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1、第八章第八章 热辐射的热辐射的基本定律基本定律热量传递的一种方式热量传递的一种方式,研究方法与思路研究方法与思路都都与导热和与导热和对流换热不同，对流换热不同，导热与对流换热是由于物体的宏观运动和微观粒子导热与对流换热是由于物体的宏观运动和微观粒子的热运动所造成的能量转移，的热运动所造成的能量转移，热辐射热辐射是由于物体的是由于物体的电磁运动电磁运动所引起的热量的传递。所引起的热量的传递。1 1、热辐射的本质与特点、热辐射的本质与特点辐射辐射是是电磁波电磁波传递能量的现象。传递能量的现象。按按照照产产生生电电磁磁波波的的不不同同原原因因可可以以得得到到不不同同频频率率的的电磁波，电磁波，例例如
2、如：高高频频振振荡荡电电路路产产生生的的无无线线电电波波、红红外外线线、可见光、紫外线、可见光、紫外线、X X射线、及射线、及射线射线等各种电磁波。等各种电磁波。热热辐辐射射的的电电磁磁波波是是物物体体内内部部微微观观粒粒子子的的热热运运动动状状态态改改变变时时激发出来的。激发出来的。辐辐射射是是物物体体固固有有特特性性，只只要要物物体体温温度度高高于于0 0 K K，物物体体总总是是不断的把热能转变为辐射能。不断的把热能转变为辐射能。物物体体亦亦不不断断地地吸吸收收周周围围物物体体投投射射到到它它上上面面的的热热辐辐射射，并并把把吸收的辐射能重新转变成热能。吸收的辐射能重新转变成热能。辐射换
3、热辐射换热就是物体之间相互就是物体之间相互辐射和吸收辐射和吸收的的总效果总效果。当当物物体体与与环环境境处处于于热热平平衡衡时时，其其辐辐射射换换热热量量为为零零，但但其其表表面上的热辐射仍在不停的进行。面上的热辐射仍在不停的进行。电磁辐射波谱电磁辐射波谱在在工工业业的的温温度度范范围围内内（2000K2000K）,有有实实际际意意义义的的热热辐辐射射波波长长位位于于0.38100m之之 间间。且且 大大 多多 数数 能能 量量 位位 于于 红红 外外 线线 区区 段段 的的（0.7620m）范范围围内内，可可见见光光区区段段（0.380.76m）热热辐辐射射能能量量的比的比重不大。重不大。对
4、对于于太太阳阳辐辐射射（5800k），主主要要能能量量集集中中在在0.22m的的波波长长范范围内。围内。可见光区可见光区段段占有很大的比重占有很大的比重。速度速度:c=c=f f 式中：式中：c为电磁波的传播速度，在真空中为电磁波的传播速度，在真空中c=3108 m/s,f为频率，为频率，1/s，为波长，为波长，m。1m=10-6 m。辐射能：是电磁波或光子所运载的能量。辐射能：是电磁波或光子所运载的能量。每个光子的能量每个光子的能量用普朗特公式表示：用普朗特公式表示：er=hf 式中：式中：h普朗特常数，普朗特常数，h=6.62410-34 J.s量子理论量子理论认为：认为：辐射是离散化的量
5、子化的能量束辐射是离散化的量子化的能量束热辐射热辐射特点特点：a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出，就会不停地向周围空间发出热辐射；热辐射；b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关；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。辐射能落在另一物体上吸收时会发生以下现象：辐射能落在另一物体上吸收时会发生以下现象：转变为内能转变为内能热效应。热效应。引起化学反应引起化学反应光合作用光合作用 迫使金属发射电子
6、迫使金属发射电子光电效应。光电效应。2 2、物体的、物体的吸收比、反射比及穿透比吸收比、反射比及穿透比 当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，会发生见光一样，会发生吸收吸收、反射反射和和穿透穿透现象。现象。辐射能的吸收、反射和投射辐射能的吸收、反射和投射吸收吸收热热能能低温物体低温物体热能高温高温物体物体辐射能流（热射线）辐射能流（热射线）GGRGDGA穿透穿透 与中间介质无关与中间介质无关而由电磁波传输而由电磁波传输反射反射 式式中中：各各能能量量的的百百分分数数分分别别称称为为该该物物体体对对投投入入辐辐射射的的吸吸收收比比、反反射射比比和和
