7-热辐射基本定律和辐射特性分析优秀PPT.ppt

1第七章第七章 热辐射基本定律和辐射特性热辐射基本定律和辐射特性 7.1 7.1 热辐射现象的基本概念；热辐射现象的基本概念；7.2 7.2 黑体热辐射的基本定律；黑体热辐射的基本定律；7.3 7.3 固体和液体的辐射特性；固体和液体的辐射特性；7.4 7.4 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；7.5 7.5 太阳与环境辐射；太阳与环境辐射；27.1 7.1 热辐射现象的基本概念热辐射现象的基本概念 热辐射在机理上与导热、对流有根本的不同。热辐射在机理上与导热、对流有根本的不同。导热与对流是由于物质微观粒子的热运量和物体的宏观运动导热与对流是由于物质微观粒子的热运量和物体的宏观运动所造成的能量转移。所造成的能量转移。热辐射是由于物质的热辐射是由于物质的电磁运动电磁运动所引起的能量的传递。所引起的能量的传递。（1 1）热辐射的定义和特点热辐射的定义和特点3 辐射是电磁波传递能量的现象。辐射是电磁波传递能量的现象。电磁辐射的波长范围很广，从长达数百米的无电磁辐射的波长范围很广，从长达数百米的无线电波到小于线电波到小于10-14米的宇宙射线。米的宇宙射线。由于热的缘由而产生的电磁辐射称为热辐射。由于热的缘由而产生的电磁辐射称为热辐射。10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 /m可可见见光光X射线射线 射线射线紫外线紫外线红外线红外线无线电波无线电波热辐射热辐射04 在在工工业业上上所所遇遇到到的的温温度度范范围围内内（2000K以以下下），最最感感爱爱好好的的是是波波长长约约从从0.38m到到0.76m的的可可见见光光和和波波长长从从可可见见光光谱谱的的红红端端之之外外延延长长到到1000m的红外线。的红外线。有有时时以以波波长长25m为为界界，又又将将红红外外线线区区分分为为近近红外区和远红外区。红外区和远红外区。10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 /m可可见见光光X射线射线 射线射线紫外线紫外线红外线红外线无线电波无线电波热辐射热辐射05 理论上热辐射的波长范围从零到无穷大，但在日常生活和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内，热辐射的波长主要在工业上常见的温度范围内，热辐射的波长主要在0.1m0.1m至至100m100m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。辐射换热辐射换热：以热辐射的方式进行的热量交换。：以热辐射的方式进行的热量交换。6 只要物体的温度高于只要物体的温度高于0K0K，物体总是不断地把热能变更辐射，物体总是不断地把热能变更辐射能，向外发出热辐射。能，向外发出热辐射。同时，物体也不断地吸取四周物体投射到它上面的热辐射，同时，物体也不断地吸取四周物体投射到它上面的热辐射，并把吸取的辐射能重新转变成热能。并把吸取的辐射能重新转变成热能。辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸取的总效果。辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸取的总效果。一个物体假如与另一个物体相互能够看得见，那么它们之一个物体假如与另一个物体相互能够看得见，那么它们之间就会发生辐射热交换。间就会发生辐射热交换。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。7辐射换热的主要影响因素：辐射换热的主要影响因素：（1 1）物体本身的温度、表面辐射特性；）物体本身的温度、表面辐射特性；（2 2）物体的大小、几何形态及相对位置。）物体的大小、几何形态及相对位置。8（2 2）物体表面对电磁波的作用物体表面对电磁波的作用 当当热热辐辐射射的的能能量量投投射射到到物物体体表表面面上上时时，会会发发生生吸吸取取、反反射射和和穿穿透透现现象象。