导体的导体的（T T T T2 2 2 2）为增函数，非导体的）为增函数，非导体的）为增函数，非导体的）为增函数，非导体的（T T T T2 2 2 2）为降函数。）为降函数。）为降函数。）为降函数。原因：黑体辐射：原因：黑体辐射：T T2 2max(max(温度越高，
19、短波份额越大温度越高，短波份额越大)导电体吸收比：导电体吸收比：(善于吸收短波辐射善于吸收短波辐射)非导体吸收比：非导体吸收比：(善于吸收长波辐射善于吸收长波辐射)3131第31页，本讲稿共54页当当当当T T T T2 2 2 2很高时，白色非金属表面吸收比可能低于金属表很高时，白色非金属表面吸收比可能低于金属表很高时，白色非金属表面吸收比可能低于金属表很高时，白色非金属表面吸收比可能低于金属表面吸收比。面吸收比。面吸收比。面吸收比。原因：原因：原因：原因：T T T T2 2 2 2可见光可见光可见光可见光白色表面白色表面白色表面白色表面可见可见可见可见物体表面颜色仅对可见光的吸收比有较大
20、影响物体表面颜色仅对可见光的吸收比有较大影响物体表面颜色仅对可见光的吸收比有较大影响物体表面颜色仅对可见光的吸收比有较大影响如：如：如：如：白漆，阳光白漆，阳光白漆，阳光白漆，阳光=0.12 =0.12 =0.12 =0.12 白漆白漆白漆白漆,红外红外红外红外0.90.90.90.9 黑漆黑漆黑漆黑漆,阳光阳光阳光阳光=0.96 =0.96 =0.96 =0.96 黑漆黑漆黑漆黑漆,红外红外红外红外0.90.90.90.9金属表面吸收比小，非金属及金属氧化物表面吸收比金属表面吸收比小，非金属及金属氧化物表面吸收比金属表面吸收比小，非金属及金属氧化物表面吸收比金属表面吸收比小，非金属及金属氧化
21、物表面吸收比大。大。大。大。3 3）灰体）灰体:单色吸收比与波长无关的物体。单色吸收比与波长无关的物体。=常数，常数，是一个理想化的假设，可以简化计算，是一个理想化的假设，可以简化计算，一般一般材料在工程常见温度范围内可以当作灰体。材料在工程常见温度范围内可以当作灰体。3232第32页，本讲稿共54页如如图图 ：板板1 1为为黑黑体体，板板2 2为为实实际际物物体体，两板间的辐射换热热流密度为：两板间的辐射换热热流密度为：当当T T1 1=T=T2 2时，时，q=0q=0在热平衡条件下，任何物体的辐射力与它对来自黑体辐射的吸收比之比，在热平衡条件下，任何物体的辐射力与它对来自黑体辐射的吸收比之
22、比，恒等于同温度下黑体的辐射力。恒等于同温度下黑体的辐射力。（只与温度有关，与物体本身性质无（只与温度有关，与物体本身性质无关）关）4 4）基尔霍夫定律）基尔霍夫定律 ：联系实际物体发射特性与吸收特性的纽带与桥梁联系实际物体发射特性与吸收特性的纽带与桥梁 3333第33页，本讲稿共54页推论：推论：推论：推论：同温度下，善于辐射的物体必善于吸收。同温度下，善于辐射的物体必善于吸收。同温度下，善于辐射的物体必善于吸收。同温度下，善于辐射的物体必善于吸收。实际物体实际物体实际物体实际物体 1 1 1 1，同温度下黑体辐射力最大。，同温度下黑体辐射力最大。，同温度下黑体辐射力最大。，同温度下黑体辐射
23、力最大。由黑度定义：由黑度定义：由黑度定义：由黑度定义：在与黑体处于热平衡的条件下，任何物体对来自黑在与黑体处于热平衡的条件下，任何物体对来自黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的黑度。体辐射的吸收比等于同温度下该物体的黑度。对于光谱辐射：对于光谱辐射：对于光谱辐射：对于光谱辐射：（T T T T）=（T T T T）对于灰体：吸收比与外界条件无关，无论投入辐射是否来自黑对于灰体：吸收比与外界条件无关，无论投入辐射是否来自黑对于灰体：吸收比与外界条件无关，无论投入辐射是否来自黑对于灰体：吸收比与外界条件无关，无论投入辐射是否来自黑体，无论是否处于热平衡，只与自身温度有关。所以灰体的吸体，无论是否
24、处于热平衡，只与自身温度有关。所以灰体的吸体，无论是否处于热平衡，只与自身温度有关。所以灰体的吸体，无论是否处于热平衡，只与自身温度有关。所以灰体的吸收比恒等于同温度下本身的黑度。（一般工程材料在红外线范收比恒等于同温度下本身的黑度。（一般工程材料在红外线范收比恒等于同温度下本身的黑度。（一般工程材料在红外线范收比恒等于同温度下本身的黑度。（一般工程材料在红外线范围内可近似按灰体处理）围内可近似按灰体处理）围内可近似按灰体处理）围内可近似按灰体处理）3434第34页，本讲稿共54页海水的颜色为什么总是蓝色海水的颜色为什么总是蓝色的？的？答：由海水的非灰性质引起答：由海水的非灰性质引起的，海水对
