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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11.热辐射的定义及区分于导热对流的特点热辐射的定义及区分于导热对流的特点其中，与热传导和热对流的主要区分是其中，与热传导和热对流的主要区分是b和和c22.从电磁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
2、 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 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，s-1;波长，波长，m2.2 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：10 103 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：10 10-2-2 0.38 0.38 m mX X射线
3、：射线：10 10-4-4 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，即吸取、反射和穿会发生三种现象，即吸取、反射和穿透，如图所示。透，如图所示。2.3 物体表面对热辐射的作用物体表面对热辐射的作用 物体对热辐射的吸取反射和穿透物体对热辐射的吸取反射和穿透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。吸取比吸取比吸取比
4、吸取比 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镜反射镜反射漫反射漫反射63.黑体模型及其重要性黑体模型及其重要性黑体：能吸取投入到其表面上的全部热辐射的物体，包括黑体：能吸取投入到其表面上的全部热辐射的物体，包括全部方向和全部波长。即吸取比等于全部方向和全部波长。即吸取比等于1的物体（确定黑体，的物体（确定黑体，简称黑体，简称黑体，black body）重要性：探讨黑体的意义在于，在黑体辐射的
5、基础上，把重要性：探讨黑体的意义在于，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 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
6、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 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 =5.67105.6710-8-8 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半球空间放射的全部波长的单位时间内，物体的单位表面积向半球空间放射的全部
7、波长的能量总和。能量总和。(W/m2)(W/m2)；黑体一般接受下标黑体一般接受下标b b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为EbEb92 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；T 黑体温度，黑体温度，K；c1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.74210-16 W m2；c2 其次辐射常数，其次辐射常数，1.438810-2 W 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放射的能量。单位表面积向
8、半球空间放射的能量。(W/m3 (W/m3 W/m2m)W/m2m)；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（Wien）位移定律）位移定律 太太阳阳表表面面温温
9、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。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和和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干脆由普朗克定律导出玻耳兹曼定律表达式可干脆由普朗克定律导出12黑体辐射函数黑体辐射函
10、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 的的黑黑体体所所放放射射的的辐辐射射能中在波段（能中在波段（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区段内所放射的辐射力区段内所放射的辐射力1415太
11、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
12、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)=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 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）3.1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（ra
13、d）17dddfrdAcosdAnnd183.2 定向辐射强度定向辐射强度I：dAc称称为经度角度角称称为纬为纬度角度角（1）纬度角相同，微元黑风光）纬度角相同，微元黑风光积积dA向空间不同经度角方向单位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。立体角中辐射出去的能量是相等的。（对称性）（对称性）（2）探讨黑体在空间不同方向的）探讨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。通过试验测定发觉，面积通过试验测定发觉，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内辐射
14、出去的能量内辐射出去的能量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放射出去的落到空间：从黑体单位可见面积放射出去的落到空间随意方向的单位立体角中的辐射能量称为定向辐射强度。随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/m2sr W/m2sr可见面积示意图可见面积示意图203.3 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。即从黑体单位可见面积放射
15、出去的落到空间随意方向的单位立即从黑体单位可见面积放射出去的落到空间随意方向的单位立体角中的辐射能量是个常量。体角中的辐射能量是个常量。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其次种表达：黑体单位面积放射出去的能量在空间的不同方向其次种表达：黑体单位面积放射出去的能量在空间的不同方向分布是不匀整的，按空间纬度角分布是不匀整的，按空间纬度角的余弦规律变更，在垂直于的余弦规律变更，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放射出去的落沿半球方
16、向积分上式，可获得从单位黑体表面放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间的能量，即黑体的辐射力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：黑体的辐射力由斯忒藩总结：黑体的辐射力由斯忒藩玻耳兹曼定律确定，辐射力玻耳兹曼定律确定，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的规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听从普朗克定律，而按空间方向的分布规律听从兰贝特定律听从普朗克定律，而按空间方向的分布规律听从兰贝特定律；黑体的光谱辐射力有一峰值，与
17、此峰值相对应的波长律；黑体的光谱辐射力有一峰值，与此峰值相对应的波长m由维恩位移定律确定，随着黑体温度的上升，由维恩位移定律确定，随着黑体温度的上升，m向短向短波方向移动。波方向移动。23238-3 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.实际物体的辐射力实际物体的辐射力 前面定义了黑体的放射特性：同温度下，黑体放射热辐射的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长，真实物体表面的放射实力最强，包括全部方向和全部波长，真实物体表面的放射实力低于同温度下的黑体。因此，定义了放射率实力低于同温度下的黑体。因此，定义了放射率(也称为黑也称为黑度度
