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1、会计学1热辐射基本热辐射基本(jbn)定律和辐射基本定律和辐射基本(jbn)特性特性第一页，共75页。第1页/共75页第二页，共75页。传热学传热学第八章第八章 热辐射热辐射(fsh)基本定律和基本定律和辐射辐射(fsh)特性特性第2页/共75页第三页，共75页。8-1 8-1 热辐射现象热辐射现象热辐射现象热辐射现象(xinxing)(xinxing)的基本概念的基本概念的基本概念的基本概念1.热辐射特点热辐射特点(1)定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)特点：特点：a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0K，就会不停地
2、向周围空，就会不停地向周围空间发出热辐射；间发出热辐射；b 可以在真空中传播可以在真空中传播(chunb)；c 伴随能伴随能量形式的转变；量形式的转变；d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波辐射能与温度和波长均有关；长均有关；f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。(3)辐射传热辐射传热热力学能热力学能热力学能热力学能辐射能辐射能第3页/共75页第四页，共75页。电磁波谱电磁波谱第4页/共75页第五页，共75页。2.电磁波谱电磁波谱(2).热辐射的波长热辐射的波长(bchng)范围范围 理论上理论上 ：0 整个波谱；整个波谱；日常生活日常生活,工业上常见
3、的温度范围（太阳辐工业上常见的温度范围（太阳辐射）射）：0.1100 m，包括包括(boku)部分紫外线、可见光、部分紫外线、可见光、部分红外线；部分红外线；(1).传播速率与波长，频率间的关系传播速率与波长，频率间的关系第5页/共75页第六页，共75页。一、吸收比、反射一、吸收比、反射(fnsh)比和穿透比比和穿透比 吸收吸收(xshu)比比反射反射(fnsh)比比穿透比穿透比8-1 热辐射热辐射的基本概念的基本概念的基本概念的基本概念 第6页/共75页第七页，共75页。注注注注 意意意意(zh(zh(zh(zh y)y)y)y)：（1 1 1 1）不不不不仅仅仅仅(bjn)(bjn)(bj
4、n)(bjn)取取取取决决决决于于于于物物物物体体体体的的的的性性性性质质质质，还还还还与与与与投投投投射射射射辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的波波波波长长长长分分分分布有关。布有关。布有关。布有关。（3 3）对于大多数的固体和液体对于大多数的固体和液体(yt)：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：固固固固体体体体和和和和液液液液体体体体对对对对辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的吸吸吸吸收收收收和和和和反反反反射射射射基基基基本本本本上上上上属属属属于于于于表表表表面面面面效效效效应应应应：金金金金属属属属的的的的表面层厚度小于表面层厚度小于表面层厚度小于表面层厚度小于1 1 mm；绝大多数
5、非金属的；绝大多数非金属的；绝大多数非金属的；绝大多数非金属的表面层厚度小于表面层厚度小于表面层厚度小于表面层厚度小于1 1mmmm。（2）镜反射和漫反射镜反射和漫反射第7页/共75页第八页，共75页。二、黑体模型二、黑体模型(mxng)能吸收投入到其表面上的所有热辐射能的物体，是能吸收投入到其表面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实中并不存在。一种科学假想的物体，现实中并不存在。透明体：透明体：黑体黑体(hit)：白体白体(bit)或或镜体：镜体：煤烟、炭黑、粗糙的钢板煤烟、炭黑、粗糙的钢板第8页/共75页第九页，共75页。白雪白雪：（接近黑体）；（接近黑体）；白布，黑布吸收比
6、基本相同；白布，黑布吸收比基本相同；玻璃可透过可见光，对红外线几乎不透过。玻璃可透过可见光，对红外线几乎不透过。例如例如(lr)黑体，白体不同于黑色物体，白色物体。黑体，白体不同于黑色物体，白色物体。区别区别黑体吸收和发射黑体吸收和发射(fsh)辐射能的能力最强辐射能的能力最强第9页/共75页第十页，共75页。辐射力辐射力E：单位单位(dnwi)时间内，物体的单位时间内，物体的单位(dnwi)表面表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。积向半球空间发射的所有波长的能量总和。(W/m2)；三、辐射力和光谱三、辐射力和光谱(gungp)辐射力辐射力光谱辐射力光谱辐射力E：单位时间内，单位波长单位