若若外外界界投投射射到到物物体体表表面面上上的的总总能能量量为为Q Q，一一部部分分Q Q被被物物体体吸吸取取，一一部部分分Q Q 被被物物体体反反射射，一一部部分分Q Q 穿穿透透物物体体。按按能量守恒定律有：能量守恒定律有：Q Q Q QQ Q Q Q 9 各各部部分分百百分分数数Q Q/Q/Q、Q Q/Q/Q、Q Q/Q/Q 分分别别称称为为该该物物体体对对投入辐射的吸取比、反射比和透射比，记为投入辐射的吸取比、反射比和透射比，记为 、和和 。于是于是 事事实实上上，当当辐辐射射能能进进入入固固体体或或液液体体表表面面后后，在在一一个个极极短短的的距离内就吸取完了。故对于固体和液体有距离内就吸取完了。故对于固体和液体有 因而对固体和液体，吸取实力大的物体其反射本事就小。因而对固体和液体，吸取实力大的物体其反射本事就小。10 由于热射线不能穿过固体和液体，于是可以把它们的吸取由于热射线不能穿过固体和液体，于是可以把它们的吸取和反射视为一个表面过程，它们自身辐射也应在表面完成。因和反射视为一个表面过程，它们自身辐射也应在表面完成。因此，固体和液体上的热辐射是表面辐射。此，固体和液体上的热辐射是表面辐射。辐辐射射能能投投射射到到气气体体上上时时，情情况况与与投投射射到到固固体体或或液液体体上上不不同同。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，可可认认为为反反射射比比，=0 0，故有，故有 气体对热射线的吸取和穿透是在空间中进行的，其自身气体对热射线的吸取和穿透是在空间中进行的，其自身的辐射也是在空间中完成的。因此，气体的热辐射是容积辐的辐射也是在空间中完成的。因此，气体的热辐射是容积辐射。射。11留意：留意：（1 1）、属于物体的辐射特性，取决于属于物体的辐射特性，取决于物体的种类、温度和表面状况，是波长的函数。物体的种类、温度和表面状况，是波长的函数。,不仅取决于物体的性质，还与投射辐不仅取决于物体的性质，还与投射辐射射能的波长分布有关。能的波长分布有关。（2 2）固体和液体对辐射能的吸取和反射基本上）固体和液体对辐射能的吸取和反射基本上属于表面效应。金属：表面层厚度小于属于表面效应。金属：表面层厚度小于1m1m；绝大；绝大多数非金属：表面层厚度小于多数非金属：表面层厚度小于1mm1mm。（3 3）对于固体和液体，）对于固体和液体，=0,+=1 =0,+=1。12 由于不同物体的吸取比、反射比和透射比因具体条件不同由于不同物体的吸取比、反射比和透射比因具体条件不同差别很大，给热辐射的计算带来很大困难。为了使问题简化，差别很大，给热辐射的计算带来很大困难。为了使问题简化，我们定义了一些志向物体。我们定义了一些志向物体。对于透射比对于透射比=1=1的物体称为透亮体。的物体称为透亮体。反射比反射比=1=1物体称为物体称为白体白体（具有漫反射的表面）或（具有漫反射的表面）或镜体镜体（具有镜反射的表面）。（具有镜反射的表面）。物体表面是漫反射还是镜反射，这要取决于物体表面相对物体表面是漫反射还是镜反射，这要取决于物体表面相对于辐射波长的表面粗糙程度。于辐射波长的表面粗糙程度。13 当当表表面面的的不不平平整整尺尺寸寸小小于于投投入入辐辐射射的的波波长长时时，形形成成镜镜面面反反射射，此此时时入入射射角角等等于于反反射射角角。高高度度磨磨光光的的金金属属板板会会形成镜面反射。形成镜面反射。当当表表面面的的不不平平整整尺尺寸寸大大于于投投入入辐辐射射的的波波长长时时形形成成漫漫反反射射。这这时时从从某某一一方方向向投投射射到到物物体体表表面面上上的的辐辐射射向向空空间间各方向反射出去。各方向反射出去。1 2 1=214 吸取比吸取比=1=1的物体，称为确定黑体，简称黑体。的物体，称为确定黑体，简称黑体。尽管自然界并不存在黑体，用人工的方法可以制造出特殊尽管自然界并不存在黑体，用人工的方法可以制造出特殊接近于黑体的模型。接近于黑体的模型。选用吸取比小于选用吸取比小于1 1的材料制造一个空腔，的材料制造一个空腔，并在空腔壁面上开一个小孔，再设法使空腔并在空腔壁面上开一个小孔，再设法使空腔壁面保持匀整的温度。