第8章 热辐射基本定律和辐射特性

第8章热辐射基本定律和辐射特性8.1热辐射现象的基本概念8.1.1热辐射的定义及区别于导热对流的特点热辐射：由电磁波传递能量；（可在真空中传递，能量形式发生变化）与热运动有关。（温度高，热运动剧烈，物体辐射电磁波较强）辐射传热：①微观带电粒子热运动时，发出电磁波，将热能转变为辐射能。②微观带电粒子吸收电磁波，热运动加剧，将辐射能转变为热能。8.1.2从电磁波的角度描述热辐射的特性1.传播速率与波长、频率间的关系真空中光速，大气中略低。sm1038c热辐射的本质是电磁波：波速、波长和频率的关系：fcf——频率，、；1sHz——波长，、；mμm2.电磁波的波谱热辐射的波长范围：μm100~1.0①工业应用：，（红外线）μm100~8.0K2000T①太阳辐射：，（可见光）μm2~1.0K5800T近红外线：，远红外线：μm25~8.0μm100~253.物体表面对电磁波的作用（1）吸收比、反射比与穿透比之间的一般关系热辐射投射到物体表面上：吸收、反射、穿透入射总能：吸收、反射、穿透QQQQQQQQ1QQQQQQ1①吸收比：QQ黑体：，理想吸收体。1一般：，固体、液体在表面吸收，气体在内部吸收。1②反射比：QQ镜体：，理想反射体。1气体：，01两类反射：镜面反射：磨光表面，遵循反射定律。漫反射：一般表面，粗糙度大于波长。注意：（a）漫反射中，白体；（b）工业材料表面都为漫反射。1③穿透比：QQ透明体：，理想透明体。固体、液体：，1018.1.3黑体模型及其重要性黑体：，无反射，常为黑色；典型的热辐射模型，研究黑体可得到热辐射规律。1黑体模型：带有空腔的小孔。热辐射由小孔射入，空腔吸收全部辐射能，从小孔反射出来的能量可忽略。此外：空腔内壁热辐射能量由小孔射出，在小孔外侧，可测黑体空腔的热辐射。注意：黑体吸收能力最强，其辐射能力也最强。8.2黑体热辐射的基本定律8.2.1斯忒藩-玻耳兹曼定律关于热辐射：①物体表面向空间发射、吸收辐射能——半球空间；②物体热辐射各种波长的辐射能，但强度不同。辐射力：单位时间、单位面积上辐射的总能量。注意：包括全部波长、半球空间所有方向。E2mW黑体辐射力：404100TCTEb黑体辐射系数：420KmW67.5C8.2.2普朗克定律1.光谱辐射力：EmmW2单位时间，单位表面积，包含的单位波长范围的辐射能。表明波长的电磁波的辐射能力。2.普朗克定律：由量子理论推得黑体光谱辐射力1251TcecE第一辐射常量2161mW107419.3c第二辐射常量Km104388.122c维恩位移定律：黑体的光谱辐射力存在峰值0ddEKm109.23Tm①——最大光谱辐射力的波长；②温度升高，向短波移动。（一般物体类似）mm3.普朗克定律与斯忒藩-玻耳兹曼定律的关系40dTEEbbm4.黑体辐射能按波段的分布①在波长范围内辐射能：0d0~0bbEE②黑体辐射函数：TfσTEEEFbbbb4000d即：在内的辐射能所占的百分比。0③在波长范围内辐射能：21bbbbbbEFFEFE12212100~8.2.3兰贝特定律1.立体角：电磁波沿直线传播，在同一锥体内，不同面积上的辐射能相同。2drdAc单位：空间度sr①是垂直的面积；②半球空间。cAdr2在球坐标系中：dsinddrrAcddsind纬度角经度角2.定向辐射强度可见辐射面积：对辐射面积，法线方向—可见辐射面积最大方向—可见辐射面积AdAdpcosdAnpAdcosdA定向辐射强度：（表示某一方向辐射强度）在某一方向上，单位时间内，单位可见辐射面积上辐射出去的，落在单位立体角内的辐射能。I在与辐射面法向成角的方向上：dcosddAI单位：srmW23.兰贝特定律（余弦定律）实验测定表明：黑体的定向辐射强度是个常量。IAdcosdd余弦定律：cosdddIA即：从单位辐射面积上发出的辐射能，在空间各个方向上是不同的。4.兰贝特定律与斯忒藩-玻耳兹曼定律间的关系对半球空间，黑体辐射力：2ddAEbddsincosdcos22bbII2020dsincosdbIbbIE（单位时间，单位面积辐射能）P363例题8-3试分别计算温度为1000K、1400K、3000K、6000K、时可见光和红外线辐射在黑体总辐射中所占的份额。解：以时，黑体辐射可见光为例：K3000可见光波长范围μm76.0~μm38.0Kμm1140300038.011T%14.010bFKμm2280300076.022T%7.1110bF%64.11122100bbbFFF）（μm76.038.0）（μm100076.0P364例题8-4如图所示，有一个微元黑体面积dAb=10-3m2，与该黑体表面相距0.5m处另有三个微元面积dA1、dA2、dA3，面积均为10-3m2，该三个微元面积的空间方位如图中所示。试计算从dAb发出分别落在dA1、dA2与dA3对dAb所张的立体角中的辐射能量。