7、时间内，单位波长(bchng)范围内范围内(包含某一给定波长包含某一给定波长(bchng)，物体的单位，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。表面积向半球空间发射的能量。(W/m3)；第10页/共75页第十一页，共75页。四四四四.定向定向定向定向(dn xin)(dn xin)辐射强度辐射强度辐射强度辐射强度 立体角：立体角：立体角：立体角：半半半半径径径径为为为为r r r r的的的的球球球球面面面面上上上上面面面面积积积积(min(min(min(min j)Aj)Aj)Aj)A与与与与球球球球心心心心所所所所对对对对应应应应的空间角度，的空间角度，的空间角度，的空间角度，单位单位单位单
8、位(dnwi)(dnwi)为为为为SrSr（球面度）（球面度）（球面度）（球面度）(，）方向上的微元面积方向上的微元面积方向上的微元面积方向上的微元面积 d dA Ac c对球心所张的微元立体角对球心所张的微元立体角对球心所张的微元立体角对球心所张的微元立体角 热传导和对流换热均与面积有关，热辐射是表面向空间发出热传导和对流换热均与面积有关，热辐射是表面向空间发出辐射，辐射换热无需换热面直接接触从而产生立体角问题。辐射，辐射换热无需换热面直接接触从而产生立体角问题。第11页/共75页第十二页，共75页。单位时间、单位可见辐射单位时间、单位可见辐射(fsh)(fsh)面积向面积向（，）方向的单位
9、立体角内发）方向的单位立体角内发射的所有波长的总辐射射的所有波长的总辐射(fsh)(fsh)能，单位为能，单位为W/(m2W/(m2 sr)sr)。定向定向(dn xin)辐射强度辐射强度I(,)能流能流 辐辐辐辐射射射射强强强强度度度度的的的的大大大大小小小小不不不不仅仅仅仅取取取取决决决决于于于于物物物物体体体体种种种种类类类类、表表表表面面面面性性性性质质质质(xngzh)(xngzh)(xngzh)(xngzh)、温温温温度度度度，还与方向有关。对于各向同性的物体表面，辐射强度与角还与方向有关。对于各向同性的物体表面，辐射强度与角还与方向有关。对于各向同性的物体表面，辐射强度与角还与方
10、向有关。对于各向同性的物体表面，辐射强度与角 无关。无关。无关。无关。辐射力与定向辐射强度之间的关系：辐射力与定向辐射强度之间的关系：辐射力与定向辐射强度之间的关系：辐射力与定向辐射强度之间的关系：第12页/共75页第十三页，共75页。一、普朗克定律一、普朗克定律一、普朗克定律一、普朗克定律(dngl)(dngl)C1=3.74310-16 W m2;C2=1.43910-2 m K。特点特点特点特点(tdin)(tdin)(tdin)(tdin)：（1 1 1 1）温温温温 度度度度 愈愈愈愈 高高高高，同同同同 一一一一(tngy)(tngy)(tngy)(tngy)波长下的光谱辐射力愈大
11、；波长下的光谱辐射力愈大；波长下的光谱辐射力愈大；波长下的光谱辐射力愈大；（2 2 2 2）在一定的温度下，）在一定的温度下，）在一定的温度下，）在一定的温度下，黑体的光谱辐射力在某一波黑体的光谱辐射力在某一波黑体的光谱辐射力在某一波黑体的光谱辐射力在某一波长下具有最大值；长下具有最大值；长下具有最大值；长下具有最大值；（3 3 3 3）随随随随着着着着温温温温度度度度的的的的升升升升高高高高，E Eb b 取取取取得得得得最最最最大大大大值值值值的的的的波波波波长长长长 maxmax愈愈愈愈来来来来愈愈愈愈小小小小，即即即即在在在在 坐标中的位置向短波方向移动坐标中的位置向短波方向移动坐标中
12、的位置向短波方向移动坐标中的位置向短波方向移动维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律8-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 黑体的辐射力按波长的分布规律黑体的辐射力按波长的分布规律第13页/共75页第十四页，共75页。维维维维恩恩恩恩（WienWienWienWien）位位位位移移移移(wiy)(wiy)(wiy)(wiy)定定定定律律律律:太太太太阳阳阳阳表表表表面面面面温温温温度度度度约约约约为为为为5800 5800 5800 5800 K K K K，由由由由上上上上式式式式可可可可求求求求得得得得max=0.5 max=0.5 ma