这时空腔上的小孔就壁面保持匀整的温度。这时空腔上的小孔就具有黑体辐射的特性。具有黑体辐射的特性。15 若小孔占内壁面积小于若小孔占内壁面积小于0.6%，当内壁吸取比为当内壁吸取比为0.6时，小孔的吸时，小孔的吸取比可大于取比可大于0.996。黑体将全部投射在它上面的一黑体将全部投射在它上面的一切波长和全部方向上的辐射能全切波长和全部方向上的辐射能全部吸取，在全部物体之中，它吸部吸取，在全部物体之中，它吸取热辐射的实力最强。取热辐射的实力最强。167.2 7.2 黑体热辐射的基本定律黑体热辐射的基本定律（1 1）辐射力）辐射力 总辐射力总辐射力 辐射力也称全色辐射力，其定义为辐射力也称全色辐射力，其定义为单位时间单位辐射面积单位时间单位辐射面积向半球空间辐射出去的一切波长的辐射能量。向半球空间辐射出去的一切波长的辐射能量。式中：式中：E E为辐射力，其单位为为辐射力，其单位为W/mW/m2 2；dQdQ为微元面积为微元面积dAdA向半球空间向半球空间辐射出去的总辐射能。辐射出去的总辐射能。17 单色辐射力（光谱辐射力）单色辐射力（光谱辐射力）单色辐射力被定义为单色辐射力被定义为单位时间单位辐射面积向半球空间辐单位时间单位辐射面积向半球空间辐射出去的某一波长范围的辐射能量射出去的某一波长范围的辐射能量，用来描述辐射能量随波长，用来描述辐射能量随波长的分布特征。的分布特征。E E为物体表面的单色辐射力；为物体表面的单色辐射力；dQdQ为微元面积为微元面积dAdA向半球空间辐向半球空间辐射出去的某一波长的辐射能；射出去的某一波长的辐射能；为热射线的波长，单位为为热射线的波长，单位为mm。辐射力和单色辐射力之间的关系辐射力和单色辐射力之间的关系:18 方向辐射力（定向辐射力）方向辐射力（定向辐射力）方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在半球空间中方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在半球空间中的分布特征，其定义为单位时间单位辐射面积向半球空间中某的分布特征，其定义为单位时间单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的全部波长的辐射能量。一个方向上单位立体角内辐射的全部波长的辐射能量。dd为微元为微元立体角立体角方向辐射力与辐射力之间的关系：方向辐射力与辐射力之间的关系：19立体角是用来衡量空间中的面相对于某一点所立体角是用来衡量空间中的面相对于某一点所张开的空间角度的大小，如图张开的空间角度的大小，如图c所示，其定义为：所示，其定义为：df为空间中的微元面积，为空间中的微元面积，r为该面积与发射点之为该面积与发射点之间的距离。间的距离。dAdA dAdfrddQdQ（a）微元表面总辐射）微元表面总辐射 （b）微元表面单色辐射）微元表面单色辐射 （c）微元表面方向辐射）微元表面方向辐射2021在球坐标系中，如图所示，按几何关系有在球坐标系中，如图所示，按几何关系有其单位为其单位为W/(m2Sr)，Sr为为球面度球面度,是立体角的单位。是立体角的单位。dddfn球坐标系中的立体角球坐标系中的立体角r由于半球面积为由于半球面积为2r2,故半球面对球心所张开故半球面对球心所张开的立体角的立体角=2Sr。22 辐射强度辐射强度 由于处于不同的空间位置所能看见的辐射面积由于处于不同的空间位置所能看见的辐射面积是变化的，也就是随着是变化的，也就是随着角的增大，辐射面积角的增大，辐射面积在该方向上的可见面积（投影面积）就越小在该方向上的可见面积（投影面积）就越小。dAcosdAnd辐射强度的定义图辐射强度的定义图定义定义辐射强度辐射强度，用以，用以表示单表示单位时间在某一辐射方向上的位时间在某一辐射方向上的单位可见辐射面积单位可见辐射面积向该方向向该方向单位立体角内辐射的所有波单位立体角内辐射的所有波长的辐射能。长的辐射能。23dAcosdAnd辐射强度的定义图辐射强度的定义图单位为单位为W/(m2Sr)，式中，式中 为给定方向上的可见辐射面积，为给定方向上的可见辐射面积，也就是垂直于该方向的流通面也就是垂直于该方向的流通面积。