7、穿穿透透比比，记记为为、。（1 1）对对固固体体或或液液体体表表面面，投投射射到到其其上上的的辐辐射射能能在在一一个个极极短短的的距距离离内内就就被被吸吸收收完完了了。金金属属导导体体只只有有1m1m，大大多多数数非非导导电电材材料料为为1mm1mm。则则=0=0。于是，对于固体和液体，。于是，对于固体和液体，+=1 +=1 善于吸收就不善于反射善于吸收就不善于反射 镜反射镜反射漫反射漫反射镜面反射和漫反射镜面反射和漫反射当表面的当表面的不平整尺寸不平整尺寸小于小于投入辐射的波长投入辐射的波长时，形成时，形成镜面反射镜面反射。（例如高度磨光的金属板）。（例如高度磨光的金属板）。当表面的当表面的
8、不平整尺寸不平整尺寸大于大于投入辐射的波长投入辐射的波长时，形成时，形成漫反射漫反射，这时，这时从某一方向投射到物体表面上的辐射向空间各个方向反射出去。从某一方向投射到物体表面上的辐射向空间各个方向反射出去。一般一般工程材料工程材料的表面都形成的表面都形成漫反射漫反射。辐辐射射能能投投射射到到气气体体上上时时，气气体体对对辐辐射射能能几几乎乎没没有有反反射射能能力力，=0=0，从而从而 +=1 =1 即即吸收性大的气体，其穿透比就差吸收性大的气体，其穿透比就差。对于对于固体和液体固体和液体呈现的吸收和反射特性呈现的吸收和反射特性不涉及物体的不涉及物体的内部内部。因此。因此物体表面状况物体表面状
9、况对辐射特性的影响至关重要。对辐射特性的影响至关重要。对于对于气体气体，辐射和吸收在整个气体容积中进行，辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面表面状况则无关紧要状况则无关紧要。特例特例 =1=1的物体叫做绝对的物体叫做绝对黑体黑体。=1=1的物体叫做绝对的物体叫做绝对白体白体。=1=1的物体叫做绝对的物体叫做绝对透明体透明体。u显显然然黑黑体体、白白体体和和透透明明体体都都是是假假定定的的理理想物体想物体。黑体的吸收比黑体的吸收比=1=1，意味着黑体能全部吸收各种波长的辐射能。意味着黑体能全部吸收各种波长的辐射能。自然界中并不存在黑体自然界中并不存在黑体，但可以用人工的方法制造。，但可以用人工的
10、方法制造。在空腔壁（温度均匀）上开一个小孔，由于空腔较大，投射的辐在空腔壁（温度均匀）上开一个小孔，由于空腔较大，投射的辐射能经小孔射入孔腔后，经多次反射吸收后才会出去。反射的能量射能经小孔射入孔腔后，经多次反射吸收后才会出去。反射的能量与投入的能量相比很小，小孔面积越小，吸收比就越与投入的能量相比很小，小孔面积越小，吸收比就越1 1。若小孔。若小孔面积面积/孔腔面积小于孔腔面积小于0.60.6，内壁吸收率为，内壁吸收率为0.60.6时，小孔的吸收比可时，小孔的吸收比可大于大于0.9960.996。就辐射特性而言，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质小孔具有黑体表面一样的性质。黑体模型黑
11、体模型黑体模型黑体模型黑体黑体在热辐射分析中的在热辐射分析中的特殊重要性特殊重要性在相同温度的物体中，在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大黑体的辐射能力最大。在研究了黑体辐射的基础上，我们处理其他物体在研究了黑体辐射的基础上，我们处理其他物体辐射的思路辐射的思路是：把其他物体辐射与黑体辐射相比是：把其他物体辐射与黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的要的修正系数修正系数。8-2 黑体辐射黑体辐射的基本定律的基本定律1 1 辐射力及单色辐射力的定义辐射力及单色辐射力的定义（1 1）辐射力辐射力E：单位时间单位时间内物体的内物体的单位