13、x=0.5 max=0.5 m m m m，位位位位于于于于(wiy)(wiy)(wiy)(wiy)可可可可见见见见光光光光范范范范围围围围内内内内，可可可可见见见见光光光光占占占占太太太太阳阳阳阳辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的份份份份额额额额约约约约为为为为44.6%44.6%44.6%44.6%。对对对对于于于于2000 2000 2000 2000 K K K K温温温温度度度度(wnd)(wnd)(wnd)(wnd)下下下下黑黑黑黑体体体体,可可可可求求求求得得得得max=1.45 max=1.45 max=1.45 max=1.45 m m m m，位于红外线范围内。位于红外线范围
14、内。位于红外线范围内。位于红外线范围内。二、二、二、二、斯忒藩斯忒藩斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 1 1 1 1）斯忒藩斯忒藩斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律表达式：玻耳兹曼定律表达式：玻耳兹曼定律表达式：玻耳兹曼定律表达式：=5.67105.6710-8-8 W/(mW/(m2 2 K K4 4)斯斯斯斯忒忒忒忒藩藩藩藩-玻玻玻玻耳耳耳耳兹兹兹兹曼曼曼曼常常常常数数数数，又又又又称称称称为为为为黑黑黑黑体体体体辐射常数辐射常数辐射常数辐射常数。（四次方定律）（四次方定律）（四次方定律）（四次方定律）黑体的所有波长辐射力总和黑体的所有波长辐射力总和第14页/共75页
15、第十五页，共75页。2 2 2 2）波段）波段）波段）波段(bdun)(bdun)(bdun)(bdun)辐射力与黑体辐射函数表辐射力与黑体辐射函数表辐射力与黑体辐射函数表辐射力与黑体辐射函数表波段辐射力波段辐射力波段辐射力波段辐射力 占黑体辐射力占黑体辐射力占黑体辐射力占黑体辐射力E Eb b的百分数的百分数的百分数的百分数 波段波段波段波段(bdun)(bdun)辐射力辐射力辐射力辐射力 第15页/共75页第十六页，共75页。根据根据根据根据(gnj)(gnj)(gnj)(gnj)普朗克定律表达式，普朗克定律表达式，普朗克定律表达式，普朗克定律表达式，f(f(T)T)称称为为黑黑体体辐辐射
16、射(fsh)(fsh)函函数数，表表示示温温度度为为T T 的的黑黑体体所所发发射射的的辐射辐射(fsh)(fsh)能中在波段能中在波段0 0内的辐射内的辐射(fsh)(fsh)能所占的百分数。能所占的百分数。利利利利用用用用黑黑黑黑体体体体辐辐辐辐射射射射函函函函数数数数数数数数值值值值表表表表（表表表表8-18-18-18-1）可可可可以以以以很很很很容容容容易易易易地地地地用用用用下下下下式式式式计计计计算算算算黑黑黑黑体体体体在在在在某某某某一温度下发射的任意一温度下发射的任意一温度下发射的任意一温度下发射的任意(rny)(rny)(rny)(rny)波段的辐射能量：波段的辐射能量：波
17、段的辐射能量：波段的辐射能量：第16页/共75页第十七页，共75页。三三三三.兰兰兰兰贝贝贝贝特特特特定定定定律律律律(dngl)(dngl)（余余余余弦弦弦弦定定定定律律律律(dngl)(dngl)）黑体黑体黑体黑体(hit)(hit)(hit)(hit)的定向辐射强度与方向无关，半球的定向辐射强度与方向无关，半球的定向辐射强度与方向无关，半球的定向辐射强度与方向无关，半球空间各方向上的辐射强度都相等，即空间各方向上的辐射强度都相等，即空间各方向上的辐射强度都相等，即空间各方向上的辐射强度都相等，即常量常量(chngling)给出了黑体表面发出的辐射能在所面对的半球空间不同方给出了黑体表面发
18、出的辐射能在所面对的半球空间不同方向上的分布规律向上的分布规律 表明：服从兰贝特定律的辐射从单位辐射面积发出的辐射表明：服从兰贝特定律的辐射从单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同方向单位立体角内的辐射能量的数值并不能，落到空间不同方向单位立体角内的辐射能量的数值并不相等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦，故相等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦，故兰贝特定律又称余弦定律。兰贝特定律又称余弦定律。余弦定律说明，余弦定律说明，黑体表面发出的辐射能在空间不同方向的黑体表面发出的辐射能在空间不同方向的黑体表面发出的辐射能在空间不同方向的黑体表面发出的辐射能在空间不同方向的分布是不