积。辐射强度与方向辐射力的关系辐射强度与方向辐射力的关系:与辐射力之间的关系与辐射力之间的关系:24（2 2）黑体辐射基本定律）黑体辐射基本定律 普朗克定律普朗克定律普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分布规律，给出了黑体的单色辐射力与热力学温布规律，给出了黑体的单色辐射力与热力学温度度T、波长、波长 之间的函数关系，由量子理论得到之间的函数关系，由量子理论得到的数学表达式为：的数学表达式为：c1为第一辐射常数，为第一辐射常数，c1=3.742 10-16Wm2；c2为其次辐射常数，为其次辐射常数，c2=1.4388 10-2mK25图中给出了在温度为参变量下的单色辐射力随图中给出了在温度为参变量下的单色辐射力随波长变化的一组曲线。单色辐射力随着波长的波长变化的一组曲线。单色辐射力随着波长的增加而增加，达到某一最大值后又随着波长的增加而增加，达到某一最大值后又随着波长的增加而慢慢减小。增加而慢慢减小。在同一波长下黑体温度在同一波长下黑体温度越高，对应的单色辐射越高，对应的单色辐射力越大。力越大。T1T2T1T2 d E 26E Ebb0 0T T1 1T T2 2T T3 3T T5 5黑体单色辐射力随波长和温度变化黑体单色辐射力随波长和温度变化T T4 4随着温度的升高黑体辐随着温度的升高黑体辐射能的分布在向波长短射能的分布在向波长短的方向集中，也就是高的方向集中，也就是高温辐射中短波热射线含温辐射中短波热射线含量大而长波热射线含量量大而长波热射线含量相对少。相对少。维恩位移定律维恩位移定律 27Eb 最最大大处处的的波波长长 m也也随随温温度度不不同同而而变变化。令化。令 可可见见 m与与T成成反反比比，T越越高高，则则 m越越小小，这这一一规规律律为为维维恩恩（Wien）位位移移定定律律，历历史史上上先先发发现现的是的是维恩位移定律维恩位移定律。28例例7-1：试试分分别别计计算算温温度度为为2000K和和5800K的的黑黑体的最大光谱辐射力所对应的波长体的最大光谱辐射力所对应的波长 m。解：解：按按计算：计算：当当T=2000K时，时，当当T=5800K时，时，可可见见工工业业上上一一般般高高温温辐辐射射（2000K内内），黑黑体体最最大大光光谱谱辐辐射射力力的的波波长长位位于于红红外外线线区区段段，而而太太阳阳辐辐射射（5800K）对对应应的的最最大大光光谱谱辐辐射射的的波波长长则则位位于于可可见见光光区段。区段。29 斯忒藩波尔兹曼定律斯忒藩波尔兹曼定律 在黑体辐射的探讨中，斯忒藩（在黑体辐射的探讨中，斯忒藩（Stefan）于）于1879年由年由试验确定黑体的辐射力与热力学温度之间的关系，其试验确定黑体的辐射力与热力学温度之间的关系，其后由波尔兹曼（后由波尔兹曼（Boltzmann）于）于1884年从热力学关系年从热力学关系式导出。式导出。Eb为黑体的辐射力（为黑体的辐射力（W/m2）；）；T为黑体的确定温度为黑体的确定温度（K）；）；0为斯忒藩波尔兹曼常数，其值为为斯忒藩波尔兹曼常数，其值为5.6710-8W/(m2K4);C0为黑体辐射系数（为黑体辐射系数（5.67 W/(m2K4)）30例例7-2：一一黑黑体体置置于于室室温温为为27的的厂厂房房中中，试试求求在在热热平平衡衡条条件件下下黑黑体体表表面面的的辐辐射射力力。如如果果将将黑黑体加热到体加热到327，它的辐射力又是多少？，它的辐射力又是多少？解解：在在热热平平衡衡条条件件下下，黑黑体体温温度度与与室室温温相相同同，辐射力为：辐射力为：327黑体的辐射力为黑体的辐射力为31 兰贝特定律兰贝特定律 （LambertLambert）（余弦定律）（余弦定律）黑体辐射的辐射强度与方向无关，即黑体辐射的辐射强度与方向无关，即 因为因为 故对于听从兰贝特定律的辐射有：故对于听从兰贝特定律的辐射有：即即单单位位辐辐射射面面积积发发出出的的辐辐射射能能，落落到到空空间间不不同同方方向向单单位位立立体体角角的的能能量量的的数数值值不不相相等等，其其值值正正比比于于该该方方向向与与辐辐射射面面法法线线方方向向夹夹角角的的余余弦弦。