热辐射基本定律及物体的辐射特性.pptx

1（2）热辐射具有一般辐射现象的共性 速度 c=f (8-1)式中：c电磁波的传播速度，在真空中c=3108m/s,f频率，1/s，波长，m。1m=10-6m。辐射能 是电磁波或光子所运载的能量。每个光子的能量为：er=hf 式中：h普郎特常数，h=6.62410-34.辐射能落在另一物体上吸收时会发生以下现象：转变为内能热效应。引起化学反应光合作用 迫使金属发射电子光电效应。（3）电磁辐射波谱 见图8-1第1页/共44页2电 磁 辐 射 波 谱图7-1 在工业的温度范围内（2000k）,有实际意义的热辐射波长位于0.38100m之间。且大多数能量位于红外线区段的（0.7620m）范围内，可见光区段（0.380.76m）热辐射能量的比重不大。对于太阳辐射（5800k），主要能量集中在0.22m的波长范围内。可见光区段占有很大的比重。第2页/共44页3如果把太阳辐射包括在内，热辐射的波长区段可放宽为0.1100m。红外线又有远红外线和近红外线之分（波长在25m以上的红外线称为远红外线）。远红外线加热技术就是利用远红外辐射元件发射出的以远红外线为主的电磁波对物料进行加热。微波炉就是利用远红外线来加热物体的。远红外线可以穿过塑料、玻璃及陶瓷制品，但却会被像水那样具有极性分子的物体吸收，在物体内部产生内热源，从而使物体比较均匀地得到加热。各类食品中的主要成分是水，因而远红外线加热是比较理想的加热手段。2物体的吸收比、反射比及穿透比 当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，会发生吸收、反射和穿透现象。见图7-2，物体对热辐射的吸收、反射和穿透。第3页/共44页4图7.2物体对热辐射的吸收反射和穿透式中：各能量的百分数分别称为该物体对投入辐射的吸收比、反射比和穿透比，记为、。（1）对固体或液体表面，投射到其上的辐射能在一个极短的距离内就被吸收完了。金属导体只有1m，大多数非导电材料为1mm。则=0。于是，对于固体和液体，+=1 既善于吸收就不善于反射。第4页/共44页5图7-3 镜反射图7-4 漫反射辐射能投射到物体表面后的反射现象和可见光一样，有镜面反射和漫反射的区分。这取决于表面不平整尺寸的大小，即表面的粗糙度。当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角等于反射角。（例如高度磨光的金属板见图7-3）。当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时，形成漫反射，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。一般工程材料的表面都形成漫反射。见图7-4。第5页/共44页6 辐射能投射到气体上时，情况与投射到固体或液体上不同。气体对辐射能几乎没有反射能力，=0，从而 +=1 即吸收性大的气体，其穿透比就差。由上所述，对于固体和液体呈现的吸收和反射特性不涉及物体的内部。因此物体表面状况对辐射特性的影响至关重要。而对于气体，辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状况则无关紧要。（2）特殊情况=1的物体叫做绝对黑体。=1的物体叫做绝对白体。=1的物体叫做绝对透明体。显然黑体、白体和透明体都是假定的理想物体。3黑体模型及黑体在热辐射分析中的特殊性第6页/共44页7（1）黑体模型 黑体的吸收比=1，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，但可以用人工的方法制造，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1。若小孔面积/孔腔面积小于0.6，内壁吸收率为0.6时，小孔的吸收比可大于0.996。所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。图7-5 黑体模型 在这样的等温空腔内部，辐射是均匀而且各向同性的，空腔内表面上的辐射就是同温下的黑体辐射。第7页/共44页8（2）黑体在热辐射分析中的特殊重要性在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大。在研究了黑体辐射的基础上，我们处理其他物体辐射的思路是：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，然后确定必要的修正系数。第8页/共44页98-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的三个基本定律分别对黑体辐射的总能量及其按波长的分布、按空间方向的分布作了规定。