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1、第七章第七章 热辐射基本定及热辐射基本定及物体的辐射特性物体的辐射特性7-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念1.1.热辐射特点热辐射特点(1)(1)定义：由热运动产生的，以电磁波形式传定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；递的能量；(2)(2)特点：特点：a a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K0 K，就会不停地向四周空间发出热辐射；就会不停地向四周空间发出热辐射；b b 可以可以在真空中传播；在真空中传播；c c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d d 具有猛烈的方向性；具有猛烈的方向性；e e 辐射能与温度和波长辐射能与温度和波长均有关；均有关；f f
2、放射辐射取决于温度的放射辐射取决于温度的4 4次方。次方。2.2.电磁波谱电磁波谱 电磁辐射包含了多种形式，如图电磁辐射包含了多种形式，如图7-17-1所示，而所示，而我们所感爱好的，即工业上有实际意义的热辐射区我们所感爱好的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为域一般为0.1100m0.1100m。电磁波的传播速度：电磁波的传播速度：C =f C =f 式中：式中：f f 频率，频率，s-1;s-1;波长，波长，mm电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱图图7-17-1 当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸取、反射和穿透，如图种现象，即吸取
3、、反射和穿透，如图7-27-2所示。所示。3.3.物体对热辐射的吸取、反射和穿透物体对热辐射的吸取、反射和穿透 图图7.2 7.2 物体对热辐射的吸取反射和穿透物体对热辐射的吸取反射和穿透对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：对于黑体：镜体或白体：镜体或白体：透亮体：透亮体：反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种图图7-3 镜反射镜反射图图7-4 漫反射漫反射1.1.黑体概念黑体概念 黑体：是指能吸取投黑体：是指能吸取投入到其面上的全部热入到其面上的全部热辐射能的物体，是一辐射能的物体，是一种科学假想的物体，种科学假想的
4、物体，现实生活中是不存在现实生活中是不存在的。但却可以人工制的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。造出近似的人工黑体。图图7-5 7-5 黑体模型黑体模型7-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间放单位时间内，物体的单位表面积向半球空间放射的全部波长的能量总和。射的全部波长的能量总和。(W/m2)(W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力EE：单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定包含某一给定波长波长)，物体的单位表面积向半球空间放射的能，物体的单位表面积向半球空间放射的能量。量。(W/m3)(W/m3)；2.2.
5、热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法E E、E E关系关系:明显，明显，E E和和EE之间具有如下关系：之间具有如下关系：黑体一般接受下标黑体一般接受下标b b表示，如黑体的辐射力表示，如黑体的辐射力为为EbEb，黑体的光谱辐射力为，黑体的光谱辐射力为EbEb3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质黑体辐射的三个基本定律及相关性质式中，式中，波长，波长，m m；T T 黑体温度，黑体温度，K K；c1 c1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.74210-16 W3.74210-16 W m2m2；c2 c2 其次辐射常数，其次辐射常数，1.438810-2 W1.438810-2 W K K；(
6、1)Planck(1)Planck定律定律(第一个定律第一个定律)：图图7-6 Planck 7-6 Planck 定律的图示定律的图示(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律(其次个定律其次个定律)：式中，式中，=5.6710-8 w/(m2=5.6710-8 w/(m2 K4)K4)，是是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。图图7-67-6是依据上式描绘的黑体光谱辐射力随波是依据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。长和温度的依变关系。mm与与T T 的关系由的关系由WienWien位移位移定律给
7、出：定律给出：(3)(3)黑体辐射函数黑体辐射函数黑体在波长黑体在波长11和和22区段内所放射的辐射力，区段内所放射的辐射力，如图如图7-77-7所示：所示：图图7-7 7-7 特定波长区段内的黑体辐射力特定波长区段内的黑体辐射力黑体辐射函数黑体辐射函数:定定义义：球球面面面面积积除除以以球球半半径径的的平平方方称称为为立立体体角角，单单位位：sr(sr(球球面面度度)，如如图图7-87-8和和7-97-9所示：所示：(4)(4)立体角立体角图图7-8 7-8 立体角定义图立体角定义图图图7-9 7-9 计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几何关系定义：单位时间内，物体在垂直放射方向的定义