19、均匀的，法线方向最大，切线方向为零。分布是不均匀的，法线方向最大，切线方向为零。分布是不均匀的，法线方向最大，切线方向为零。分布是不均匀的，法线方向最大，切线方向为零。第17页/共75页第十八页，共75页。大多数工程材料表面辐射大多数工程材料表面辐射(fsh)近似服从兰贝特定律，服从兰贝特近似服从兰贝特定律，服从兰贝特定律的表面称为漫射表面定律的表面称为漫射表面 漫射表面漫射表面(biomin)的辐射力是定向辐射强度的的辐射力是定向辐射强度的倍倍 归纳归纳(gun)黑体的辐射力由斯成藩黑体的辐射力由斯成藩-玻耳兹曼玻耳兹曼 定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方；定律确定，辐射力正比于热力学
20、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，按空间方向黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律，按空间方向的分布服从兰贝特定律；的分布服从兰贝特定律；黑体光谱辐射力有峰值，与此峰值相对应的波长黑体光谱辐射力有峰值，与此峰值相对应的波长m由维恩由维恩位移定律确定，随着温度的升高位移定律确定，随着温度的升高m向波长短的方向移动。向波长短的方向移动。例例8-1第18页/共75页第十九页，共75页。例例8-1 太阳是一个直径大约太阳是一个直径大约1.39109 m，表面温度，表面温度(wnd)达达5 762 K的炽热火球，它的总辐射功率达到的炽热火球，它的总辐射功率达到3.81026 W，达到
21、地球范围，达到地球范围的辐射能量仅占其中的的辐射能量仅占其中的22亿分之一。试计算亿分之一。试计算5 762 K温度温度(wnd)下黑体辐射中可见光（下黑体辐射中可见光（0.38 0.76 m）和一定范围内红外辐射）和一定范围内红外辐射（0.76 40 m）能量的比例。）能量的比例。解：计算从零至给定波长解：计算从零至给定波长(bchng)各段辐射能量的比各段辐射能量的比例例 查黑体查黑体(hit)辐射函数表辐射函数表(表表8-1)得得第19页/共75页第二十页，共75页。可见光波段的辐射能量可见光波段的辐射能量(nngling)比例为比例为 0.545 80.099 32=0.446 5 0
22、.76 m 40 m红外波段红外波段(bdun)的辐射能量比例的辐射能量比例 1.00.545 8=0.454 2 计算表明：计算表明：(1)大气层外太阳辐射中可见光的能量比例接近大气层外太阳辐射中可见光的能量比例接近45，而，而40 m以内的红外辐射也占大约以内的红外辐射也占大约45。(2)太阳辐射温度太阳辐射温度(wnd)下，下，40m以上的红外辐射能量几乎为零。以上的红外辐射能量几乎为零。第20页/共75页第二十一页，共75页。8-3 灰体和基尔霍夫定律灰体和基尔霍夫定律(dngl)一、实际一、实际一、实际一、实际(shj)(shj)物体的辐射特性和发射率物体的辐射特性和发射率物体的辐射
23、特性和发射率物体的辐射特性和发射率 实际实际(shj)物体物体辐射特性：辐射特性：光谱辐射力随波长呈现不规则的变化；光谱辐射力随波长呈现不规则的变化；辐射力并不严格地同热力学温度四次方成正比；辐射力并不严格地同热力学温度四次方成正比；定向辐射强度在不同方向上有变化。定向辐射强度在不同方向上有变化。发射率发射率 修正黑体的辐射力修正黑体的辐射力Eb光谱发射率光谱发射率()修正光谱辐射力修正光谱辐射力Eb 定向发射率定向发射率()修正定向辐射强度修正定向辐射强度I第21页/共75页第二十二页，共75页。发射率（黑度发射率（黑度(hi d)(hi d)）实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力的比值。
24、实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力的比值。实际物体的光谱辐射力与同温度下黑体实际物体的光谱辐射力与同温度下黑体(hit)光谱辐射力的比光谱辐射力的比值。值。实际物体的光谱发射率是波长的函数。实际物体的光谱发射率是波长的函数。实际物体实际物体(wt)(wt)的光谱发射率（单色黑度）的光谱发射率（单色黑度）光谱光谱发射率发射率描述实际物体的辐射力随波长不规则变化的特性；描述实际物体的辐射力随波长不规则变化的特性；发射率发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小反映了物体发射辐射能的能力的大小反映了物体发射辐射能的能力的大小反映了物体发射辐射能的能力的大小。实实实实际际际际物物物物体体体体的的的的辐
25、辐辐辐射射射射力力力力并并并并不不不不严严严严格格格格遵遵遵遵循循循循四四四四次次次次方方方方定定定定律律律律，偏偏偏偏差差差差包包包包含含含含在在在在由由由由实实实实验验验验确定的发射率数值中。确定的发射率数值中。确定的发射率数值中。确定的发射率数值中。第22页/共75页第二十三页，共75页。实实实实际际际际(shj)(shj)(shj)(shj)物物物物体体体体定定定定向向向向发发发发射射射射率率率率几几几几种种种种(j(j(j(j zhn)zhn)zhn)zhn)非非非非金金金金属属属属材材材材料料料料的的的的定定定定向向向向发射率发射率发射率发射率 几几几几种种种种(j(j(j(j z