所所以兰贝特定律又称以兰贝特定律又称余弦定律余弦定律。32因因此此，对对遵遵守守兰兰贝贝特特定定律律的的辐辐射射，辐辐射射力力在在数数值上等于辐射强度的值上等于辐射强度的 倍。倍。337.3 7.3 固体和液体的辐射特性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实际物体表面的热辐射实际物体表面的热辐射性能均弱于黑体表面。性能均弱于黑体表面。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作不规则的往往随波长作不规则的变更。变更。黑体黑体 E 实际实际物体物体图为同温度下黑体辐射和实际物体辐射的单色辐射力图为同温度下黑体辐射和实际物体辐射的单色辐射力随波长变更的曲线。随波长变更的曲线。34 实际表面的辐射力与同温度下黑体辐射力实际表面的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值，称为黑度（放射率）。的比值，称为黑度（放射率）。黑度仅仅与物体表面自身的辐射特性相关，黑度仅仅与物体表面自身的辐射特性相关，也就是与物体的种类和它的表面特征相关以及和也就是与物体的种类和它的表面特征相关以及和物体的温度相关，而与物体外部的状况无关。物体的温度相关，而与物体外部的状况无关。总放射率总放射率35实际表面的单色辐射力与实际表面的单色辐射力与同温度下黑体表面的单色同温度下黑体表面的单色辐射力之比辐射力之比 单色放射率（光谱放射率）单色放射率（光谱放射率）放射率与单色放射率之间放射率与单色放射率之间的关系为的关系为 36 物体表面在某方向上的方向辐射力与同温度黑体物体表面在某方向上的方向辐射力与同温度黑体辐射在该方向上的方向辐射力之比，亦可表示为物体辐射在该方向上的方向辐射力之比，亦可表示为物体在某方向上的辐射强度与同温度黑体辐射在该方向上在某方向上的辐射强度与同温度黑体辐射在该方向上的辐射强度之比的辐射强度之比 方向放射率方向放射率(定向放射率）定向放射率）假照实际物体的方向辐射力遵守兰贝特定律，该假照实际物体的方向辐射力遵守兰贝特定律，该物体表面称为漫射表面。黑体表面就是漫射表面。物体表面称为漫射表面。黑体表面就是漫射表面。37假照实际物体是漫射表面，则其方向辐射率应等于常假照实际物体是漫射表面，则其方向辐射率应等于常数，而与角度无关。数，而与角度无关。事实上实际物体不是漫放射体，即辐射强度在空间各事实上实际物体不是漫放射体，即辐射强度在空间各个方向的分布不遵循兰贝特定律，是方向角的函数。个方向的分布不遵循兰贝特定律，是方向角的函数。对于非金属表面在很大范围对于非金属表面在很大范围内方向黑度为一个常数值，内方向黑度为一个常数值，表现出等强辐射的特征，而表现出等强辐射的特征，而在在60之后方向黑度急剧减小之后方向黑度急剧减小 38对于金属表面在一个小的对于金属表面在一个小的角范围内亦有等强辐角范围内亦有等强辐射的特征，方向黑度可视为不变，然后随着射的特征，方向黑度可视为不变，然后随着角角增大而急剧增大，直到增大而急剧增大，直到接近接近90才有减小。才有减小。39例例7-3：试试计计算算温温度度处处于于1400的的碳碳化化硅硅涂涂料料表表面的辐射力。面的辐射力。解：解：由表查得对由表查得对10101400，碳化硅，碳化硅 n=0.820.92，故可取对应，故可取对应1400的的 n为为0.92，即即 =n=0.92，辐射力为：，辐射力为：40 实际物体放射率数值大小取决于材料的种类、温度和表面实际物体放射率数值大小取决于材料的种类、温度和表面状况，通常由试验测定。对绝大多数实际工程材料来说，可以状况，通常由试验测定。对绝大多数实际工程材料来说，可以近似地认为半球总放射率等于法向总放射率，即近似地认为半球总放射率等于法向总放射率，即 n n金属表面金属表面M M取取1-1.31-1.3，非导体，非导体M M取取0.95-1.00.95-1.0。除了高度磨。除了高度磨光的表面外，工程计算中一光的表面外，工程计算中一般取般取M=1M=1，一般工程手册上，一般工程手册上给出的物体放射率常为法向给出的物体放射率常为法向放射率，将物体表面间的辐放射率，将物体表面间的辐射传热看作漫射体。