1辐射力及单色辐射力的定义为了表示物体向外界发射辐射能的数量，引入辐射力与单色辐射力：（1）辐射力E：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全部波长的辐射能的总量。w/m2。辐射力从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。（2）单色辐射力E：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。见图7-6。对特定波长来说：从到+d区间发射出的能量为dE。则第9页/共44页10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的辐射能。称为单色辐射力。w/m3。单色辐射力与辐射力之间的关系：2.黑体辐射的三个基本定律及相关性质可以归结为三个定律普朗可定律、斯蒂芬玻尔兹曼定律、兰贝特定律。(1)普朗可定律 普朗可定律揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律，或者说它给出了黑体单色辐射力与波长和温度的依变关系。普朗可根据量子理论得到以下关系式：第10页/共44页11 式中，波长，m；T 黑体温度，K；c1 第一辐射常数，3.74210-16 Wm2；c2 第二辐射常数，1.438810-2 WK；图7-6 Planck 定律的图示图7-6给出了按普朗可定律描绘出的不同温度下黑体的单色辐射力随波长的变化情况。由图可知，单色辐射力随着波长的增加，先是增大，然后又减小。第11页/共44页12 最大单色辐射力所对应的波长m亦随温度不同而变化。随着温度的增高，曲线的峰值向左移动，即移向较短的波长。最大单色辐射力所对应的波长m与温度T之间存在着如下的关系：此式称为维恩位移定律。可以通过普朗可定律对波长求导等于零而导出。例题7-1可以看出：在工业上的一般高温范围内（2000 k），m在红外线区段。而太阳辐射（5800k）的m则位于可见光区段。实际物体的单色辐射力按波长分布的规律与普朗可定律不同，但定性上是一致的。（例如加热金属）。由图7-6还可以看出随着温度T的增加，可见光部分增加。第12页/共44页13(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：在热辐射分析计算中，确定黑体的辐射力至关重要。由普朗可定律知：式中，=5.6710-8 w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。为了计算高温辐射的方便，通常把式（7-9）改写成如下形式：式中：C0黑体辐射系数，5.67w/(m2.k4)。黑体辐射函数:第13页/共44页14在许多实际问题中，往往需要确定某一特定波长区段内的辐射能量。黑体在1,2区段所发出的辐射能为（见图7-7）通常把这一波段的辐射能表示成同温下黑体辐射力（0-）的百分数，记为Fb(1-2)。于是式中：Fb(0-2)、Fb(0-1)分别为波长从0至2和0至1的黑体辐射占同温下黑体辐射力的百分数。能量份额Fb(0-)可以表示为单一变量T的函数，即第14页/共44页15f(T)称为黑体辐射函数。为计算方便，黑体辐射函数f(T)已制成表格（见表7-1）供计算辐射能量份额时查用。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：（3）兰贝特定律 辐射力（定义）没有指明在半球空间不同方向上的能量分布。为了说明辐射能量在空间不同方向上的分布规律，引入定向辐射强度的概念第15页/共44页16（1）定向辐射强度 先引入立体角的概念（见图7-8）平面角：=s/r rad（弧度）式中：弧长s、半径r。立体角：=Ac/r2 式中：Ac 半球体表面被立体角切割的面积，r球体的半径。对半球，面积为2r2,立体角为2 sr(球面度)。微元立体角：d=dAC/r2 式中：dAC半球体表面被微元立体角切割的面积，dAC=rd.rsind d=sindd 式中：纬度角，经度角。第16页/共44页17图7-8 立体角定义图第17页/共44页18图7-9 计算微元立体角的几何关系第18页/共44页19定向辐射强度的概念 任意微元表面在空间指定方向上发射出的辐射能量的强弱，首先必须在相同的立体角的基础上比较才有意义。但还不够，因为在不同方向上所能看到的辐射面积是不一样的。见图（7-10）。微元辐射面dA在任意方向p 看到的辐射面积不是dA，而是dAcos。所以，不同方向上辐射能量的强弱，还要在相同的可见辐射面积的基础上才能作出合理的比较。图7-10 定向辐射强度 的定义图第19页/共44页20 我们把单位时间内、单位可见辐射面积在给定方向上单位立体角内发射的全波长辐射量称为定向辐射强度，记为L。与辐射面法向成角方向上的定向辐射强度L()为定向辐射强度的单位是w/(m2.sr)。（2）兰贝特定律 黑体的定向辐射强度有什么规律呢？