26、hn)zhn)zhn)zhn)金金金金属属属属材材材材料料料料的的的的定定定定向向向向发发发发射率射率射率射率 实际物体的辐射力实际物体的辐射力 表表8-2 一些材料的法向发射率一些材料的法向发射率 实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比工程材料绝大多数可以忽略发射率随方向角的变化。工程材料绝大多数可以忽略发射率随方向角的变化。工程材料绝大多数可以忽略发射率随方向角的变化。工程材料绝大多数可以忽略发射率随方向角的变化。实际物体定向发射率实际物体定向发射率实际物体定向发射率实际物体定向发射率是方向角是方向角是方向角是方向角 的函数的函数的函数
27、的函数第23页/共75页第二十四页，共75页。1、将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，、将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难理论确定；很难理论确定；2、实际物体的定向发射、实际物体的定向发射(fsh)率并不完全符合兰贝特定律，但率并不完全符合兰贝特定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从兰贝特定律；仍然近似地认为大多数工程材料服从兰贝特定律；3、发射、发射(fsh)率只与发射率只与发射(fsh)辐射的物体本身有关，而不涉辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。及外界条件。讨论讨论(toln)第24页/共75页第二十五页，共75页。第25页/共75页第二十六页，共7
28、5页。（1）投入辐射）投入辐射 ：单位时间内从外界辐射到物体单位表面积单位时间内从外界辐射到物体单位表面积 上的能量。上的能量。（2）选择性吸收：）选择性吸收：投入辐射本身投入辐射本身(bnshn)具有光谱特性，因此，实际物体对投入具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐辐 射的吸收能力也根据其波射的吸收能力也根据其波 长不同而变化长不同而变化选择性吸收。选择性吸收。二、灰体二、灰体1光谱光谱(gungp)吸收比吸收比 （3）光谱吸收比：）光谱吸收比：物体物体(wt)对某一特定波长的辐射能对某一特定波长的辐射能 所吸收的百分数所吸收的百分数(单色吸单色吸收比收比)。第26页/共75页第二十七页，共
29、75页。几种金属材料光谱吸收比几种金属材料光谱吸收比几种金属材料光谱吸收比几种金属材料光谱吸收比几种非金属材料的光谱吸收比几种非金属材料的光谱吸收比几种非金属材料的光谱吸收比几种非金属材料的光谱吸收比 实际物体的光谱实际物体的光谱(gungp)吸收比随投入辐射的波长而异，因而物体吸收比随投入辐射的波长而异，因而物体的吸收比比发射率更为复杂。给辐射换热计算带来很大困难。的吸收比比发射率更为复杂。给辐射换热计算带来很大困难。如果物体光谱如果物体光谱(gungp)吸收比与波长无关，则不管投入辐射分布如何，吸收比与波长无关，则不管投入辐射分布如何，吸收比只决定于物体自身状况，是同一常数。吸收比只决定于
30、物体自身状况，是同一常数。第27页/共75页第二十八页，共75页。热辐射分析中，把光谱吸收比与波长无关热辐射分析中，把光谱吸收比与波长无关(wgun)的物体称为灰体。的物体称为灰体。2灰体灰体=常数常数(chngsh)灰体的光谱辐射特性灰体的光谱辐射特性(txng)不随波长而变化。不随波长而变化。第28页/共75页第二十九页，共75页。第29页/共75页第三十页，共75页。1859年，年，Kirchhoff 提出提出(t ch)了了Kirchhoff 定律。定律。Kirchhoff 定律揭示了实际物体辐射力定律揭示了实际物体辐射力E与吸收比与吸收比关系关系(gun x)：在热力学平衡状态下，物
31、体的吸收率等与它的发射率。在热力学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。三、三、基尔霍夫基尔霍夫 定律定律(dngl)考虑处于平衡状态下的两物体：考虑处于平衡状态下的两物体：T1（黑体黑体）和和T2，对物体，对物体2立能量方程立能量方程 或或在热平衡状态下任何物体的辐射力与它对黑体辐射的在热平衡状态下任何物体的辐射力与它对黑体辐射的在热平衡状态下任何物体的辐射力与它对黑体辐射的在热平衡状态下任何物体的辐射力与它对黑体辐射的吸收率之比恒等于同温度黑体的辐射力。吸收率之比恒等于同温度黑体的辐射力。吸收率之比恒等于同温度黑体的辐射力。吸收率之比恒等于同温度黑体的辐射力。显然，这个比值与物性无关，仅
