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1、第八章第八章 热辐射基本定律和辐射特性热辐射基本定律和辐射特性能源工程系能源工程系黄黄 金金18-1 8-1 热辐射现象的基本概念热辐射现象的基本概念（1 1）辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式）辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式（2 2）热辐射）热辐射：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；（因因热的原因而发出辐射能的现象）热的原因而发出辐射能的现象）（3）辐射传热：物体间靠热辐射进行的热量传递过程，辐射与吸）辐射传热：物体间靠热辐射进行的热量传递过程，辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传收过程的综合结果就造成了以辐射
2、方式进行的物体间的热量传递。递。（4 4）热辐射的）热辐射的特点特点：a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 0 K，就会不停地就会不停地向周围空间发出热辐射；向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c 伴随能量形式伴随能量形式的转变；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。1.1.热辐射的定义及区别于导热对流的特点热辐射的定义及区别于导热对流的特点其中，与热传导和热对流的主要区别是其中，与热传导和热对流的主要区别是b和和c22.2.从电磁
3、波谱的角度描述热辐射的特性从电磁波谱的角度描述热辐射的特性电磁辐射包含了多种形式，如图所示，电磁辐射包含了多种形式，如图所示，理论上热辐射的波长理论上热辐射的波长范围从零到无穷大，但在日常生活和工业上常见的温度范围范围从零到无穷大，但在日常生活和工业上常见的温度范围内，热辐射的波长主要在内，热辐射的波长主要在0.10.1 m m至至100100 m m之间之间,包括部分紫包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段外线、可见光和部分红外线三个波段 。2.1 2.1 传播速率与波长、频率间的关系传播速率与波长、频率间的关系电磁波的传播速度：电磁波的传播速度：c=f=/T 式中：式中：f 频率，频率
4、，s-1;波长，波长，m2.2 2.2 电磁波的波谱电磁波的波谱3 射线射线 10 10-4-4 m m红外线红外线：0.76 0.76 10 10 106 6 m m 微波微波：10103 3 10 106 6 m m 可见光可见光：0.38 0.38 0.76 0.76 m m紫外线紫外线：1010-2-2 0.38 0.38 m mX X射线射线：1010-4-4 10 10-2-2 m m工业上有实际意义的热辐工业上有实际意义的热辐射区域射区域4当热辐射投射到物体表面上时，一般当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图所示。
5、透，如图所示。2.3 2.3 物体表面对热辐射的作用物体表面对热辐射的作用 物体对热辐射的吸收反射和穿透物体对热辐射的吸收反射和穿透QQ单位时间内投射到物体表面上的全波长范围内的辐射能。单位时间内投射到物体表面上的全波长范围内的辐射能。单位时间内投射到物体表面上的全波长范围内的辐射能。单位时间内投射到物体表面上的全波长范围内的辐射能。吸收比吸收比吸收比吸收比 反射比反射比反射比反射比透射比透射比透射比透射比5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：黑体：黑体：镜体或白体：镜体或白体：透明体透明体：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
6、种镜反射镜反射漫反射漫反射63.3.黑体模型及其重要性黑体模型及其重要性黑体：黑体：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长。即吸收比等于所有方向和所有波长。即吸收比等于1的物体（绝对黑体，的物体（绝对黑体，简称黑体，简称黑体，black body）重要性：重要性：研究黑体的意义在于，在黑体辐射的基础上，把研究黑体的意义在于，在黑体辐射的基础上，把实际物体的辐射和黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐实际物体的辐射和黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的修正系数射的偏离，然后确定必要的修正系数黑体是一种科学假想的