理论上可以证明，黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。即在半球空间的各个方向上的定向辐射强度相等：L()=L=常量 （7-17）定向辐射强度与方向无关的规律称为兰贝特定律。黑体是符合兰贝特定律的。对于服从兰贝特定律的辐射，按式（7-16）（7-17）有第20页/共44页21上式表明，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线方向夹角的余弦，所以兰贝特定律又称余弦定律。余弦定律表明，黑体的辐射能在空间不同方向的分布是不均匀的：法线方向最大，切线方向为零。对于服从兰贝特定律的辐射，其定向辐射强度L与辐射力E之间有如下关系：E=L （7-19）既辐射力等于定向辐射强度的倍。综上所述：黑体的辐射力斯蒂芬玻尔兹曼定律 黑体能量按波长的分布普朗可定律 黑体能量按空间的分布兰贝特定律 单色辐射力的峰值维恩位移定律第21页/共44页22 8-3 实际固体和液体的辐射特性 把实际物体的辐射特性与黑体相比较，从辐射总能量到总能量按波长及方向的分布，分别引出黑度、单色黑度及定向黑度的概念。1 概念（1）单色发射率 实际物体的单色辐射力往往随波长作不规则的变化，见图7-11。我们把实际物体的单色辐射力与同温下黑体的单色辐射力的比值称为单色发射率。（2）发射率 我们把实际物体的辐射力与同温下黑体辐射力的比值称为发射率。第22页/共44页23图7-11 实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱已知黑度，实际物体的辐射力可应用四次方定律确定：实验发现，实际物体的辐射力并不严格地同T的四次方成正比，但工程中仍按与T的四次方成正比计算，因此，发射率还与温度有依变关系。（3）定向发射率 实际物体辐射按空间方向的分布，亦不尽符合兰贝特定律，即：实际物体的定向辐射强度在不同方向上有些变化。为了说明不同方向上定向辐射强度的变化，给出定向发射率的定义：第23页/共44页24式中：L（）与辐射面法向成角方向上的定向辐射强度，L b同温下黑体的定向辐射强度。对于服从兰贝特定律的辐射，定向黑度在极坐标是个半园。图7-12、7-13给出了一些有代表性的金属导体和非导电材料定向发射率的极坐标图。对于非导电材料 从辐射面法向=0到=60的范围内，定向发射率基本不变。=6090时才有明显减少，直到=90为零。对于金属材料 从=0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=90的极小角度的范围内，定向黑度又有所减少。第24页/共44页25图7-13 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率()(t=093.3)第25页/共44页26图7-12 几种金属导体在不同方向上的定向发射率()(t=150)尽管实际物体的定向发射率有上述变化，但（）在半球空间上的平均值与法向发射率的比值基本上保持不变。（对高度磨光的金属=1.2,光滑表面的物体=0.95,粗糙表面的物体=0.98）。因此往往不考虑（）的变化细节，而近似的认为大多数工程材料也服从兰贝特定律。服从兰贝特定律的表面称为漫射表面。第26页/共44页272综述：（1）物体表面发射率取决于：物体的种类（常温下白大理石0.95，镀锌铁皮0.23）表面温度（严重氧化的铝表面在50时为0.2,在500时为0.3）表面状况（同一种金属材料高度磨光时发射率很低，而粗糙时则很大。例无光泽黄铜0.22，磨光的黄铜0.05）。所以应对金属材料的表面状况给予足够的重视。综上所述。黑度只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。对于大多数非金属材料的发射率数值很高，一般在0.850.95之间，且与表面状况的关系不大，在缺乏资料时可近似取0.90。（2）实际物体的辐射特性在定性上与黑体相似，但定量上则比较复杂，在工程计算中，发射率、单色发射率及定向发射率仅在对表面作精细计算时才用到。但无论是发射率、单色发射率及定向发射率，它们仅取决于物体本身的温度及表面状况，与外界条件无关，即它们是物性参数。第27页/共44页288-4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律本节讨论实际物体的吸收特性及吸收比与发射率的关系1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该物体的投入辐射。物体对投入辐射所吸收的百分数称为该物体的吸收比。实际物体的吸收比取决于两个方面的因素：吸收物体本身的情况（物体的种类、表面温度和表面状况）和投入辐射的特性。可见物体的吸收率比黑度更为复杂。（1）物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数称为该物体的单色吸收比。