18、)：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.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更。作不规则的变更。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放射率（单色黑度）比称为光谱放射率（单色黑度）光谱放射
19、率与实际物体的放射率之间有如下关系：光谱放射率与实际物体的放射率之间有如下关系：253.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，在不同方向上有所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更，不尽符合兰贝特定律。变更，不尽符合兰贝特定律。3.1 定向放射率及其随定向放射率及其随角的变更规律角的变更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放射率（定向黑度）：定向放射率（定向黑度）：对于黑体，其定向放射率为对于黑体，其定向放射率为126明显，对于黑体的定向放射率在明显，对于黑体的定向
20、放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：表面的定向放射率漫射体：表面的定向放射率()与方向无关，即定向辐射与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足兰贝特定律，强度与方向无关，满足兰贝特定律，其定向放射率在极坐标中是半径小其定向放射率在极坐标中是半径小于于1的半圆。的半圆。漫射体：定向放射率是一个小于漫射体：定向放射率是一个小于1的常数的物体。的常数的物体。漫射体：满足定向辐射强度与方向漫射体：满足定向辐射强度与方向无关的实际物体。无关的实际物体。漫射体：满足兰贝特定律的实际物漫射体：满足兰贝特定律的实际物体。体。这是对大多数实际表面这是对大多数实际表面的一种很好
21、的近似。的一种很好的近似。27金属材料，从金属材料，从=0起先，在确定角度范围内，起先，在确定角度范围内，()可以认可以认为是一个常数，然后随角度为是一个常数，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度的微小角度又减小直至度的微小角度又减小直至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 定向放射率与半球平均放射率之间的关系定向放射率与半球平均放射率之间的关系 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，在半球空间大部分范围内，定向放射率
22、基本是个常数，可以用其法大部分范围内，定向放射率基本是个常数，可以用其法向放射率向放射率n来近似代替。来近似代替。法向放射率：法向方向的定向放射率。法向放射率：法向方向的定向放射率。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）要区分对待。但对高度磨光的表面（很低）要区分对待。()n 31323.3 影响物体放射率的因素影响物体放射率的因素影响物体放射率的因素主要包括：物质的种类、表面温度、影响物体放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，放射率越高表面温度：温度越高，放射率越高表
23、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 和定向辐射强度和定向辐射强度I，分，分别引入了三个修正系数，即，放射率别引入了三个修正系数，即，放射率，光谱放射率，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黑体的定向辐强度与黑体的定向辐射强度之比：射
24、强度之比：34本节中，还有几点须要留意和强调本节中，还有几点须要留意和强调将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射特殊困难，很将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射特殊困难，很难理论确定，事实上是一种权宜之计；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体。虽然实际物体的定向放定律的表面成为漫射体。虽然实际物体的定向放射率并不完全符合射率并不完全符合LambertLambert定律，但照旧近似地认为大多数定律，但照旧近似地认为大多数工程材料听从工程材料听从LambertLambert定律，看作漫射体；定律，看作漫射体；物体表面的放射率取决于物质种类
25、、表面温度和表面状况。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有关，而不涉及外这说明放射率只与放射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。界条件。358-4 实际物体对辐射能的吸取与辐射的关系实际物体对辐射能的吸取与辐射的关系 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 _361 1
26、）投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能）投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2 2）吸取比：物体对投入辐射所吸取的百分数，通常用）吸取比：物体对投入辐射所吸取的百分数，通常用表表 示，即示，即1 实际物体的吸取比实际物体的吸取比对黑体放射率对黑体放射率=1，吸取比，吸取比=1。而实际物体放射率。而实际物体放射率1，吸取比吸取比1。实际物体吸取比取决于两个方面：实际物体吸取比取决于两个方面：（1）吸取物体本身的状况（物质种类、表面温度、表面）吸取物体本身的状况（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）。3
27、7光谱吸取比：物体对某一特定波长的辐射能所吸取的百光谱吸取比：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。光谱吸取比与波长有关，不分数，也叫单色吸取比。光谱吸取比与波长有关，不同波长有不同吸取比。同波长有不同吸取比。1.1 光谱吸取比光谱吸取比图图8-17和和8-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸取比同波分别给出了室温下几种材料的光谱吸取比同波长的关系。长的关系。38铜与铝的光谱吸取比同铜与铝的光谱吸取比同波长的关系波长的关系非导电体材料的光谱吸取比非导电体材料的光谱吸取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
28、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随随随波长的变化情况。波长的变化情况。波长的变化情况。波长的变化情况。40选择性吸取：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物选择性吸取：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸取实力也依据其波长的不同而变更，我体对投入辐射的吸取实力也依据其波长的不同而变更，我们把物体的光谱吸取比随波长变更而变更的这种特性称为们把物体的光谱吸取比随波长变更而变更的这种特性称为物体的吸取具有选择性（选择性吸取）物体的吸取具有选择性（选择性吸取）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光谱吸取比随波长的
29、变更体现了实际物体的选择性吸取的特性举例：举例：（1）太阳集热器（选择性吸取涂层）太阳集热器（选择性吸取涂层）（2）大千世界的五彩缤纷（美的享受）大千世界的五彩缤纷（美的享受）世上万物呈现不同颜色的主要缘由在于选择性的吸取与辐世上万物呈现不同颜色的主要缘由在于选择性的吸取与辐射。当阳光照射到一个物体表面时，假如射。当阳光照射到一个物体表面时，假如.1.2 选择性吸取选择性吸取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 选择性吸取对辐射传热计算所造成的困难选择性吸取对辐射传热计算所造成的困难依据前面的定义可知，物体的吸取比除与自身表面性质的温依据前面的定义可知，物体的吸取比除与自