32、与温度有关。显然，这个比值与物性无关，仅与温度有关。第30页/共75页第三十一页，共75页。讨论讨论(toln)（2）基尔霍夫定律）基尔霍夫定律(dngl)的不同表达式的不同表达式整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；投射辐射源必须是同温度投射辐射源必须是同温度(wnd)(wnd)下的黑体。下的黑体。（1）基尔霍夫定律使用条件：）基尔霍夫定律使用条件：（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）（3）对于灰体）对于灰体对漫反射物体，辐射特性与方向无关，基氏定律表达为对漫反射物体，辐射特性与方向无关，基氏定律表达为对漫反射灰体，辐射特性与方向、波长均无关，基氏定律表达为
33、对漫反射灰体，辐射特性与方向、波长均无关，基氏定律表达为一般物体辐射特性与方向、波长、温度有关，基氏定律表达为一般物体辐射特性与方向、波长、温度有关，基氏定律表达为第31页/共75页第三十二页，共75页。工程工程(gngchng)(gngchng)材料在材料在2000K2000K时，一般均能按漫灰体处理。研究太阳时，一般均能按漫灰体处理。研究太阳辐射时一般物体不能简化为灰体。辐射时一般物体不能简化为灰体。（5）颜色对可见光的吸收比有较大影响）颜色对可见光的吸收比有较大影响(yngxing)，对红外辐射的吸，对红外辐射的吸收比影响收比影响(yngxing)不大。不大。（4）由于在大多数情况下物体
34、可作为灰体，则由基尔霍夫）由于在大多数情况下物体可作为灰体，则由基尔霍夫定律定律(dngl)，善于辐射的物体必善于吸收，反之亦然。同温度下黑，善于辐射的物体必善于吸收，反之亦然。同温度下黑体的辐射力最大。体的辐射力最大。白漆对太阳辐射的吸收比为白漆对太阳辐射的吸收比为0.12、黑漆、黑漆0.96；两者对红外线的吸收比均为两者对红外线的吸收比均为0.9左右左右.例例8-2 因光谱吸收比与投射辐射波长无关，即只取决于本身情况因光谱吸收比与投射辐射波长无关，即只取决于本身情况而与外界条件无关，所以不论投射辐射源是否为黑体，也不论而与外界条件无关，所以不论投射辐射源是否为黑体，也不论辐射源是否与灰体本
35、身处于平衡状态，辐射源是否与灰体本身处于平衡状态，灰体的吸收率恒等于同灰体的吸收率恒等于同温度下本身的发射率。温度下本身的发射率。灰体定义灰体定义 ，吸收率等于同温度下发射率，故，吸收率等于同温度下发射率，故第32页/共75页第三十三页，共75页。例例8-2 温度等于温度等于800 K的一个漫射表面的光谱发射率随波长的一个漫射表面的光谱发射率随波长(bchng)的变化如图所示。求该表面的发射率和总辐射力。的变化如图所示。求该表面的发射率和总辐射力。解：由于光谱发射率呈阶梯状分布，解：由于光谱发射率呈阶梯状分布，故表面的半球总发射率必须故表面的半球总发射率必须(bx)分作两段分作两段计算然后叠加
36、。计算然后叠加。利用黑体辐射函数表求出两个波段利用黑体辐射函数表求出两个波段(bdun)份额份额F02 m=1.972%，F08 m=76.92%所以所以 F2 m8 m=74.95%幻灯片幻灯片 66第33页/共75页第三十四页，共75页。该表面该表面(biomin)的发射率的发射率=0.80.019 72+0.30.749 5=0.240 6 表面表面(biomin)总辐射力总辐射力E=Eb=0.240 65.67108 W/(m2 K4)(800 K)4 5 588 W/m2 讨论：讨论：(1)该表面的半球向总发射率约为该表面的半球向总发射率约为0.24，比两个波段，比两个波段(bdun
37、)的发射的发射率都小。所以不能简单认为表面的半球总发射率必定介于率都小。所以不能简单认为表面的半球总发射率必定介于1和和2之间。如果表面温度升至之间。如果表面温度升至2 000 K，情况将完全不同。表明实际，情况将完全不同。表明实际表面半球总发射率不仅与光谱发射率有关，也与表面温度相关。表面半球总发射率不仅与光谱发射率有关，也与表面温度相关。(2)该表面显然不是灰体。就全波长而言，该表面显然不是灰体。就全波长而言，它有约它有约75能量能量位于位于2 8 m之间，约之间，约2%在在02m，在该波长范围内发射率分，在该波长范围内发射率分别为常数，但在别为常数，但在8 m外仍有大约外仍有大约23的辐