射传热看作漫射体。41实际物体的放射率具有以下特点：实际物体的放射率具有以下特点：（1 1）金属表面放射率偏小，且随波长的增大而减小）金属表面放射率偏小，且随波长的增大而减小,一般随温度上升而增大；一般随温度上升而增大；（2 2）非金属表面放射率较高，且随着波长的增大而）非金属表面放射率较高，且随着波长的增大而增大，一般还随温度上升而减小；增大，一般还随温度上升而减小；（3 3）法向放射率随温度的变更规律与光谱法向放射）法向放射率随温度的变更规律与光谱法向放射率随波长的变更规律有关，因为温度越高，短波辐率随波长的变更规律有关，因为温度越高，短波辐射的比例越大。射的比例越大。（4 4）材料的表面状况（粗糙度、氧化程度等）是影）材料的表面状况（粗糙度、氧化程度等）是影响放射率大小的重要因素。响放射率大小的重要因素。4243447.4 7.4 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实际物体表面对热辐射的吸取是针对投入辐射实际物体表面对热辐射的吸取是针对投入辐射而言的。而言的。实际物体对入射辐射吸取的百分数称之为该物实际物体对入射辐射吸取的百分数称之为该物体的吸取比。体的吸取比。物体表面的吸取特性就不仅仅与物体的物质结物体表面的吸取特性就不仅仅与物体的物质结构、表面特征以及温度状况有关，而且还与投构、表面特征以及温度状况有关，而且还与投入辐射的辐射能随波长和温度的变更亲密相关。入辐射的辐射能随波长和温度的变更亲密相关。（1 1）实际物体的吸取比）实际物体的吸取比45辐射源温度对吸取比的影响是因为实际物体的辐射源温度对吸取比的影响是因为实际物体的单色吸取比不等于常数的缘由。单色吸取比不等于常数的缘由。假定投入辐射来自黑体表面假定投入辐射来自黑体表面2，那么吸取表面，那么吸取表面1对其的吸取比可以定义为：对其的吸取比可以定义为：为物体表面对黑体辐射的单色吸取比为物体表面对黑体辐射的单色吸取比（光谱吸取比）（光谱吸取比）下面给出了试验得出的一些材料对黑体辐射的下面给出了试验得出的一些材料对黑体辐射的单色吸取比随黑体温度的变更关系。单色吸取比随黑体温度的变更关系。4647物体表面的单色吸收率随波长变化的特性称为物体表面的单色吸收率随波长变化的特性称为物体表物体表面对波长（光谱）的选择性面对波长（光谱）的选择性。暖房暖房：当太阳光照射到玻：当太阳光照射到玻璃上时，玻璃对波长小于璃上时，玻璃对波长小于3 3 m m的辐射能吸收比很小，的辐射能吸收比很小，从而使大部分太阳能可以从而使大部分太阳能可以进入到暖房内。暖房中的进入到暖房内。暖房中的物体温度低，辐射能绝大物体温度低，辐射能绝大部分位于红外区，而玻璃部分位于红外区，而玻璃对于波长大于对于波长大于3 3 m m的辐射的辐射能吸收比很大，阻止了辐能吸收比很大，阻止了辐射能向暖房外的散失。射能向暖房外的散失。48墨墨镜镜：焊焊接接工工人人工工作作时时带带一一黑黑色色眼眼镜镜是是为为了了让让对对人人体有害的紫外线能被特种玻璃所吸取。体有害的紫外线能被特种玻璃所吸取。五彩缤纷的世界：五彩缤纷的世界：当当阳阳光光照照射射到到一一个个物物体体表表面面时时，假假如如该该物物体体几几乎乎全全部吸取各种可见光，它就是黑色；部吸取各种可见光，它就是黑色；假如几乎全部反射可见光，它就是白色；假如几乎全部反射可见光，它就是白色；假假如如几几乎乎匀匀整整吸吸取取各各色色可可见见光光并并匀匀整整地地反反射射各各色色可可见光，它就是灰色；见光，它就是灰色；假假如如只只反反射射了了一一种种波波长长的的可可见见光光而而几几乎乎全全部部吸吸取取了了其其它它可可见见光光，则则它它就就呈呈现现被被反反射射的的这这种种辐辐射射线线的的颜颜色。色。49假如投入辐射不是来自黑体，则必需探讨物体假如投入辐射不是来自黑体，则必需探讨物体表面单色吸取率随投入辐射波长变更的规律。表面单色吸取率随投入辐射波长变更的规律。假如物体表面的单色吸取比为常数假如物体表面的单色吸取比为常数 那么它的吸取比也就为常数那么它的吸取比也就为常数。把灰体定义为单色吸取比为常数的物体。