12、表面积单位表面积向向半球空间半球空间所有方向发射出去的所有方向发射出去的全部波长的辐射能全部波长的辐射能的总的总量，量，W/mW/m2 2。辐射力从总体上表征物体辐射力从总体上表征物体发射辐射能本领的大小发射辐射能本领的大小。单色辐射力与辐射力之间的关系单色辐射力与辐射力之间的关系：（2 2）单色辐射力）单色辐射力E E：在热辐射的整个波谱内，不同波长发射在热辐射的整个波谱内，不同波长发射出的辐射能是不同的。出的辐射能是不同的。单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的某一特定波长某一特定波长的辐射能。称为的辐射能。称为单色辐射
13、力单色辐射力。W/m3对对特定波长特定波长来说：从来说：从到到+d区间发射出的能量为区间发射出的能量为dE。2 黑体辐射黑体辐射的的基本定律基本定律及相关性质及相关性质可以归结为三个定律可以归结为三个定律:普朗克定律普朗克定律斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律兰贝特定律兰贝特定律 式中，式中，波长，波长，m m；T T 黑体温度，黑体温度，K K；c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.742103.74210-16-16 W W m m2 2；c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.4388101.438810-2-2 W W K K；(1)(1)普朗克定律普朗克定律揭示了黑体
14、辐射能按照波长的分布规律，或者说它给揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律，或者说它给出了出了黑体黑体单色单色辐射力辐射力与波长和温度与波长和温度的依变关系的依变关系。单色辐射力随着波长的增加，单色辐射力随着波长的增加，先增大先增大，然后又减小然后又减小。最大单色辐射力最大单色辐射力所对应的波长所对应的波长m m与温度与温度T T之间存在着如下关系：之间存在着如下关系：维恩位移维恩位移定律定律随着温度的增高，随着温度的增高，曲线的峰值向左移曲线的峰值向左移动，即移向较短的动，即移向较短的波长。波长。在在工工业业上上的的一一般般高高温温范范围围内内（2000K2000K），maxmax在在红红外线外
15、线区段。区段。太阳辐射太阳辐射（5800k5800k）m m则位于则位于可见光区段可见光区段。实实际际物物体体的的单单色色辐辐射射力力按按波波长长分分布布的的规规律律与与普普朗朗克克定律不同，但定律不同，但定性上是一致定性上是一致的。的。如如加加热热金金属属，500500以以下下，金金属属发发出出的的基基本本是是红红外外线线，没没有有可可见见光光，金金属属呈呈原原色色，600600以以上上，金金属属相相继继呈呈现现暗暗红红、红红、黄黄，超过超过13001300开始发白。开始发白。例题例题8-1 P212(2)(2)斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼玻尔兹曼定律定律(第二个定律第二个定律)：在热辐射分析计算中
16、，确定在热辐射分析计算中，确定黑体的辐射力黑体的辐射力至关重要。至关重要。由普朗克定律知：由普朗克定律知：式中，式中，=5.6710=5.6710-8-8 W/(m W/(m2 2 K K4 4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。为了计算为了计算高温辐射高温辐射的方便，有时把上式改写成如下形式：的方便，有时把上式改写成如下形式：式中：式中：C C0 0黑体辐射系数，黑体辐射系数，5.67W/(m5.67W/(m2 2.K.K4 4)。在在许许多多实实际际问问题题中中，往往往往需需要要确确定定某某一一特特定定波波长长区区段段内内的的辐辐射射能量。