30、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分别代表所探讨的物体和产生投入辐射的物体，则物体分别代表所探讨的物体和产生投入辐射的物体，则物体1 1的的吸取比为吸取比为42图图8-19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
31、源源温温温温度度度度的变化的变化的变化的变化 44 物体的选择性吸取特性，即对有些波长的投入辐射吸取多，而对另一些波长的辐射吸取少，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取的同时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸取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，一般有两种处理方法，即灰体法，即将光谱吸取比()等效为常数，即=()=const。并将()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，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；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，每个小区域被称为一个谱带
32、，在每个谱带内应用灰体假设。45灰体：光谱吸取比与波长无关的物体称为灰体。此时，不灰体：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，吸取比管投入辐射的分布如何，吸取比都是同一个常数。都是同一个常数。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，它也是一种志向物体，但对于大部分工程问题与黑体类似，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取比只取决于本身的状况，而与外界状况无关。的吸取比只取决于本身的状况，而与外界状况无关。工业辐射（波
33、长工业辐射（波长3m以上）传热计算一般按灰体处理。但对以上）传热计算一般按灰体处理。但对太阳辐射不能作为灰体。太阳辐射不能作为灰体。漫灰体：光谱放射率与波长无关的灰体。（漫射的灰体）漫灰体：光谱放射率与波长无关的灰体。（漫射的灰体）24463 吸取比与放射率的关系吸取比与放射率的关系-基尔霍夫（基尔霍夫（Kirchhoff）定）定律律黑黑黑黑体体体体平平平平壁壁壁壁任任任任意意意意平平平平壁壁壁壁 在学习了放射辐射与吸取辐射的特在学习了放射辐射与吸取辐射的特性之后，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
34、 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。最简洁的推导是用两块无限大平板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是随意物体，参数分别为是随意物体，参数分别为Eb,T1 Eb,T1 以及以及E,E,T2,T247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
35、2为随意壁面，可写成为随意壁面，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取比的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。体辐射的吸取比的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。（2）在热平衡条件下，随意物体对黑体投入辐射的吸取比等）在热平衡条件下，随意物体对黑体投入辐射的吸取比等于同温度下该物体的放射率。于同温度下该物体的放射率。49 由由Kirchhoff 定律可知，物体的吸取率等与它的放射率。但定律可知，物体的吸取率等与它的放射率。但该式具有如下严格的限制
36、：该式具有如下严格的限制：整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；投射辐射源必需是同温度下的黑体。投射辐射源必需是同温度下的黑体。推断推断物体的吸取率等于它的放射率物体的吸取率等于它的放射率擅长辐射的物体必擅长吸取擅长辐射的物体必擅长吸取（）（）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
37、表成了该定律不同层次上的表达式，见下表漫灰体吸取比与放射率的关系漫灰体吸取比与放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，其吸取比恒等于同温度下的放射率。即热平衡条件，其吸取比恒等于同温度下的放射率。即=对于漫灰体，物体的吸取率等于它的放射率对于漫灰体，物体的吸取率等于它的放射率对于漫灰体，擅长辐射的物体必擅长吸取对于漫灰体，擅长辐射的物体必擅长吸取（）（）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
38、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Kirchhoff Kirchhoff 定律三个层次的表达式定律三个层次的表达式注：注：漫射表面：指放射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，漫射表面：指放射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合即符合LambertLambert定律的物体表面；定律的物体表面；灰体：指光谱吸取比与波长无关的物体，其放射和吸取辐射灰体：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，只是减小了一个相同的比例。与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。524 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
39、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 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：吸取吸取散射散射54 紫紫紫紫外外外外线线线线约约约约占占占占8.7%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取取取取
40、、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，夏夏夏夏季季季季志志志志向向向向的的的的大大大大气气气气透透透透亮亮亮亮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/m21000W/m21000W/m21000W/m2。556 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、吸取、散射等大气对辐射的作用：折射、吸取、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0.761.1m1.2
41、1.3 m1.61.75 m2.12.4 m3.44.2 m4.45.4 m814 m56思索题：教材思索题：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.光谱辐射力光谱辐射力,辐射力和定向辐射强度的物理辐射力和定向辐射强度的物理意义意义.它们之间有什么关系它们之间有什么关系?3.3.物体的放射率物体的放射率,吸取率吸取率,反射率反射率,穿透率是穿透率是怎样定义的怎样定义的?放射率和反射率有何不同放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
42、范围.近红近红外外,远红外辐射概念远红外辐射概念.5.5.漫射表面的概念漫射表面的概念.6.6.物体的放射率取决于物体本身物体的放射率取决于物体本身,而不涉及外而不涉及外部条件部条件.因此因此,放射率可看成是物性放射率可看成是物性.但是但是吸取率与外界条件有关吸取率与外界条件有关.为什么对于灰体为什么对于灰体,吸吸取率也可看成是物性取率也可看成是物性,并等于放射率并等于放射率?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.8.8.四个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用四个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用.58