25、不同波长的可见的，海水对不同波长的可见光的吸收不同，对蓝色光附光的吸收不同，对蓝色光附近的射线吸收少，反射多，近的射线吸收少，反射多，所以海水呈现蓝色。所以海水呈现蓝色。3535第35页，本讲稿共54页概念汇总概念汇总:1.黑体：黑体：吸收比为吸收比为1 1的物体，同温度下辐射力最大。的物体，同温度下辐射力最大。2.辐射力：辐射力：单位时间内物体单位表面积向半球空间所单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射的全部波长的辐射能有方向发射的全部波长的辐射能.3.光谱辐射力：光谱辐射力：单位时间内物体单位表面积向半球空单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射的某一波长的辐射能。间所有方向
26、发射的某一波长的辐射能。4.普朗克定律：普朗克定律：5.维恩位移定律：维恩位移定律：6.斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼定律：波尔兹曼定律：3636第36页，本讲稿共54页7.兰贝特定律：兰贝特定律：具有漫辐射特性的表面，其定向辐射强具有漫辐射特性的表面，其定向辐射强度与方向无关。服从兰贝特定律的辐射，在半球空间度与方向无关。服从兰贝特定律的辐射，在半球空间不同方向的单位立体角内的辐射能数值不等，其值正不同方向的单位立体角内的辐射能数值不等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦，所以兰贝比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦，所以兰贝特定律又叫余弦定律。特定律又叫余弦定律。8.定向辐射强度：定向辐射强
27、度：单位时间、单位可见辐射面积在某一单位时间、单位可见辐射面积在某一方向上的单位立体角内的辐射能称为该方向的定向辐方向上的单位立体角内的辐射能称为该方向的定向辐射强度。射强度。9.定向辐射力：定向辐射力：单位时间、单位辐射面积在某一方向单位时间、单位辐射面积在某一方向P P的单位立体角内的辐射能称为该方向的定向辐射力。的单位立体角内的辐射能称为该方向的定向辐射力。10.对服从兰贝特定律的辐射，对服从兰贝特定律的辐射，3737第37页，本讲稿共54页12.光谱黑度：光谱黑度：实际物体的光谱辐射力与同温度及波实际物体的光谱辐射力与同温度及波长下黑体的光谱辐射力之比，记为：长下黑体的光谱辐射力之比，
28、记为：13.定向黑度：定向黑度：在某一方向实际物体的定向辐射强度在某一方向实际物体的定向辐射强度与同温度下黑体的定向辐射强度之比。与同温度下黑体的定向辐射强度之比。15.吸收比：吸收比：物体对投入辐射的吸收份额，它不仅与自物体对投入辐射的吸收份额，它不仅与自身的表面性质与温度有关，还与辐射源的性质与温度身的表面性质与温度有关，还与辐射源的性质与温度有关。有关。14.14.光谱吸收比：光谱吸收比：光谱吸收比：光谱吸收比：物体对某一特定波长辐射能的吸收份额，物体对某一特定波长辐射能的吸收份额，物体对某一特定波长辐射能的吸收份额，物体对某一特定波长辐射能的吸收份额，记为：记为：记为：记为：11.黑度
29、：黑度：实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值称为实际物体的黑度（发射率），记为：称为实际物体的黑度（发射率），记为：3838第38页，本讲稿共54页18.基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：在热平衡条件下，任何物体的辐射在热平衡条件下，任何物体的辐射力与它对来自黑体辐射的吸收比之比值，恒等于同温力与它对来自黑体辐射的吸收比之比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。因此，在与黑体处于热平衡的条度下黑体的辐射力。因此，在与黑体处于热平衡的条件下，任何物体对来自黑体辐射的吸收比等于同温度件下，任何物体对来自黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的黑度。下该物体的黑度。1
30、9.对于灰体，对于灰体，灰体吸收率与外界条件无关，只与自身灰体吸收率与外界条件无关，只与自身温度有关。温度有关。20.一般工程材料在红外线范围内可近似按灰体处理。一般工程材料在红外线范围内可近似按灰体处理。16.物体的颜色仅对可见光的吸收比有较大影响物体的颜色仅对可见光的吸收比有较大影响17.灰体：灰体：光谱吸收比与波长无关的物体。光谱吸收比与波长无关的物体。3939第39页，本讲稿共54页思考题分析思考题分析:1.什什么么叫叫黑黑体体？在在热热辐辐射射理理论论中中为为什什么么要要引引入入这这一一概概念念？答：吸收比答：吸收比=1=1的物体叫做黑体，黑体是一个理想化的物体叫做黑体，黑体是一个理