把灰体定义为单色吸取比为常数的物体。灰体也是一种志向的辐射表面，实际表面在确灰体也是一种志向的辐射表面，实际表面在确定条件下可以认为其具有灰体的特性。定条件下可以认为其具有灰体的特性。50灰体是从物体表面对投入辐射的吸收特性上去灰体是从物体表面对投入辐射的吸收特性上去定义的，如果再在其发射特性上给予等强辐射定义的，如果再在其发射特性上给予等强辐射的假设，即认为是漫射表面，也就是漫射灰表的假设，即认为是漫射表面，也就是漫射灰表面，简称面，简称漫灰表面漫灰表面。漫射灰表面的方向发射率和方向吸收比与方向漫射灰表面的方向发射率和方向吸收比与方向无关，单色发射率和单色吸收比与波长无关，无关，单色发射率和单色吸收比与波长无关，所以它对于来自任何方向和任何波长的入射辐所以它对于来自任何方向和任何波长的入射辐射的吸收比均为常数，同时其发射的辐射也等射的吸收比均为常数，同时其发射的辐射也等于对任何方向和任何波长的黑体辐射的一个固于对任何方向和任何波长的黑体辐射的一个固定份额。定份额。51（2 2）实际物体辐射与吸取之间的关系）实际物体辐射与吸取之间的关系T T1 1T2EEb Eb(1-)Eb实际物体的辐射和吸取之间有联系，实际物体的辐射和吸取之间有联系，这就是基尔霍夫定律。这就是基尔霍夫定律。假定两块平行平板距离很近，从一块假定两块平行平板距离很近，从一块板发出的辐射能全部落到另一块板上。板发出的辐射能全部落到另一块板上。若板若板1为黑体表面，板为黑体表面，板2为随意物体的为随意物体的表面。表面。两者的辐射力、吸取比和表面温度分别两者的辐射力、吸取比和表面温度分别为为Eb、b(=1)、T1、E、和和T2。52板板2发出的辐射能发出的辐射能E全部被板全部被板1吸收，而板吸收，而板1发发出的辐射能出的辐射能Eb只被板只被板2吸收吸收 Eb，对板，对板2能量收能量收支为：支为：当体系处于热平衡时当体系处于热平衡时T1=T2，q=0,所以有所以有或或T1T2EEb Eb(1-)Eb53基尔霍夫定律的基尔霍夫定律的两种数学表达式两种数学表达式。在热平衡条件下，任何物体的辐射力和它对在热平衡条件下，任何物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收比的比值恒等于同温度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。下黑体的辐射力。热平衡时任意物体对黑体投入辐射的吸收比热平衡时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。等于同温度下该物体的发射率。或或54基基尔尔霍霍夫夫定定律律是是在在物物体体与与黑黑体体投投入入辐辐射射处处于于热热平平衡衡条件条件下得出的。下得出的。对于灰体，由于其单色吸取比不随波长变更，所以对于灰体，由于其单色吸取比不随波长变更，所以灰体的吸取比等于其放射率，与投射源的温度无关，灰体的吸取比等于其放射率，与投射源的温度无关，那么不论物体与外界是否处于热平衡状态，也不论那么不论物体与外界是否处于热平衡状态，也不论投入辐射是否来自黑体，都存在投入辐射是否来自黑体，都存在灰体无条件满足基尔霍夫定律。灰体无条件满足基尔霍夫定律。55说明说明（1）基尔霍夫定律有几种不同层次上的表达）基尔霍夫定律有几种不同层次上的表达式，归纳为下表式，归纳为下表层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件单色，定向单色，定向(,T)=(,T)无条件，无条件，为纬度角为纬度角单色，半球单色，半球(,T)=(,T)漫射表面漫射表面全波段，半球全波段，半球(T)=(T)与黑体热平衡或漫射表面与黑体热平衡或漫射表面（2）对工程计算而言，只要在所研究的波长）对工程计算而言，只要在所研究的波长范围内单色吸收率基本上与波长无关，则灰体范围内单色吸收率基本上与波长无关，则灰体假设成立。在工程常见的温度范围（假设成立。在工程常见的温度范围（2000K）内，许多工程材料都具有这一特点。内，许多工程材料都具有这一特点。