17、能量。黑体黑体在在 1 1,2 2 区段所发出的辐射能为区段所发出的辐射能为把把这这一一波波段段的的辐辐射射能能表表示示成成同同温温下下黑黑体体辐辐射射力力（0-0-）的的百百分数分数，记为，记为F Fb(b(1-1-2)2)。于是于是式式中中：F Fb(0-2)b(0-2)、F Fb(0-1)b(0-1)分分别别为为波波长长从从0 0至至22和和0 0至至11的的黑黑体体辐辐射射占同温下黑体辐射力的百分数占同温下黑体辐射力的百分数。黑体辐射函数黑体辐射函数f(T)称为称为黑体辐射函数黑体辐射函数。为计算方便，黑体辐射函数。为计算方便，黑体辐射函数f(T)已制成表格供计算辐射能量份额时查用已制
18、成表格供计算辐射能量份额时查用(表表8-18-1P214)。已知能量份额后，在给定的波段区间，单位时间内黑体单已知能量份额后，在给定的波段区间，单位时间内黑体单位面积所辐射的能量可方便地由下式算出：位面积所辐射的能量可方便地由下式算出：能量份额能量份额Fb(0-)可以表示为单一变量可以表示为单一变量T的函数，即的函数，即例题例题8-28-2、8-3 P2148-3 P214平面角：平面角：=s/r rad=s/r rad（弧度弧度）式中：式中：弧长弧长s s、半径、半径r r。立体角：立体角：=A=Ac c/r/r2 2 式中：式中：A Ac c半球体表面被立体角切割的半球体表面被立体角切割的
19、面积面积，r r球体的半径。球体的半径。对对半球半球，面积为，面积为2r2r2 2,立体角为立体角为22sr(sr(球面度球面度)。（3 3）兰贝特定律兰贝特定律辐辐射射力力（定定义义）没没有有指指明明在在半半球球空空间间不不同同方方向向上上的的能能量量分分布。布。为为了了说说明明辐辐射射能能量量在在空空间间不不同同方方向向上上的的分分布布规规律律，引引入入定定向辐射强度向辐射强度的概念的概念（1）定向辐射强度定向辐射强度 先引入先引入立体角立体角的概念的概念微元立体角：微元立体角：d d=dA=dAC C/r/r2 2 式中：式中：dAdAC C半球体表面被微元立体角切割的面积，半球体表面被
20、微元立体角切割的面积，dA dAC C=rd.rsind=rd.rsind d d=sindd=sindd 式中：式中：纬度角，纬度角，经度角。经度角。纬度指纬线上的点与纬度指纬线上的点与球心连线和赤道面线球心连线和赤道面线面所成的角面所成的角 经度是指经线所在半经度是指经线所在半平面与本初子午线所平面与本初子午线所在半平面所成的二面在半平面所成的二面角的平面角角的平面角,是面面所是面面所成的角成的角 计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几何关系纬度角，纬度角，经度角经度角定向辐射强度定向辐射强度任意微元表面在空间任意微元表面在空间指定方向指定方向上上发射出的辐射能量的强弱，首先发射出的辐
21、射能量的强弱，首先必须在必须在相同相同的立体角的立体角的基础上比的基础上比较才有意义。较才有意义。在在不同方向不同方向上所能看到的上所能看到的辐射辐射面积面积是不一样的。是不一样的。微元辐射面微元辐射面dAdA在任意方向在任意方向p p 看到看到的辐射面积不是的辐射面积不是dAdA，而是而是dAcosdAcos。所以，所以，不同方向上不同方向上辐射能量的强辐射能量的强弱，还要在弱，还要在相同的可见辐射面积相同的可见辐射面积的基础上才能作出合理的比较。的基础上才能作出合理的比较。定向辐射强度的定义图定向辐射强度的定义图 定定义义：单单位位时时间间内内、单单位位可可见见辐辐射射面面积积、在在给给定
22、定方方向向上上、单单位位立体角立体角内发射的全波长辐射量称为内发射的全波长辐射量称为定向辐射强度定向辐射强度，记为记为I I与辐射面法向成与辐射面法向成角方向上的定向辐射强度角方向上的定向辐射强度I(I()为为定向辐射强度的单位定向辐射强度的单位是是w/(mw/(m2 2.sr).sr)。单色定向辐射强度单色定向辐射强度：在波长附近的单位波长间隔内：在波长附近的单位波长间隔内的定向辐射强度的定向辐射强度（2 2）兰贝特定律）兰贝特定律 理论上证明，理论上证明，黑体辐射的黑体辐射的定向辐射强度定向辐射强度与与方向无关方向无关。在在半半球球空空间间的的各各个个方方向向上上的的定定向向辐辐射射强强度