31、想化的物体，黑体辐射的特性反映了物体辐射在波长、温度的物体，黑体辐射的特性反映了物体辐射在波长、温度和方向上的变化规律，这为研究实际物体的辐射提供了和方向上的变化规律，这为研究实际物体的辐射提供了理论依据和简化分析基础。理论依据和简化分析基础。2.2.温温温温度度度度均均均均匀匀匀匀的的的的空空空空腔腔腔腔壁壁壁壁面面面面上上上上的的的的小小小小孔孔孔孔具具具具有有有有黑黑黑黑体体体体辐辐辐辐射射射射的的的的特特特特性性性性，那那那那么么么么空空空空腔腔腔腔内内内内 部部部部 壁面的辐射是否也是黑体辐射？壁面的辐射是否也是黑体辐射？壁面的辐射是否也是黑体辐射？壁面的辐射是否也是黑体辐射？答：空
32、间内部壁面不一定是黑体辐射，之所以小孔呈现答：空间内部壁面不一定是黑体辐射，之所以小孔呈现答：空间内部壁面不一定是黑体辐射，之所以小孔呈现答：空间内部壁面不一定是黑体辐射，之所以小孔呈现出黑体特性，是因为辐射在空腔内经历了很多次吸收和出黑体特性，是因为辐射在空腔内经历了很多次吸收和出黑体特性，是因为辐射在空腔内经历了很多次吸收和出黑体特性，是因为辐射在空腔内经历了很多次吸收和反射过程，使离开小孔的能量微乎其微。反射过程，使离开小孔的能量微乎其微。反射过程，使离开小孔的能量微乎其微。反射过程，使离开小孔的能量微乎其微。4040第40页，本讲稿共54页 3 3.试试试试说说说说明明明明，为为为为什
33、什什什么么么么在在在在定定定定义义义义辐辐辐辐射射射射力力力力时时时时要要要要加加加加上上上上“半半半半球球球球空空空空间间间间”及及及及“全部波长全部波长全部波长全部波长”的说明？的说明？的说明？的说明？答答答答：因因因因为为为为辐辐辐辐射射射射表表表表面面面面半半半半球球球球空空空空间间间间每每每每一一一一立立立立体体体体角角角角都都都都有有有有来来来来自自自自辐辐辐辐射射射射面面面面的的的的辐辐辐辐射射射射能能能能，而而而而辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的形形形形式式式式有有有有各各各各个个个个不不不不同同同同波波波波长长长长，全全全全辐辐辐辐射射射射必必必必须须须须包包包包括括括括表表
34、表表面面面面辐辐辐辐射射射射出出出出去去去去的的的的全全全全部部部部能能能能量量量量，所所所所以以以以要要要要加加加加上上上上“半球空间半球空间半球空间半球空间”和和和和“全部波长全部波长全部波长全部波长”的说明。的说明。的说明。的说明。4.黑体的辐射能按波长是怎样分布的？光谱辐射力黑体的辐射能按波长是怎样分布的？光谱辐射力Eb的单位中分母的的单位中分母的“m3”代表什么意义？代表什么意义？答：黑体辐射能按波长的分布服从普朗克定律，光答：黑体辐射能按波长的分布服从普朗克定律，光谱辐射力单位中分母谱辐射力单位中分母“m m3 3”代表了单位面积代表了单位面积m m2 2 和和单位波长单位波长m
35、m的意思。的意思。4141第41页，本讲稿共54页下一张5.黑体的辐射能按空间方向是怎样分布？定向辐射强度黑体的辐射能按空间方向是怎样分布？定向辐射强度与空间方向无关是否意味着黑体的辐射能在半球空间与空间方向无关是否意味着黑体的辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的？各方向上是均匀分布的？答：黑体辐射能按空间方向分布服从兰贝特定律。定答：黑体辐射能按空间方向分布服从兰贝特定律。定向辐射强度与空间方向无关并不意味着黑体辐射能在向辐射强度与空间方向无关并不意味着黑体辐射能在半球空间各个方向均匀分布，因为辐射强度是指单位半球空间各个方向均匀分布，因为辐射强度是指单位可见辐射面积的辐射能，在不同方向，可
36、见辐射面积可见辐射面积的辐射能，在不同方向，可见辐射面积是不同的，即定向辐射力是不同的。是不同的，即定向辐射力是不同的。6.什么叫光谱吸收比？在不同光源的照耀下，物体常什么叫光谱吸收比？在不同光源的照耀下，物体常呈现不同的颜色，如何解释？呈现不同的颜色，如何解释？答：所谓光谱吸收比，是指物体对某一波长投入辐答：所谓光谱吸收比，是指物体对某一波长投入辐射的吸收份额，物体的颜色是物体对光源某种波长射的吸收份额，物体的颜色是物体对光源某种波长光波的强烈反射，不同光源的光谱不同，所以物体光波的强烈反射，不同光源的光谱不同，所以物体呈现出不同颜色。呈现出不同颜色。4242第42页，本讲稿共54页7.7.