7、物体，现黑体是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。人工制造出近似的人工黑体。黑体模型（动画）黑体模型（动画）78-2 8-2 黑体热辐射的基本定律黑体热辐射的基本定律基本定律基本定律Stefan-Boltzmann定律（辐射能与温度的关系）定律（辐射能与温度的关系）Planck定律（辐射能波长分布的规律）定律（辐射能波长分布的规律）Lambert 定律（辐射能按空间方向的分布规律）定律（辐射能按空间方向的分布规律）1 1 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律（四次方定律）玻耳兹曼定律（四次方定律）式式中中 =5.675.671010-8-
8、8 W/(mW/(m2 2 K K4 4)，称称为为斯斯忒忒藩藩玻玻耳耳兹兹曼曼常常数数，又称为黑体辐射常数。又称为黑体辐射常数。C C0 0=5.67 W/(m=5.67 W/(m2 2 K K4 4)，称为黑体辐射系数。称为黑体辐射系数。8辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积向单位时间内，物体的单位表面积向半球空间半球空间发射的发射的所有波长所有波长的的能量总和。能量总和。(W/m(W/m2 2)；黑体一般采用下标黑体一般采用下标b b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为E Eb b92 2 普朗克定律普朗克定律普朗克定律普朗克定律式中，式中，波长，波长，m m；T T
9、 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；描述辐射能按波长分布的规律描述辐射能按波长分布的规律光谱辐射力光谱辐射力E E：单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长包含某一给定波长)，物体的，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。单位表面积向半球空间发射的能量。(W/m(W/m3 3 W/mW/m2 2m)；黑体的光谱辐射力为黑体的光谱辐射力为E Ebb10黑体光谱辐射力随波
10、长和温度的依变关系黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系（1 1）黑体的光谱辐射力随着波长的增加，先是增大，然后）黑体的光谱辐射力随着波长的增加，先是增大，然后又减小。温度愈高，同一波长下的光谱辐射力愈大又减小。温度愈高，同一波长下的光谱辐射力愈大.（2 2）随着温度的增高，曲线的峰值（最大光谱辐射力）向）随着温度的增高，曲线的峰值（最大光谱辐射力）向左移动，即移向较短波长左移动，即移向较短波长11维恩（维恩（WienWien）位移定律位移定律 太太阳阳表表面面温温度度约约为为5800K5800K，由由上上式式可可求求得得 maxmax 0.50.5 m m，位位于于可可见光范围内。见光范围内。
11、对对于于2000K2000K温温度度下下黑黑体体,可可求求得得 maxmax 1.451.45 m m，位位于于红红外外线线范范围内。围内。峰值波长与温度峰值波长与温度T T成反比的规律称为成反比的规律称为维恩（维恩（WienWien）位移定律）位移定律 E E和和E E关系关系（普朗克定律与斯忒藩普朗克定律与斯忒藩玻耳兹曼定律的关系）玻耳兹曼定律的关系）斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律表达式可直接由普朗克定律导出玻耳兹曼定律表达式可直接由普朗克定律导出12黑体辐射函数黑体辐射函数（黑体辐射能按波段的分布）（黑体辐射能按波段的分布）从从0 0到某个波长的波段的黑体辐射能到某个波长的波段的黑体辐射能这份
12、能量在黑体辐射力中所占的百分数为：这份能量在黑体辐射力中所占的百分数为：可查表f f(T T)称称为为黑黑体体辐辐射射函函数数，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辐射射能能中在波段（中在波段（0 0）内的辐射能所占的百分数。）内的辐射能所占的百分数。13这特定波段范围内黑体的辐射能在黑体辐射力中所占的百分数这特定波段范围内黑体的辐射能在黑体辐射力中所占的百分数为：为：黑体在波长黑体在波长11和和22区段内所发射的辐射力区段内所发射的辐射力1415太阳表面温度约太阳表面温度约5800K，可见光占太阳辐射能的份额约为，可见光占太阳辐射能的份额约为44.6%例题例题 试求温度
13、为试求温度为3000K和和5000K时的黑体辐射中可见光所占时的黑体辐射中可见光所占的份额。的份额。解：可见光的波长范围是从解：可见光的波长范围是从0.38m到到0.76m，对于，对于3000K的黑体其的黑体其T值分别为值分别为1140和和2280可从表中查得可从表中查得Fb(0-1)和和Fb(0-2)分别为分别为0.14%和和11.5%。于是可见光所。于是可见光所占份额为占份额为：Fb(1-2)=Fb(0-2)-Fb(0-1)=11.5%-0.14%=11.36%。同样的做法可以得出同样的做法可以得出5000K5000K的黑体在可见光范围所占的份额为的黑体在可见光范围所占的份额为Fb(1-2