38、射能量，发射率为零。的辐射能量，发射率为零。(3)用阶梯线逼近曲线是计算此类问题的常用方法。用阶梯线逼近曲线是计算此类问题的常用方法。第34页/共75页第三十五页，共75页。第35页/共75页第三十六页，共75页。热辐射热辐射热辐射热辐射 辐射辐射辐射辐射(fsh)(fsh)(fsh)(fsh)：物体物体物体物体(wt)(wt)对外发射电磁波的过程对外发射电磁波的过程对外发射电磁波的过程对外发射电磁波的过程电磁波的数学电磁波的数学电磁波的数学电磁波的数学(shxu)(shxu)(shxu)(shxu)描述：描述：描述：描述：波长波长波长波长,mm 频率频率频率频率,s s1 1电磁波的传播速率
39、，电磁波的传播速率，m/s，真空中，真空中 电磁波的波谱：电磁波的波谱：热辐射热辐射热辐射热辐射:物体内部微观粒子热运动而使物体向外发射辐射能的现象。物体内部微观粒子热运动而使物体向外发射辐射能的现象。物体内部微观粒子热运动而使物体向外发射辐射能的现象。物体内部微观粒子热运动而使物体向外发射辐射能的现象。约0.380.76m第36页/共75页第三十七页，共75页。理理理理论论论论上上上上热热热热辐辐辐辐射射射射的的的的波波波波长长长长范范范范围围围围从从从从零零零零到到到到无无无无穷穷穷穷大大大大，但但但但在在在在日日日日常常常常生生生生活活活活和和和和工工工工业业业业上上上上常常常常见见见见
40、的的的的温温温温度度度度(wnd)(wnd)(wnd)(wnd)范范范范围围围围内内内内，热热热热辐辐辐辐射射射射的的的的波波波波长长长长主主主主要要要要在在在在0.10.10.10.1m m m m至至至至100100100100m m m m之间之间之间之间,包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段 。热辐射的主要热辐射的主要热辐射的主要热辐射的主要(zhyo)(zhyo)(zhyo)(zhyo)特点：特点：特点：特点：（1 1）所有温度大于）所有温度大于0 K0
41、 K的物体的物体(wt)(wt)都具有发射热辐射的能力，都具有发射热辐射的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。温度愈高，发射热辐射的能力愈强。发射热辐射时：内热能发射热辐射时：内热能发射热辐射时：内热能发射热辐射时：内热能 辐射能辐射能辐射能辐射能 ；（2 2）所有实际物体都具有吸收热辐射的能力所有实际物体都具有吸收热辐射的能力所有实际物体都具有吸收热辐射的能力所有实际物体都具有吸收热辐射的能力，物体吸收热辐射时：辐射能物体吸收热辐射时：辐射能物体吸收热辐射时：辐射能物体吸收热辐射时：辐射能 内热能内热能内热能内热能 ；（3 3）热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播；热辐射不依靠中间媒介，
42、可以在真空中传播；热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播；热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播；第37页/共75页第三十八页，共75页。当热辐射投射当热辐射投射(tush)到物体表面上时，到物体表面上时，一般会发生三种现象，即反射、吸收和穿一般会发生三种现象，即反射、吸收和穿透，如图透，如图7-2所示。所示。3.3.物体物体(wt)(wt)对热辐射的吸收、反射和穿透对热辐射的吸收、反射和穿透 图图8.2 8.2 物体物体(wt)(wt)对对热辐射的吸收、反射热辐射的吸收、反射和穿透和穿透Q Q QQ第38页/共75页第三十九页，共75页。对于对于(duy)大多数的固体和液体：大多数的固体和液
43、体：对于对于(duy)不含颗粒的气体：不含颗粒的气体：对于对于(duy)黑体：黑体：镜体或白体：镜体或白体：透明体：透明体：反射反射(fnsh)又分镜反射又分镜反射(fnsh)和漫反射和漫反射(fnsh)两种两种图图8-3 镜反射镜反射(fnsh)图图8-4 漫反射漫反射第39页/共75页第四十页，共75页。4.4.黑体黑体黑体：是指能吸收投入到其面黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体上的所有热辐射能的物体(wt)(wt)，是，是一种科学假想的物体一种科学假想的物体(wt)(wt)，现，现实生实生活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。工制造出近
44、似的人工黑体。图图8-5 8-5 黑体黑体(hit)(hit)模型模型第40页/共75页第四十一页，共75页。白雪白雪：（接近黑体）；（接近黑体）；白布，黑布吸收比基本相同；白布，黑布吸收比基本相同；玻璃可透过可见光，对红外线几乎不透过。玻璃可透过可见光，对红外线几乎不透过。例如例如(lr)黑体，白体不同于黑色物体，白色物体。黑体，白体不同于黑色物体，白色物体。区别区别黑体吸收黑体吸收(xshu)和发射辐射能的能力和发射辐射能的能力最强最强第41页/共75页第四十二页，共75页。辐射力辐射力E E：单位：单位(dnwi)(dnwi)时间内，物体的单位时间内，物体的单位(dnwi)(dnwi)表