37、对对对对于于于于一一一一般般般般物物物物体体体体，吸吸吸吸收收收收比比比比等等等等于于于于发发发发射射射射率率率率在在在在什什什什么么么么条条条条件件件件下下下下成成成成立立立立？答答答答：任任任任何何何何物物物物体体体体在在在在与与与与黑黑黑黑体体体体处处处处于于于于热热热热平平平平衡衡衡衡的的的的条条条条件件件件下下下下，对对对对来来来来自自自自黑黑黑黑体体体体辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。8.说明灰体的定义以及引入灰体的简化对工程辐射换热说明灰体的定义以及引入
38、灰体的简化对工程辐射换热计算的意义。计算的意义。答：光谱吸收比与波长无关的物体叫做灰体，灰体的吸答：光谱吸收比与波长无关的物体叫做灰体，灰体的吸收比恒等于同温度下的发射率，把实际物体当作灰体处收比恒等于同温度下的发射率，把实际物体当作灰体处理，可以不必考虑投入辐射的特性，将大大简化辐射换理，可以不必考虑投入辐射的特性，将大大简化辐射换热的计算。热的计算。4343第43页，本讲稿共54页9.已知材料已知材料A、B的光谱吸收比的光谱吸收比与波长的关系如图与波长的关系如图所示，试估计这两种材料的发射率所示，试估计这两种材料的发射率随温度变化的特性，随温度变化的特性，并说明理由。并说明理由。答：根据基
39、尔霍夫定律：答：根据基尔霍夫定律：答：根据基尔霍夫定律：答：根据基尔霍夫定律：又：维恩定律又：维恩定律:因为因为A A的光谱吸收比随波长增加而降低，即其善于吸收短的光谱吸收比随波长增加而降低，即其善于吸收短波辐射，必善于发射短波辐射，所以其发射率随温度升高波辐射，必善于发射短波辐射，所以其发射率随温度升高而升高，可能是金属材料。而升高，可能是金属材料。B B的光谱吸收比随波长增加而的光谱吸收比随波长增加而增高，即其善于吸收长波辐射，必善于发射长波辐射，所增高，即其善于吸收长波辐射，必善于发射长波辐射，所以其发射率随温度升高而降低。可能是非金属材料。以其发射率随温度升高而降低。可能是非金属材料。
40、4444第44页，本讲稿共54页 典型习题分析典型习题分析:1.1.一炉膛内火焰的平均温度为一炉膛内火焰的平均温度为1500K1500K，炉墙上有一直径，炉墙上有一直径为为20cm20cm的看火孔（可看成黑体）。试计算当看火孔打开的看火孔（可看成黑体）。试计算当看火孔打开时向外辐射的功率。该辐射能中波长为时向外辐射的功率。该辐射能中波长为2 2 m m的光谱辐射的光谱辐射力是多少力是多少?哪一种波长下的辐射能最多哪一种波长下的辐射能最多?解：解：根据根据PlankPlank定律，定律，=2=2 m m，T=1500 KT=1500 K时：时：4545第45页，本讲稿共54页由由WienWien
41、位移定律：位移定律：答：当看火孔打开时向外辐射的功率为答：当看火孔打开时向外辐射的功率为9018W9018W；该辐；该辐射能中波长为射能中波长为2 2 m m的单色辐射力是的单色辐射力是9.741010 W/m39.741010 W/m3；波长为波长为1.931.93 m m 的辐射能最多。的辐射能最多。4646第46页，本讲稿共54页2.2.一漫射表面在某一温度下的单色辐射力与波长的关一漫射表面在某一温度下的单色辐射力与波长的关系可以近似用右图表示，试：系可以近似用右图表示，试：(1)(1)计算此时的辐射力；计算此时的辐射力；(2)(2)计算此时法线方向的计算此时法线方向的定向辐射强度。定向