8、：单位时间内，物体在垂直放射方向的单位面积上，在单位立体角内放射的一切波单位面积上，在单位立体角内放射的一切波长的能量，参见图长的能量，参见图7-107-10。(5)(5)定向辐射强度定向辐射强度L L(,)：(6)Lambert(6)Lambert 定律定律(黑体辐射的第三个基本定律黑体辐射的第三个基本定律)它说明黑体的定向辐射力随天顶角它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变更，见图呈余弦规律变更，见图7-117-11，因此，因此，LambertLambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。图图7-10 7-10 定向辐射强定向辐射强 度的定义图度的定义图图图7-11 Lambe
9、rt7-11 Lambert定律图示定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:E:7-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性1 放射率放射率前面定义了黑体的放射特性：同温度下，黑体放前面定义了黑体的放射特性：同温度下，黑体放射热辐射的实力最强，包括全部方向和全部波射热辐射的实力最强，包括全部方向和全部波长；长；真实物体表面的放射实力低于同温度下的黑体；真实物体表面的放射实力低于同温度下的黑体；因此，定义了放射率因此，定义了放射率(也称为黑度也称为黑度)：相同温：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总度下，实际物体的半球总辐
10、射力与黑体半球总辐射力之比辐射力之比:上面公式只是针对方向和光谱平均的状况，但事实上，真实上面公式只是针对方向和光谱平均的状况，但事实上，真实表面的放射实力是随方向和光谱变更的。表面的放射实力是随方向和光谱变更的。WavelengthDirection(angle from the surface normal)因此，我们须要定义方向光谱放射率，对于因此，我们须要定义方向光谱放射率，对于某一指定的方向某一指定的方向(,)和波长和波长对上面公式在全部波长范围内积分，可得到方对上面公式在全部波长范围内积分，可得到方向总放射率，即实际物体的定向辐射强度与黑向总放射率，即实际物体的定向辐射强度与黑体的
11、定向辐射强度之比：体的定向辐射强度之比：对于指定波长，而在方向上平均的状况，对于指定波长，而在方向上平均的状况，则定义了半球光谱放射率，即实际物体的光则定义了半球光谱放射率，即实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比这样，前面定义的半球总放射率则可以写为：这样，前面定义的半球总放射率则可以写为：半球总放射率是对全部方向和全部波长半球总放射率是对全部方向和全部波长下的平均下的平均 对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力，光谱辐射力Eb 和定向辐射强度和定向辐射强度L，分别，分别引入了三个修正系数，即，放射率引入了三个修正系数，即，放射率，光谱放射率，
12、光谱放射率()和定向放射率和定向放射率()，其表达式和物理意义如下，其表达式和物理意义如下实际物体的辐射力与黑体辐射力之比实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：辐射力之比：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：辐射强度之比：漫放射的概念：表面的方向放射率漫放射的概念：表面的方向放射率 ()与方向无关，即定向辐射强度与方与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫放射向无关，满足上诉规律的表面称为漫放射面，这是对大多数实际表面的一种很好的面，这是对大多数实际表面的
13、一种很好的近似。近似。图图7-15 几种金属导体在不同方向上的定向放射率几种金属导体在不同方向上的定向放射率()(t=150)图图7-16 几种非导电体材料在不同方向上的定向放射率几种非导电体材料在不同方向上的定向放射率()(t=093.3)前前面面讲讲过过，黑黑体体、灰灰体体、白白体体等等都都是是志志向向物物体体，而而实实际际物物体体的的辐辐射射特特性性并并不不完完全全与与这这些些志志向向物物体体相相同同，比比如如，(1)(1)实实际际物物体体的的辐辐射射力力与与黑黑体体和和灰灰体体的的辐辐射射力力的的差差别别见见图图7-147-14；(2)(2)实实际际物物体体的的辐辐射射力力并并不不完完
14、全全与与热热力力学学温温度度的的四四次次方方成成正正比比；(3)(3)实实际际物物体体的的定定向向辐辐射射强强度度也也不不严严格格遵遵守守LambertLambert定定律律，等等等等。全全部部这这些些差差别别全全部部归归于于上上面面的的系系数数，因因此此，他他们们一一般般须须要要试试验验来来确确定定，形形式式也也可可能能很很困困难难。在在工工程程上上一一般般都都将将真真实实表表面面假假设为漫放射面。设为漫放射面。图图7-14 实际物体、黑体实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱和灰体的辐射能量光谱本节中，还有几点须要留意本节中，还有几点须要留意将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射特别将不确定
15、因素归于修正系数，这是由于热辐射特别困难，很难理论确定，事实上是一种权宜之计；困难，很难理论确定，事实上是一种权宜之计；听从听从LambertLambert定律的表面成为漫射表面。虽然实际物定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定向放射率并不完全符合体的定向放射率并不完全符合LambertLambert定律，但仍定律，但仍旧近似地认为大多数工程材料听从旧近似地认为大多数工程材料听从LambertLambert定律，定律，这有很多缘由；这有很多缘由；物体表面的放射率取决于物质种类、表面温度和表物体表面的放射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明放射率只与放射辐射的物体本身面状况。这说明放射