14、)=Fb(0-2)-Fb(0-1)=57.0%-11.5%=45.5%Fb(1-2)=Fb(0-2)-Fb(0-1)=57.0%-11.5%=45.5%。163 3 兰贝特定律兰贝特定律（描述辐射能按空间方向的分布规律）（描述辐射能按空间方向的分布规律）3.13.1立体角立体角定定义义：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(球面度球面度)，如图所示：，如图所示：计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几何关系类似于弧类似于弧度度（rad）17dddfrdAcosdAnnd183.2 3.2 定向辐射强度定向辐射强度I I：dAc称称为经度角度角称
15、称为纬为纬度角度角（1）纬度角相同，微元黑体面积）纬度角相同，微元黑体面积dA向空间不同经度角方向单位立向空间不同经度角方向单位立体角中辐射出去的能量是相等的。体角中辐射出去的能量是相等的。（对称性）（对称性）（2）研究黑体在空间不同方向的）研究黑体在空间不同方向的分布只要查明辐射能按不同纬度角分布只要查明辐射能按不同纬度角分布的规律。分布的规律。通过实验测定发现，面积通过实验测定发现，面积dA的黑体微元面积向围绕空间纬的黑体微元面积向围绕空间纬度角度角方向的微元立体角方向的微元立体角d d内辐射出去的能量内辐射出去的能量d d()有有19把把dAcos可以视为从可以视为从方向看过方向看过去的
16、面积，称为可见面积。去的面积，称为可见面积。定向辐射强度定向辐射强度I I：从黑体单位可见面积发射出去的落到空间从黑体单位可见面积发射出去的落到空间任意方向的单位立体角中的辐射能量称为定向辐射强度。任意方向的单位立体角中的辐射能量称为定向辐射强度。单位单位 W/mW/m2 2sr可见面积示意图可见面积示意图203.3 3.3 兰贝特定律（余弦定律）兰贝特定律（余弦定律）第一种表达：黑体的定向辐射强度是个常量，与空间方向无关。第一种表达：黑体的定向辐射强度是个常量，与空间方向无关。即即从黑体单位可见面积发射出去的落到空间任意方向的单位立从黑体单位可见面积发射出去的落到空间任意方向的单位立体角中的
17、辐射能量体角中的辐射能量是个常量。是个常量。兰贝特定律说明黑体辐射在半球空间各方向上的分布规律兰贝特定律说明黑体辐射在半球空间各方向上的分布规律第二种表达：第二种表达：黑体单位面积发射出去的能量在空间的不同方向黑体单位面积发射出去的能量在空间的不同方向分布是不均匀的，按空间纬度角分布是不均匀的，按空间纬度角的余弦规律变化，在垂直于的余弦规律变化，在垂直于该表面的方向最大，而与该表面平行的方向为零。该表面的方向最大，而与该表面平行的方向为零。21沿半球方向积分上式，可获得从单位黑体表面发射出去的落沿半球方向积分上式，可获得从单位黑体表面发射出去的落到整个半球空间的能量，即黑体的辐射力到整个半球空
18、间的能量，即黑体的辐射力3.4 3.4 兰贝特定律与斯忒藩兰贝特定律与斯忒藩玻耳兹曼定律的关系玻耳兹曼定律的关系黑体辐射力等于定向辐射强度的黑体辐射力等于定向辐射强度的倍倍22总结：黑体的辐射力由总结：黑体的辐射力由斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律确定，辐射确定，辐射力正比于热力学温度的四次方；黑体的辐射能按波长分布力正比于热力学温度的四次方；黑体的辐射能按波长分布的规律服从的规律服从普朗克定律普朗克定律普朗克定律普朗克定律，而按空间方向的分布规律服从，而按空间方向的分布规律服从，而按空间方向的分布规律服从，而按空间方向的分布规律服从兰兰贝特定律贝特定律；黑体的光谱辐射力有一峰值，与此峰值
19、相对应；黑体的光谱辐射力有一峰值，与此峰值相对应的波长的波长m m由由维恩位移定律维恩位移定律确定，随着黑体温度的升高，确定，随着黑体温度的升高，m向向短波短波方向移动方向移动。23238-3 8-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性1.1.实际物体的辐射力实际物体的辐射力 前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长，真实物体表面的发射能力最强，包括所有方向和所有波长，真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体。因此，定义了能力低于同温度下的黑体。因此，定义了发射率发射率(也称为黑也称为