23、度相相等等：I(I()=I=)=I=常量常量定向辐射强度与方向无关定向辐射强度与方向无关的规律称为的规律称为兰贝特定律兰贝特定律。黑体符合兰贝特定律。黑体符合兰贝特定律。对于服从兰贝特定律的辐射对于服从兰贝特定律的辐射:单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同方向单位立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能量的数值不同，其值正比于该方向与辐射面法体角内的能量的数值不同，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦，所以线方向夹角的余弦，所以兰贝特定律又称余弦定律兰贝特定律又称余弦定律p定向辐射力定向辐射力：单位时间内单位时间内、单位辐射面积单位辐射面积、在、在给定给定方向方向上
24、、上、单位立体角单位立体角内发射的全波长辐射量：内发射的全波长辐射量：余弦定律表明，黑体的辐射能在空间余弦定律表明，黑体的辐射能在空间不同方向不同方向的分布是的分布是不均匀的：不均匀的：法线方向最大，切线方向为零法线方向最大，切线方向为零。对于对于服从兰贝特定律的辐射服从兰贝特定律的辐射，其定向辐射强度，其定向辐射强度I I与辐与辐射力射力E E之间有如下关系：之间有如下关系：辐射力等于定向辐射强度的辐射力等于定向辐射强度的倍。倍。黑体能量按波长的分布黑体能量按波长的分布普朗可定律普朗可定律黑体的辐射力黑体的辐射力斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律黑体能量按空间的分布黑体能量按空间的分布兰贝
25、特定律兰贝特定律单色辐射力的峰值单色辐射力的峰值维恩位移定律维恩位移定律例题例题8-4 p216 8-3 实际实际固体和液体的辐射特性固体和液体的辐射特性1 1 基本概念基本概念（1 1）单色发射率单色发射率实际物体的单色辐射力往往实际物体的单色辐射力往往随波长作不规则的变化随波长作不规则的变化。单色发射率单色发射率定义定义：实际物体的单色辐射力与：实际物体的单色辐射力与同温下黑体同温下黑体的的单色辐射力的比值。单色辐射力的比值。（2 2）发射率，发射率，又称为又称为黑度黑度定义：定义：实际物体的辐射力与实际物体的辐射力与同温下黑体辐射力同温下黑体辐射力的比值的比值实际物体、黑体和灰体的实际物
26、体、黑体和灰体的辐射能量光谱辐射能量光谱已知黑度，实际物体的辐射力：已知黑度，实际物体的辐射力：实验发现，实验发现，实际物体的辐实际物体的辐射力并不严格地同射力并不严格地同T T的四次的四次方成正比方成正比，但工程中仍按与，但工程中仍按与T T的四次方成正比计算，因的四次方成正比计算，因此，发射率还与温度有依变此，发射率还与温度有依变关系。关系。式中：式中：I I（）与辐射面法向成与辐射面法向成角方向上的定向辐射强度，角方向上的定向辐射强度，I I b b同温下黑体的定向辐射强度。同温下黑体的定向辐射强度。（3 3）定向发射率）定向发射率实际物体辐射按空间方向的分布，实际物体辐射按空间方向的分
27、布，亦亦不尽符合兰贝特定律不尽符合兰贝特定律，即：即：实际物体的定向辐射强度在不同方向上有些变化。实际物体的定向辐射强度在不同方向上有些变化。定向发射率的定义：定向发射率的定义：几种几种非导电体材料非导电体材料在不同方向上的定向发射率在不同方向上的定向发射率()对于非导电材料，从辐射面法向对于非导电材料，从辐射面法向=0=0到到=60=60的范围内，的范围内，定向发射率基本不变。定向发射率基本不变。=60=609090时才有明显减少，直到时才有明显减少，直到=90=90为零。为零。几种几种金属导体金属导体在不同方向上的定向发射率在不同方向上的定向发射率()(t=150)对于金属材料，从对于金属