42、辐射强度。解：解：(1)(1)辐射力辐射力 =50(10-5)+150(15-10)+50(20-15)=1250 (W/m2)=50(10-5)+150(15-10)+50(20-15)=1250 (W/m2)(2)2)法向辐射强度法向辐射强度:因为是漫反射表面因为是漫反射表面,各方向辐射强度相同各方向辐射强度相同4747第47页，本讲稿共54页3.3.有一块厚为有一块厚为3mm3mm的玻璃，经测定，其对波长为的玻璃，经测定，其对波长为0.30.32.52.5 m m的辐射能的穿透率为的辐射能的穿透率为0.90.9，而对其它波长的辐射，而对其它波长的辐射能可以认为完全不穿透。试据此计算温度为
43、能可以认为完全不穿透。试据此计算温度为5800K5800K的黑的黑体辐射及温度为体辐射及温度为300K300K的黑体辐射投射到该玻璃上时各自的黑体辐射投射到该玻璃上时各自的总穿透率的总穿透率.解解:根据穿透率定义根据穿透率定义:在在 T=5800KT=5800K时时：1 1T=0.35800=1740 T=0.35800=1740 (m mK)K)2 2T=2.55800=14500 (T=2.55800=14500 (m mK)K)4848第48页，本讲稿共54页查参考文献查参考文献1表表7-1得：得：Fb(0-1)=3.296Fb(0-2)=96.57所以所以=0.9(0.9657-0.0
44、3296)=0.8395=83.95在在T=300K时：时：1T=0.3300=90(mK)2T=2.5300=750(mK)查表得：查表得：Fb(0-1)=0.0029Fb(0-2)=0.0242所以所以=0.9(0.0242-0.0029)=0.01924949第49页，本讲稿共54页分析与思考：分析与思考：暖房的升温作用可以从本题中玻璃的暖房的升温作用可以从本题中玻璃的单色穿透率特性得到解释，太阳辐射类似于温度为单色穿透率特性得到解释，太阳辐射类似于温度为5800K的黑体辐射，暖房内物体的辐射类似于温度的黑体辐射，暖房内物体的辐射类似于温度为为300K的黑体辐射，由于玻璃的选择透射而使太
45、阳的黑体辐射，由于玻璃的选择透射而使太阳热辐射易于进入，暖房内物体热辐射不易透出，从热辐射易于进入，暖房内物体热辐射不易透出，从而使暖房温度升高。而使暖房温度升高。5050第50页，本讲稿共54页4.面积为面积为A1=410-4m2温度为温度为T1=1000K的漫射表面向半的漫射表面向半球空间发出热辐射，球空间发出热辐射，在与辐射表面法线成在与辐射表面法线成45 方向距离方向距离为为1m处安置一直径为处安置一直径为20mm的热流计探头，测得该处的的热流计探头，测得该处的热流为热流为1.210-3W，探头表面的吸收比取为，探头表面的吸收比取为1。试确定辐。试确定辐射表面的黑度。射表面的黑度。解：
46、探头对辐射表面构成的立体角为解：探头对辐射表面构成的立体角为:5151第51页，本讲稿共54页在在1000K下黑体的辐射力为：下黑体的辐射力为：Eb=5.6710-810004=5.67104(W/m2)由：由：5252第52页，本讲稿共54页5.一表面的光谱反射比与波长之间的关系如下：对于波一表面的光谱反射比与波长之间的关系如下：对于波长小于长小于4的热辐射，其反射比的热辐射，其反射比 ，对于波长大于，对于波长大于4的热辐射，其反射比的热辐射，其反射比 。试确定该表面对温度为。试确定该表面对温度为1000K的黑体辐射的吸收比。的黑体辐射的吸收比。解：解：查黑体辐射函数：查黑体辐射函数：5353第53页，本讲稿共54页作业作业8-18-1，8-168-165454第54页，本讲稿共54页