20、黑度度)：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比总辐射力之比实际物体的辐射力可以表示为：实际物体的辐射力可以表示为：242.2.实际物体的光谱辐射力实际物体的光谱辐射力 实际物体的光谱辐射力往往随波长实际物体的光谱辐射力往往随波长作不规则的变化。作不规则的变化。实际物体的光谱辐射力小于同温度实际物体的光谱辐射力小于同温度下的黑体同一波长的光谱辐射力。下的黑体同一波长的光谱辐射力。把实际物体的光谱辐射力与同温度下黑体的光谱辐射力之把实际物体的光谱辐射力与同温度下黑体的光谱辐射力之比称为光谱发射率（单色黑度）比称为光谱发射率（单色黑度
21、）光谱发射率与实际物体的发射率之间有如下关系：光谱发射率与实际物体的发射率之间有如下关系：253.3.实际物体的定向辐射强度实际物体的定向辐射强度 实际物体的定向辐射强度并不是个常数，在不同方向上有实际物体的定向辐射强度并不是个常数，在不同方向上有所变化，不尽符合兰贝特定律。所变化，不尽符合兰贝特定律。3.1 3.1 定向发射率及其随定向发射率及其随角的变化规律角的变化规律实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比为实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比为定向发射率（定向黑度）：定向发射率（定向黑度）：对于黑体，其定向发射率为对于黑体，其定向发射率为126显然，对于黑体的定向发射率
22、在显然，对于黑体的定向发射率在极坐标中是一个半径为极坐标中是一个半径为1的半圆的半圆漫射体漫射体：表面的定向发射率：表面的定向发射率 ()与方向无关，即定向辐射强度与与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足兰贝特定律，其方向无关，满足兰贝特定律，其定向发射率在极坐标中是半径小定向发射率在极坐标中是半径小于于1的半圆。的半圆。漫射体：漫射体：定向发射率是一个小于定向发射率是一个小于1的常数的物体。的常数的物体。漫射体：漫射体：满足定向辐射强度与方满足定向辐射强度与方向无关的实际物体。向无关的实际物体。漫射体：漫射体：满足兰贝特定律的实际满足兰贝特定律的实际物体。物体。这是对大多数实际表面这是对
23、大多数实际表面的一种很好的近似。的一种很好的近似。27金属材料，从金属材料，从=0=0开始，在一定角度范围内，开始，在一定角度范围内，()可以可以认为是一个常数，然后随角度认为是一个常数，然后随角度的增加急剧增加，在接近的增加急剧增加，在接近90度的极小角度又减小直至度的极小角度又减小直至0。28非导电体，从辐射面法向到非导电体，从辐射面法向到60度的范围内，基本不变，度的范围内，基本不变，之后减小明显。之后减小明显。29303.2 3.2 定向发射率与半球平均发射率之间的关系定向发射率与半球平均发射率之间的关系 对于工程材料，无论是金属还是非金属，在半球空间对于工程材料，无论是金属还是非金属
24、，在半球空间大部分范围内，定向发射率基本是个常数，可以用其法大部分范围内，定向发射率基本是个常数，可以用其法向发射率向发射率n来近似代替。来近似代替。法向发射率：法向方向的定向发射率。法向发射率：法向方向的定向发射率。工程材料看作漫射体。工程材料看作漫射体。但对高度磨光的表面（很低）要区别对待。但对高度磨光的表面（很低）要区别对待。()n 31323.3 3.3 影响物体发射率的因素影响物体发射率的因素影响物体发射率的因素主要包括：物质的种类、表面温度、影响物体发射率的因素主要包括：物质的种类、表面温度、表面状况。表面状况。物质的种类：非金属大于金属物质的种类：非金属大于金属表面温度：温度越高
25、，发射率越高表面温度：温度越高，发射率越高表面状况：高度磨光表面小于粗糙表面表面状况：高度磨光表面小于粗糙表面33 总结：对应于黑体的辐射力总结：对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力，光谱辐射力Eb 和定向辐射和定向辐射强度强度I，分别引入了三个修正系数，即，发射率，分别引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率，光谱发射率()和定向发射率和定向发射率()，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实际物体的辐射力与黑体辐射力之比黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：力之比：实际物体的定向辐射实际物体的定向辐射强度与
26、黑体的定向辐强度与黑体的定向辐射强度之比：射强度之比：34本节中，还有几点需要注意和强调本节中，还有几点需要注意和强调1.1.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，实际上是一种权宜之计；很难理论确定，实际上是一种权宜之计；2.2.服从服从LambertLambert定律的表面成为漫射体。虽然实际物体的定定律的表面成为漫射体。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合向发射率并不完全符合LambertLambert定律，但仍然近似地认为定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从大多数工程材料服从LambertLambert定律，