解：①立体角：2o1130cosddrA2o220cosddrAsr1000.43bdA1dA2dA3dAro60o45o30sr1046.33sr1000.432o330cosddrAbdA1dA2dA3dAro60o45o30②辐射能：1o1d60cosddbAI2o2d0cosddbAI3o3d45cosddbAIsrmW70002IW1021.12W1080.22W1098.128.3固体和液体的辐射特性8.3.1实际物体的辐射力固体与液体热辐射特性相似，与气体辐射相差很大。bEE实际物体的辐射力与同温度下的黑体不同。定义，发射率（黑度）：注意：表明物体的辐射特性，与环境无关。E实际物体：4TEEb8.3.2实际物体的光谱辐射力实验发现：实际物体的光谱辐射力与黑体不同，但总的变化趋势——定性关系基本一致。E定义，光谱发射率（单色黑度）：bEE光谱发射率与发射率关系：40dTEEEbb注意：实验发现与温度有关。8.3.3实际物体的定向辐射强度实际物体的定向辐射强度，在不同方向发生变化。I定义，定向发射率（定向黑度）：bII——与辐射面法线的夹角1.定向发射率随角的变化规律①黑体：定向辐射强度为常量，1②漫射体：定向辐射强度为常量，10.10.1黑体漫射体，开始增大③金属导体：理论分析与实验基本一致（极坐标）常量o40，o400o90，，开始减小常量o60，o600o90，④非导电体：1-潮湿的冰2-木材3-玻璃4-纸5-粘土6-氧化铜7-氧化铝定向辐射强度：指从单位可见面积发射出去的，落在空间任意方向的单位立体角中的能量。2.定向发射率与半球平均发射率间的关系IbbIdIEE222ddbbII说明：①理论和实验表明：在大半个半球空间基本为常量nM，——修正系数M②实验测定：金属（高度磨光取上限）非金属（粗糙表面取上限）3.1~0.1M0.1~95.0M工程计算中：，0.1Mn因此：工程中一般给出法向发射率，并看成是漫射体。3.影响物体发射率的因素①物质种类；②表面温度；③表面状况P370例题8-6实验测得2500K钨丝的法向一单色发射率如图所示，试计算其辐射力及发光效率。解：①发射率：bbEEEEE220ddbbbEEE220dd20202201dd2121bbbbbbFFEEEE6337.020bFP360表8-1322.01202021bbFF2540mW1013.7100TCEEbKμm5000K2500μm2T②可见光范围μm76.0~38.0由图得发射率45.0Kμm950250038.01T0003.038.00bFKμm1900250076.02T0521.076.00bF4038.0076.00100ΔΔTCFFEEbbb%27.70727.0ΔEE8.4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系8.4.1实际物体的吸收比黑体：，，；1b1bbb实际物体：，，11?投入辐射：单位时间，外界投入到物体上单位面积的辐射能。Q吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分比。取决于两因素：①吸收物体的特性：种类、表面温度、表面状况；②投入辐射的特性：波长范围、能量分布。1.光谱吸收比实验表面：实际物体对不同波长辐射能的，其吸收不同。指对所有波长的辐射能吸收的平均值。光谱吸收比：物体吸收某一特定波长辐射能的百分比。非导体的光谱吸收比：波长小于时，光谱吸收比小于；波长大于时，光谱吸收比高达。μm2μm52.09.02.实际物体的吸收具有选择性选择性吸收：指物体的光谱吸收比随波长变化。实际当中，大量存在：①温室效应温室玻璃对太阳辐射穿透比高，辐射能进入温室；玻璃对室内红外辐射穿透比低，阻止热量散失。μm3μm3②物体颜色太阳光照射到物体上时，吸收不同，颜色不同：全部吸收——黑色；全部反射——白色；均匀吸收并反射——灰色；只反射一种波长——单色。3.实际物体吸收的选择性对辐射传热计算所造成的困难①表面1吸收表面2的辐射表面2辐射：22,TETEb表面1吸收：ETE1,02202211d,d,,TETTETTEEbb）表面表面2,1,,(21TTf1T2T②表面1吸收黑体的辐射42021d,TTETb1,2TbEE）表面1,,(21TTf简化：实际中测物体对黑体的吸收比。8.4.2灰体的概念及其工程应用为简化吸收的计算，提出灰体的概念。灰体：光谱吸收比与波长无关，即1常数注意：①灰体的吸收与辐射物体无关，只与自身性质有关；②工业上热辐射物体，可当作灰体处理。K20008.4.3吸收比与发射率的关系——基尔霍夫定律1.实际物体吸收比和发射率间的关系设：表面1为黑体，辐射力，吸收比表面2为实物，辐射力，吸收比bE1bE1对实际物体2：辐射热量热平衡时，bEEq0q21TTbEE①注意：是与黑体的吸收比。bEE②条件：热平衡；黑体投入辐射。定律表明：物体辐射能力大，其吸收能力也强。例如黑体。2.漫射灰体吸收比和发射率间的关系漫射灰体（漫灰表面）：漫射体：，辐射与空间方向无关。常量灰体：，吸收与投入辐射无关。常量因此：漫灰表面的辐射与吸收，与外界环境无关，与自身有关。①漫灰表面与黑体，达到热平衡：常量TT②漫灰表面与实际物体，无热平衡：（环境变化，自身不变）常量TT即：漫灰表面一定有。例如