28、材料，从=0=0开始，在一定角度内，定向发射率开始，在一定角度内，定向发射率可认为是常数，然后随角度的增加急剧增大。在接近可认为是常数，然后随角度的增加急剧增大。在接近=90=90的极的极小角度的范围内，定向黑度又有所减少。小角度的范围内，定向黑度又有所减少。尽尽管管实实际际物物体体的的定定向向发发射射率率有有上上述述变变化化，但但（）在在半半球球空空间间上上的的平平均均值值与与法法向向发发射射率率的比值基本上保持不变的比值基本上保持不变。对对高高度度磨磨光光的的金金属属=1.2,=1.2,光光滑滑表表面面的的物物体体=0.95,=0.95,粗糙表面的物体粗糙表面的物体=0.98=0.98。因
29、因此此往往往往不不考考虑虑()的的变变化化细细节节，而而近近似似的的认为认为大多数工程材料也服从兰贝特定律大多数工程材料也服从兰贝特定律。服从服从兰贝特定律兰贝特定律的表面称为的表面称为漫射表面漫射表面定向辐射强度与方向无关定向辐射强度与方向无关（1 1）物体表面发射率取决于：）物体表面发射率取决于：物体的种类物体的种类（常温下白大理石（常温下白大理石0.950.95，镀锌铁皮，镀锌铁皮0.230.23）表表面面温温度度（严严重重氧氧化化的的铝铝表表面面在在5050时时为为0.2,0.2,在在500500时时为为0.30.3）表表面面状状况况（同同一一种种金金属属材材料料高高度度磨磨光光时时发
30、发射射率率很很低低，而而粗糙时则很大。例无光泽黄铜粗糙时则很大。例无光泽黄铜0.220.22，磨光的黄铜，磨光的黄铜0.050.05）。）。黑度只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件黑度只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件对对于于大大多多数数非非金金属属材材料料的的发发射射率率数数值值很很高高，一一般般在在0.850.850.950.95之之间间，且且与与表表面面状状况况的的关关系系不不大大，在在缺缺乏乏资资料料时时可近似取可近似取0.900.90。（2 2）实实际际物物体体的的辐辐射射特特性性在在定定性性上上与与黑黑体体相相似似，但但定定量量上上则比较复杂则比较复杂，在在工工程
31、程计计算算中中，发发射射率率、单单色色发发射射率率及及定定向向发发射射率率仅仅在在对对表面作精细计算时才用到。表面作精细计算时才用到。无无论论是是发发射射率率、单单色色发发射射率率及及定定向向发发射射率率，它它们们仅仅取取决决于于物物体体本本身身的的温温度度及及表表面面状状况况，与与外外界界条条件件无无关关，即即它它们们是是物物性参数性参数。8-4 8-4 实际固体实际固体的的吸收比吸收比和基尔霍夫定律和基尔霍夫定律1 1实际物体的吸收特性实际物体的吸收特性单位时间内从外界投射到物体单位表面积上的能量称为单位时间内从外界投射到物体单位表面积上的能量称为该物体的该物体的投入辐射投入辐射。物体物体
32、对投入辐射所吸收的百分数对投入辐射所吸收的百分数称为该物体的称为该物体的吸收比吸收比。实际物体的实际物体的吸收比取决于吸收比取决于两个方面的因素两个方面的因素：吸收：吸收物体本物体本身的情况身的情况（物体的种类、表面温度和表面状况）和（物体的种类、表面温度和表面状况）和投入投入辐射的特性辐射的特性。物体的物体的吸收率比发射率吸收率比发射率/黑度更为复杂黑度更为复杂。金属导电体的光谱吸收比同波长的关系金属导电体的光谱吸收比同波长的关系单色吸收比单色吸收比:物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数 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