27、看作漫射体；定律，看作漫射体；3.3.物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。界条件。358-4 8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系 上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的上一节简单介绍了实际物体的发射情况，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收的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？本节将对其作出解答。情况又是如何呢？本节将对其作
28、出解答。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with what happens to _,while emissivity deals with _361 1）投入辐射投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2 2）吸收比吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用 表表 示示，即，即1 1 实际物体的吸收比实际物体的吸收比对黑体发射率对黑体发射率=1，吸收比，吸收比=1=1。而。而实际实际物体物体发射率发射率1，吸收比吸收比1。实际物体吸收比取决于两个方面：
29、实际物体吸收比取决于两个方面：（1）吸收物体本身的情况（物质种类、表面温度、表面）吸收物体本身的情况（物质种类、表面温度、表面状况。状况。（2）投入辐射的特性（投入辐射表面）。）投入辐射的特性（投入辐射表面）。37光谱吸收比光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比与波长有关，不分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比与波长有关，不同波长有不同吸收比。同波长有不同吸收比。1.1 1.1 光谱吸收比光谱吸收比图图8-17和和8-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。波长的关系
30、。38铜与铝的光谱吸收比同铜与铝的光谱吸收比同波长的关系波长的关系非导电体材料的光谱吸收比非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系同波长的关系39 一一一一些些些些材材材材料料料料的的的的法法法法向向向向光光光光谱谱谱谱反反反反射射射射比比比比和和和和法法法法向向向向光光光光谱谱谱谱吸吸吸吸收收收收比比比比随波长的变化情况。随波长的变化情况。随波长的变化情况。随波长的变化情况。40选择性吸收选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，我我们把物体的光谱吸收比
31、随波长变化而变化的这种特性称为们把物体的光谱吸收比随波长变化而变化的这种特性称为物体的吸收具有选择性（选择性吸收）物体的吸收具有选择性（选择性吸收）光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性举例：举例：（1）太阳集热器（选择性吸收涂层）太阳集热器（选择性吸收涂层）（2）大千世界的五颜六色（美的享受）大千世界的五颜六色（美的享受）世上万物呈现不同颜色的主要原因在于选择性的吸收与辐射。当阳光照世上万物呈现不同颜色的主要原因在于选择性的吸收与辐射。当阳光照射到一个物体表面时，如果射到一个物体表面时，如果.1.2 1.2 选择性吸收选择
32、性吸收太阳能热水器太阳能热水器太阳能热水器太阳能热水器411.3 1.3 选择性吸收对辐射传热计算所造成的困难选择性吸收对辐射传热计算所造成的困难根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质的温根据前面的定义可知，物体的吸收比除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布有关。设下标度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1 1、2 2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1 1的的吸收比为吸收比为42图图8-19给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。如果投