45、表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。(W/m2)(W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力EE：单位：单位(dnwi)(dnwi)时间内，单位时间内，单位(dnwi)(dnwi)波波长范围内长范围内(包含某一给定波长包含某一给定波长)，物体的单位，物体的单位(dnwi)(dnwi)表面积向半球空间发射的能量。表面积向半球空间发射的能量。(W/m2 m)(W/m2 m)；1.1.热辐射能量的表示热辐射能量的表示(biosh)(biosh)方法方法E、E关系关系(gun x):显然，显然，E和和E之间具有如下关系：之间具有如下关系：黑体一般采用下标黑体一般采用
46、下标b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的，黑体的光光谱辐射力谱辐射力为为Eb8-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律第42页/共75页第四十三页，共75页。2.黑体黑体(hit)辐射的三个基本定律及相关性质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 第一第一(dy)(dy)辐射常数，辐射常数，3.74210-16 W3.74210-16 Wm2m2；c2 c2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.438810-2 W1.438810-2 WK K；(1)Planck(1)Planck定律定律(dngl)(d
47、ngl)(第一个定律第一个定律(dngl)(dngl)：mm与与T T 的关系由的关系由WienWien位移定位移定律给出，律给出，第43页/共75页第四十四页，共75页。不同温度下黑体不同温度下黑体(hit)的光谱辐射力随波长的变化：的光谱辐射力随波长的变化：T一定一定(ydng)时，时，一定一定(ydng)时，时，随随T的升高，的升高，Eb,max对应对应 的波长的波长向短波迁移。向短波迁移。第44页/共75页第四十五页，共75页。维恩位移维恩位移(wiy)定律定律光谱光谱(gungp)辐射力为辐射力为 Eb,max时，时，和和 T 之间的之间的关系。关系。可得可得:并且并且:当温度不变时
48、当温度不变时:推导推导第45页/共75页第四十六页，共75页。(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律(dngl)(dngl)(第二个定律第二个定律(dngl)(dngl)：式中，式中，=5.6710-8 w/(m2=5.6710-8 w/(m2K4)K4)，是是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数常数(chngsh)(chngsh)。第46页/共75页第四十七页，共75页。举举例例计算黑体表面温度为计算黑体表面温度为27 和和627时时的辐射力的辐射力 Eb。解：黑体解：黑体(hit)表面温度为表面温度为27时：时：
49、黑体黑体(hit)表面温度为表面温度为627时：时：分分析析说说明明高温和低温两种情况下，高温和低温两种情况下，黑体的辐射能力有明显的差别。黑体的辐射能力有明显的差别。第47页/共75页第四十八页，共75页。(3)波段波段(bdun)内黑体辐射力：内黑体辐射力：实际问题：实际问题：引入辐射比引入辐射比其中：其中：为黑体辐射函数（表为黑体辐射函数（表8-1）则波段内黑体辐射力：则波段内黑体辐射力：第48页/共75页第四十九页，共75页。(4)立体角立体角球面度球面度 对整个对整个(zhngg)半球：半球：对微元立体角：对微元立体角：第49页/共75页第五十页，共75页。图图8-9 8-9 计算计
50、算(j sun)(j sun)微元立体角的微元立体角的几何关系几何关系第50页/共75页第五十一页，共75页。定义：单位时间内，物体在垂直定义：单位时间内，物体在垂直(chuzh)(chuzh)发射方向的单位面积上，在发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图8-108-10。(5)定向定向(dn xin)辐射强度辐射强度I(,)：图图8-10 8-10 定向定向(dn xin)(dn xin)辐射强度辐射强度 的定义图的定义图(6)Lambert 定律定律它说明黑体的它说明黑体的定向辐射力定向辐射力随天顶角随天顶角 呈余弦规律变化