33、同波长的关系物体的单色吸收比随物体的单色吸收比随波长波长而异的特性称为而异的特性称为物体的物体的吸收吸收具有选择性具有选择性。工农业生产中常常利用这种工农业生产中常常利用这种选择性的吸收选择性的吸收来达到一定来达到一定的目的。的目的。例如蔬菜栽培过程中使用的暖房就利用了玻例如蔬菜栽培过程中使用的暖房就利用了玻璃对辐射能吸收的选择性璃对辐射能吸收的选择性l玻璃对玻璃对2.2m m的辐射能的吸收比很小的辐射能的吸收比很小，从从而使而使大部分大部分太阳能太阳能可以进入暖房可以进入暖房。暖房中物体的温度较低，其辐射能绝大部分暖房中物体的温度较低，其辐射能绝大部分位于位于3 3m m的红外范围内，的红外
34、范围内，p玻璃对玻璃对3m m的辐射能的吸收率很大的辐射能的吸收率很大，从，从而而阻止了辐射能向暖房外的散失阻止了辐射能向暖房外的散失 （2）实际物体的单色吸收比对投入辐射的波长有实际物体的单色吸收比对投入辐射的波长有选择选择性性这一事实给辐射换热的计算带来很大的困难这一事实给辐射换热的计算带来很大的困难物体的吸收比要根据物体的吸收比要根据吸收一方和发出投入辐射一方吸收一方和发出投入辐射一方两方的性质两方的性质和温度确定。和温度确定。如果如果投入辐射来自黑体投入辐射来自黑体，由于，由于 ，则上式可变为，则上式可变为物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系（3
35、 3）灰体的概念）灰体的概念 物体的吸收比与物体的吸收比与投入辐射投入辐射有关的这一特性给辐射换热的计算有关的这一特性给辐射换热的计算带来很大的不便。带来很大的不便。起因全在于起因全在于单色吸收比对不同波长的辐射具单色吸收比对不同波长的辐射具有选择性有选择性。如果物体的如果物体的单色吸收比与波长无关单色吸收比与波长无关，即，即()=常数，这时物常数，这时物体的吸收率体的吸收率只取决于本身只取决于本身只取决于本身只取决于本身的情况而的情况而与外界情况无关与外界情况无关。在热辐射中，把在热辐射中，把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称为称为灰体灰体。=（）=常数，常数，灰体亦是理
36、想物体灰体亦是理想物体，在在工工程程计计算算中中在在红红外外线线范范围围内内（绝绝大大部部分分能能量量位位于于0.76-0.76-1010m m）把大多数工程材料当作灰体处理引起的把大多数工程材料当作灰体处理引起的误差不大误差不大。2实际物体的实际物体的辐射和吸收辐射和吸收之间的内在联系之间的内在联系基尔霍夫定律基尔霍夫定律（1）定律的导出）定律的导出 最简单的推导是用两块无限大平板间的最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法热力学平衡方法。已知两块平行平板相距很近，于是从一块板发出的辐射能全部落已知两块平行平板相距很近，于是从一块板发出的辐射能全部落到另一块板上。到另一块板上。板板1
37、 1是黑体是黑体，板板2 2是任意物体是任意物体，参数分别为，参数分别为E Eb b,T T1 1 以以及及E E,T,T2 2，平行平板间的辐射换热平行平板间的辐射换热从内表面看，板从内表面看，板2 2支出与收入的差额支出与收入的差额即为两板间辐射换热的热流密度即为两板间辐射换热的热流密度q q：q=E-Eq=E-Eb b 当当T1=T2T1=T2时，处于时，处于热平衡状态热平衡状态。q=0q=0。于是上式变为于是上式变为:黑体黑体这种关系推广到这种关系推广到任意物体任意物体时，有：时，有：也可改写为也可改写为:=E/E:=E/Eb b=上面两式就是上面两式就是基尔霍夫定律基尔霍夫定律的两种
38、数学表达式。的两种数学表达式。热热平平衡衡时时，任任意意物物体体对对黑黑体体投投入入辐辐射射的的吸吸收收比比等等于于同同温温下该物体的下该物体的发射率发射率。物物体体的的吸吸收收比比等等于于发发射射率率。这这一一结结论论是是在在“物物体体与与黑黑体投入辐射处于体投入辐射处于热平衡热平衡”这样严格的条件下才成立的。这样严格的条件下才成立的。对任意物体，其表达式：对任意物体，其表达式：(T)=(T)(,T)=(,T)黑体黑体对对灰灰体体其其吸吸收收率率与与波波长长无无关关，在在一一定定的的温温度度下下是是一一个个常常数数。假设在某一温度假设在某一温度T T下，下，其其基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：(