33、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43一一一一些些些些材材材材料料料料对对对对黑黑黑黑体体体体辐辐辐辐射射射射的的的的总总总总吸吸吸吸收收收收比比比比随随随随黑黑黑黑体体体体辐辐辐辐射射射射源源源源温温温温度度度度的变化的变化的变化的变化 44 物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同
34、时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一般有般有两种两种处理方法，即处理方法，即(1)(1)灰体法灰体法，即将光谱吸收比，即将光谱吸收比 ()等效为常数，即等效为常数，即 =()=)=constconst。并将。并将()与波长无关的物体称为灰体与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；设带来的
35、误差是可以容忍的；(2)(2)谱带模型法谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干，即将所关心的连续分布的谱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设。体假设。45灰体：灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不光谱吸收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，吸收比管投入辐射的分布如何，吸收比 都是同一个常数。都是同一个常数。2 2 灰体的概念及其工程应用灰体的概念及其工程应用 =()=const与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题与黑体类似，它也是一种理想物
36、体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的。这样做可使物体来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的。这样做可使物体的吸收比只取决于本身的情况，而与外界情况无关。的吸收比只取决于本身的情况，而与外界情况无关。工业辐射（波长工业辐射（波长3m以上）以上）传热计传热计算一般按灰体算一般按灰体处处理。但理。但对对太阳太阳辐辐射不能作射不能作为为灰体。灰体。漫灰体：漫灰体：光谱发射率与波长无关的灰体。（漫射的灰体）光谱发射率与波长无关的灰体。（漫射的灰体）24463 3 吸收比与发射率的关系吸收比与发射率的关系-基尔霍夫基尔霍夫（Kirchhoff）定律定律黑黑黑黑体体体体平平平平壁壁壁壁
37、任任任任意意意意平平平平壁壁壁壁 在学习了发射辐射与吸收辐射的特在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者之间具有性之后，让我们来看一下二者之间具有什么样的联系，什么样的联系，18591859年，年，Kirchhoff Kirchhoff 用用热力学方法回答了这个问题，从而提出热力学方法回答了这个问题，从而提出了了Kirchhoff Kirchhoff 定律。定律。最简单的推导是用两块无限大平板最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图所示，板间的热力学平衡方法。如图所示，板1 1是黑体，板是黑体，板2 2是任意物体，参数分别为是任意物体，参数分别为E Eb b,T
38、T1 1 以及以及E E,T,T2 247平壁平壁1212间辐射换热的净热流密度为间辐射换热的净热流密度为 当平壁当平壁1212温度相等，即处于热平衡状态，温度相等，即处于热平衡状态，q q2121=0=0，可得可得既然平壁既然平壁2 2为任意壁面，可写成为任意壁面，可写成48基尔霍夫基尔霍夫（Kirchhoff）定律的两种表达式定律的两种表达式（1）在热平衡条件下，任何物体的自身辐射和它对来自黑）在热平衡条件下，任何物体的自身辐射和它对来自黑体辐射的吸收比的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。体辐射的吸收比的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。（2）在热平衡条件下，任意物体对黑体投入辐射的吸收比
39、等）在热平衡条件下，任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。于同温度下该物体的发射率。49 由由KirchhoffKirchhoff 定律可知，物体的吸收率等与它的发射率。定律可知，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下严格的但该式具有如下严格的限制限制：(1)(1)整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；(2)(2)投射辐射源必须是同温度下的黑体投射辐射源必须是同温度下的黑体。判断判断物体的吸收率等于它的发射率物体的吸收率等于它的发射率善于辐射的物体必善于吸收善于辐射的物体必善于吸收（）（）50在计算工业温度范围内物体辐射相互作用时，一般看作在计算工业温度范围内