56（3 3）由基尔霍夫定律，物体的辐射力越大，）由基尔霍夫定律，物体的辐射力越大，其吸收能力也就越大，换句话说，善于辐射的其吸收能力也就越大，换句话说，善于辐射的物体必善于吸收，反之亦然。所以，同温度下物体必善于吸收，反之亦然。所以，同温度下黑体的辐射力最大。黑体的辐射力最大。（4 4）当研究物体表面对太阳能的吸收时，一）当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体作为灰体，即不能把物体在常温般不能把物体作为灰体，即不能把物体在常温下的发射率作为对太阳能的吸收比。下的发射率作为对太阳能的吸收比。577.5 7.5 太阳与环境辐射太阳与环境辐射 太阳是一个巨大的热辐射体。太阳直径约太阳是一个巨大的热辐射体。太阳直径约1.392106kmkm（球（球体辐射源），离地球的平均距离约体辐射源），离地球的平均距离约1.4961.496108km，到达地球的太，到达地球的太阳射线近似于平行。阳射线近似于平行。太阳能是一种无污染的清洁能源。太阳发出的能量大约只太阳能是一种无污染的清洁能源。太阳发出的能量大约只有二十二亿分之一到达地球，但平均每分钟照射到地球上的能有二十二亿分之一到达地球，但平均每分钟照射到地球上的能量远远高于全球能源的总消费量。量远远高于全球能源的总消费量。与一般工程技术问题中所遇到的热辐射相比，太阳辐射有与一般工程技术问题中所遇到的热辐射相比，太阳辐射有它自身的特点。它自身的特点。58 太阳常数太阳常数：大气层外缘与太阳射线垂直：大气层外缘与太阳射线垂直的单位面积上接收到的太阳辐射能：的单位面积上接收到的太阳辐射能：S S c c =13706 W/m=13706 W/m2 2 由太阳常数，可算得太阳辐射相当于表由太阳常数，可算得太阳辐射相当于表面温度为面温度为5762K5762K的黑体辐射，的黑体辐射，max max=0.5 m=0.5 m 地球大气层外缘水平面上单位面积接受地球大气层外缘水平面上单位面积接受到的到的太阳辐射能：太阳辐射能：G G s s，o o =S S c c f f cos cos 修正修正系数系数f f 依据上述太阳常数近似来估算，照射到地球上的太阳能约依据上述太阳常数近似来估算，照射到地球上的太阳能约为为1.761017W1.761017W，这相当于每秒钟燃烧，这相当于每秒钟燃烧600600万吨煤发出的热量！万吨煤发出的热量！59 紫外线约占紫外线约占8.7%8.7%；可见光；可见光约占约占44.6%44.6%；红外线；红外线约占约占45.4%45.4%。=0.2-3.0m=0.2-3.0m 波长范围约占波长范围约占98%98%。经过大气层的吸取、散射经过大气层的吸取、散射和反射之后，夏季志向的大气和反射之后，夏季志向的大气透亮度条件下，中午前后到达透亮度条件下，中午前后到达地面的太阳辐射约为地面的太阳辐射约为1000W/m21000W/m2。60 太阳辐射在穿过大气层时受到大气层的两种减弱作用：一太阳辐射在穿过大气层时受到大气层的两种减弱作用：一是包含在大气层中的具有部分吸取实力的气体的吸取，如臭氧、是包含在大气层中的具有部分吸取实力的气体的吸取，如臭氧、二氧化碳、水蒸气等；二是散射作用。二氧化碳、水蒸气等；二是散射作用。散射是对太阳投入辐散射是对太阳投入辐射的重新辐射，分为分射的重新辐射，分为分子散射和米散射。子散射和米散射。分子散射向整个空间分子散射向整个空间匀整地进行；米散射由匀整地进行；米散射由于大气层中的尘埃与悬于大气层中的尘埃与悬浮微粒所造成，使辐射浮微粒所造成，使辐射能基本沿着投入的方向能基本沿着投入的方向接着向前传递。接着向前传递。61第七章第七章 小结小结重点驾驭以下内容：重点驾驭以下内容：（1 1）有关热辐射的基本概念：吸取比、反射比、）有关热辐射的基本概念：吸取比、反射比、透射比、黑体、灰体、漫射体、人工黑体、辐射强透射比、黑体、灰体、漫射体、人工黑体、辐射强度、辐射力、放射率（黑度）、温室效应、选择性度、辐射力、放射率（黑度）、温室效应、选择性表面等；表面等；（2 2）热辐射的基本定律：普朗克定律、斯忒藩）热辐射的基本定律：普朗克定律、斯忒藩玻耳兹曼定律、维恩位移定律、兰贝特定律、基玻耳兹曼定律、维恩位移定律、兰贝特定律、基尔霍夫定律。尔霍夫定律。