39、,T)=T)=(,T)T)对漫射表示，各个方向上的辐射特性相同，与方向无关：对漫射表示，各个方向上的辐射特性相同，与方向无关：(,T)=(,T)对对漫射漫射的的灰体灰体表面一定有表面一定有 (T(T)=)=(T(T)对对于于漫漫射射灰灰体体，不不论论投投入入辐辐射射是是否否来来自自黑黑体体，也也不不论论是是否否处处于热平衡条件，其于热平衡条件，其吸收率恒等于同温下的黑度吸收率恒等于同温下的黑度。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，定向光谱，半球光谱，半球光谱，定向光谱，定向全波段，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灰表面灰表面与黑体处于热
40、平衡或对与黑体处于热平衡或对漫灰表面漫灰表面表表7-3 Kirchhoff 7-3 Kirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式注：注：漫射表面漫射表面：指发射或反射的指发射或反射的定向辐射强度定向辐射强度与空间方向无与空间方向无关，即符合关，即符合LambertLambert定律的物体表面；定律的物体表面；灰体灰体：单色吸收比与波长无关单色吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与的物体，其发射和吸收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。黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。例例8-5 P221实际物体对辐射能的吸收具有选择性，但在工程计算实际物体对辐射能的
41、吸收具有选择性，但在工程计算的波长范围内只要的波长范围内只要单色吸收比基本上与波长无关单色吸收比基本上与波长无关，则，则灰体灰体的假设可以成立，的假设可以成立，许多工程材料许多工程材料都具有这一特点。都具有这一特点。因此手册中只给出发射率的值而不给出吸收率的值因此手册中只给出发射率的值而不给出吸收率的值。由于由于大多数情况下物体可作为灰体大多数情况下物体可作为灰体，则由基尔霍夫定，则由基尔霍夫定律可知，物体的辐射力越大，其吸收能力也越大。即律可知，物体的辐射力越大，其吸收能力也越大。即善于辐射的物体必善于吸收善于辐射的物体必善于吸收。同温下黑体的辐射最同温下黑体的辐射最大。大。当研究物体表面对
42、当研究物体表面对太阳能太阳能的吸收时的吸收时，一般不能把物体作一般不能把物体作为灰体为灰体。即常温下的。即常温下的发射率发射率不能作为不能作为吸收率吸收率。太阳辐射中可见光占了将近一半，而太阳辐射中可见光占了将近一半，而大多数物体对可见大多数物体对可见光波的吸收表现出光波的吸收表现出强烈的选择性强烈的选择性。例如：各种颜色的油漆在常温下的黑度为例如：各种颜色的油漆在常温下的黑度为0.90.9，但在可见，但在可见光范围内，白漆的吸收比仅为光范围内，白漆的吸收比仅为0.10.10.2,0.2,黑漆黑漆0.90.9以上。以上。在在夏天人们喜欢穿白色或浅色的衣服夏天人们喜欢穿白色或浅色的衣服的理由也是如此。的理由也是如此。在太阳能集热器的研究中要求集热器的涂层具有高的对太在太阳能集热器的研究中要求集热器的涂层具有高的对太阳辐射的吸收比，而涂层本身的发射率要小以减少散热损阳辐射的吸收比，而涂层本身的发射率要小以减少散热损失。失。有些涂层材料的吸收比与发射率之比可高达有些涂层材料的吸收比与发射率之比可高达8 81010倍。倍。思考题思考题1 1什么是黑体什么是黑体,灰体灰体?实际物体在什么样的条实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体件下可以看成是灰体?2 2物体的吸收率、反射率、穿透率是怎样定义物体的吸收率、反射率、穿透率是怎样定义的的?作业作业 p214v9v13