40、物体辐射相互作用时，一般看作漫灰体，但太阳辐射不能，为了将漫灰体，但太阳辐射不能，为了将Kirchhoff Kirchhoff 定律推向定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式，见下表成了该定律不同层次上的表达式，见下表漫灰体吸收比与发射率的关系漫灰体吸收比与发射率的关系对于漫灰体，不论投入辐射是否来自黑体，也不论是否处于对于漫灰体，不论投入辐射是否来自黑体，也不论是否处于热平衡条件，其吸收比恒等于同温度下的发射率。即热平衡条件，其吸收比恒等于同温度下的发射率。即=对于漫灰体，物体的吸收率等于它的发射率
41、对于漫灰体，物体的吸收率等于它的发射率对于漫灰体，善于辐射的物体必善于吸收对于漫灰体，善于辐射的物体必善于吸收（）（）51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KirchhoffKirchhoff 定律三个层次的表达式定律三个层次的表达式注：注：(1)(1)漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合关，即符合LambertLambert定律的物体表面；定律的
42、物体表面；(2)(2)灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，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。比例。524 4 温室效应温室效应普通玻璃的光谱透射比普通玻璃的光谱透射比普通玻璃的光谱透射比普通玻璃的光谱透射比 温室温室温室温室地球的温室效应？地球的温室效应？535 5 太阳与环境辐射太阳与环境辐射太阳辐射光谱太阳辐射光谱太阳辐射光谱太阳辐射光谱 天顶角天顶角天顶角天顶角 大气对太阳辐射：大气对太阳辐射：吸收吸收散射散射54 紫紫紫紫外外外外线线线线约约约约占占占占8.7
43、%8.7%；可可可可见见见见光光光光约约约约占占占占44.6%44.6%；红红红红外外外外线线线线约约约约占占占占45.4%45.4%。=0.2 3.0=0.2 3.0 m m 波长范围约占波长范围约占波长范围约占波长范围约占99%99%。经经经经过过过过大大大大气气气气层层层层的的的的吸吸吸吸收收收收、散散散散射射射射和和和和反反反反射射射射之之之之后后后后，夏夏夏夏季季季季理理理理想想想想的的的的大大大大气气气气透透透透明明明明度度度度条条条条件件件件下下下下，中中中中午午午午前前前前后后后后到到到到达达达达地地地地面的太阳辐射约为面的太阳辐射约为面的太阳辐射约为面的太阳辐射约为1000W
44、/m1000W/m2 2。556 6 辐射在大气中的传播辐射在大气中的传播大气对辐射的作用：折射、吸收、散射等大气对辐射的作用：折射、吸收、散射等 （透射）（透射）大气对辐射的衰减作用称为消光。大气对辐射的衰减作用称为消光。大气窗口：大气窗口：可见光可见光0.761.1m1.21.3 m1.61.75 m2.12.4 m3.44.2 m4.45.4 m814 m56思考题：教材思考题：教材P384P384总结总结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件下可实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体以看成是灰体?2.2.光谱辐射力光谱辐射力,辐射力和定向辐射强度的物理意义辐射力
45、和定向辐射强度的物理意义.它它们之间有什么关系们之间有什么关系?3.3.物体的发射率物体的发射率,吸收率吸收率,反射率反射率,穿透率是怎样定穿透率是怎样定义的义的?发射率和反射率有何不同发射率和反射率有何不同?4.4.工业上有实际意义的热辐射波长范围工业上有实际意义的热辐射波长范围.近红外近红外,远远红外辐射概念红外辐射概念.5.5.漫射表面的概念漫射表面的概念.6.6.物体的发射率取决于物体本身物体的发射率取决于物体本身,而不涉及外部条件而不涉及外部条件.因此因此,发射率可看成是物性发射率可看成是物性.但是吸收率与外界条但是吸收率与外界条件有关件有关.为什么对于灰体为什么对于灰体,吸收率也可看成是物性吸收率也可看成是物性,并等于发射率并等于发射率?577.7.维恩位移定律的表达式维恩位移定律的表达式.试考虑一下它在自然科学试考虑一下它在自然科学 及工程应用中的作用及工程应用中的作用.8.8.四四个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用.58