16、率只与放射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。有关，而不涉及外界条件。上一节简洁介绍了实际物体的放射状况，那么当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸取的状况又是如何呢？本节将对其作出解答。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with what happens to _,while emissivity deals with _1.1.投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能总辐射能 2.2.选择性吸取：投入辐射本身具有光谱特性，因选择性吸取：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投
17、入辐射的吸取实力也依据其波此，实际物体对投入辐射的吸取实力也依据其波长的不同而变更，这叫选择性吸取长的不同而变更，这叫选择性吸取首先介绍几个概念：首先介绍几个概念：7-4 7-4 实际固体的吸取比和基尔霍夫定律实际固体的吸取比和基尔霍夫定律3.3.吸取比：物体对投入辐射所吸取的百分数，通吸取比：物体对投入辐射所吸取的百分数，通常用常用 表示，即表示，即4 4 光谱吸取比：物体对某一特定波长的辐射能所吸光谱吸取比：物体对某一特定波长的辐射能所吸取的百分数，也叫单色吸取比。光谱吸取比随波取的百分数，也叫单色吸取比。光谱吸取比随波长的变更体现了实际物体的选择性吸取的特性。长的变更体现了实际物体的选择
18、性吸取的特性。图图7-177-17和和7-187-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸分别给出了室温下几种材料的光谱吸取比同波长的关系。取比同波长的关系。图图7-17 金属导电体的光谱吸取比同波长的关系金属导电体的光谱吸取比同波长的关系图图7-18 7-18 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系灰体：光谱吸取比与波长无关的物体称为灰体。灰体：光谱吸取比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸取比此时，不管投入辐射的分布如何，吸取比 都是同都是同一个常数。一个常数。依据前面的定义可知，物体的吸取比除与自身表面依据前面的定义可知，物体的吸取比除
19、与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标布有关。设下标1 1、2 2分别代表所探讨的物体和产生分别代表所探讨的物体和产生投入辐射的物体，则物体投入辐射的物体，则物体1 1的吸取比为的吸取比为图图7-187-18给出了一些材料对黑体辐射的吸取比与温度的关系。给出了一些材料对黑体辐射的吸取比与温度的关系。如果投入辐射来自黑体，由于如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为，则上式可变为图图7-19 7-19 物体表面对黑体辐射的吸取比与温度的关系物体表面对黑体辐射的吸取比与温度的关系(1)(1)灰体法，即将光谱吸取比灰体法，即
20、将光谱吸取比 ()等效为等效为常数，即常数，即 =()=const)=const。并将。并将()与波长无关的物体称为灰体，与黑与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，它也是一种志向物体，但对于大体类似，它也是一种志向物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；是可以容忍的；(2)(2)谱带模型法，即将所关切的连续分布的谱谱带模型法，即将所关切的连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。设。放射辐射与吸取辐射二者之间的联系：放
21、射辐射与吸取辐射二者之间的联系：最简洁的推导是用两块无限大平板间最简洁的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图的热力学平衡方法。如图7-207-20所示，板所示，板1 1时黑体，板时黑体，板2 2是随意物体，参数分别为是随意物体，参数分别为Eb,Eb,T1 T1 以及以及E,E,T2,T2，则当系统处于热平衡，则当系统处于热平衡时，有时，有 图图7-20 7-20 平行平板间的辐射换热平行平板间的辐射换热 此即此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热力学平定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状态下，物体的吸取率等与它的放射率。但该式具有如下衡状态下，物体的吸取率等与
22、它的放射率。但该式具有如下限制：限制：整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；如物体的吸取率和放射率与温度有关，则二者只有处于同一温如物体的吸取率和放射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；度下的值才能相等；投射辐射源必需是同温度下的黑体。投射辐射源必需是同温度下的黑体。为了将为了将Kirchhoff Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律该定律不同层次上的表达式，见表不同层次上的表达式，见表7-27-2。层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱
23、，定向光谱，半球光谱，半球全波段，半球全波段，半球无条件，无条件，为天顶角为天顶角漫射表面漫射表面与黑体处于热平衡或对与黑体处于热平衡或对漫灰表面漫灰表面表表7-2 Kirchhoff 7-2 Kirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式注：注：漫射表面：指放射或反射的定向辐射强度与漫射表面：指放射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合空间方向无关，即符合LambertLambert定律的物定律的物体表面；体表面；灰体：指光谱吸取比与波长无关的物体，其灰体：指光谱吸取比与波长无关的物体，其放射和吸取辐射与黑体在形式上完全一样，放射和吸取辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。只是减小了一个相同的比例。