见图7-16，7-17分别示出了金属和非导电材料在室温下单色吸收比随波长的变化。尤其对白瓷砖，2m时，（）0.2.5m时，（）0.9,（）随波长的变化很大。第28页/共44页29图7-16 金属导电体的光谱吸收比同波长的关系第29页/共44页30图7-18 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系 物体的单色吸收比随波长而异的特性称为物体的吸收具有选择性。工农业生产中常常利用这种选择性的吸收来达到一定的目的。第30页/共44页31 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（玻璃对2.2m的辐射能的吸收比很小，从而使大部分太阳能可以进入暖房。但暖房中物体的温度较低，其辐射能绝大部分位于3m的红外范围内，而玻璃对3m的辐射能的吸收率很大，从而阻止了辐射能向暖房外的散失。）。世上万物呈现不同的颜色的主要原因也在于选择性的吸收与辐射。(当阳光照射到一个物体表面上时，如果该物体几乎全部吸收各种可见光，它就呈黑色。如果几乎全部反射可见光，它就呈白色。如果几乎均匀地吸收各色可见光并均匀地反射各色可见光，它就呈灰色。如果只反射一种波长的可见光而几乎全部吸收了其它可见光，则它就呈现被反射的这种辐射线的颜色。)（2）实际物体的单色吸收比对投入辐射的波长有选择性这一事实给辐射换热的计算带来很大的困难 第31页/共44页32 因为物体的吸收比除与自身表面的性质和温度（T1）有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。投入辐射按波长的能量分布又取决于发出投入辐射的物体的性质和温度（T2）。因此，物体的吸收比要根据吸收一方和发出投入辐射一方两方的性质和温度确定。设1、2分别代表所研究的物体及产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比可按定义写出如下：(分母为产生投入辐射物体的总能量，分子的后三项为在,+d的投入辐射量，分子的后四项为时的吸收量)第32页/共44页33如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为 对一定的物体，其对黑体辐射的吸收比是温度T1，T2的函数。若物体的单色吸收比(,T1)和温度T2已知，则可按式（7-23b）计算物体的吸收比。图7-18示出了一些材料对黑体辐射的吸收比。图中各材料的自身温度T1为294 k。第33页/共44页34图7-19 物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系第34页/共44页35（3）灰体的概念 物体的吸收比与投入辐射有关的这一特性给辐射换热的计算带来很大的不便。起因全在于单色吸收比对不同波长的辐射具有选择性。如果物体的单色吸收比与波长无关，即（）=常数，则不管投入辐射的分布如何，吸收比也是同一个常数。这时物体的吸收率只取决于本身的情况而与外界情况无关。在热辐射分析中，把单色吸收比与波长无关的物体称为灰体。对于灰体 =（）=常数，灰体亦是理想物体，在工程计算中在红外线范围内（绝大部分能量位于0.76-10m）把大多数工程材料当作灰体处理引起的误差不大。而这种简化处理却给辐射换热分析带来很大的方便。2实际物体的辐射和吸收之间的内在联系基尔霍夫定律（1）定律的导出 第35页/共44页36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什么样的联系，1859年，Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff 定律。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7-20所示，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。板1时黑体，板2是任意物体，参数分别为Eb,T1 以及E,T2，图7-20 平行平板间的辐射换热从内表面看，板2支出与收入的差额即为两板间辐射换热的热流密度q：q=E-Eb 当T1=T2时，处于热平衡状态。q=0。于是上式变为 第36页/共44页37把这种关系推广到任意物体时，有：式（a）也可改写为 =E/Eb=上面两式就是基尔霍夫定律的两种数学表达式。（7-25a）可表述为：在热平衡条件下，任何物体的辐射和它对来自黑体辐射的吸收比的比值，恒等于同温下黑体的辐射力。而式（7-25b）可简述为：热平衡时，任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温下该物体的发射率。（2）使用条件的简化 物体的吸收比等于发射率。这一结论是在“物体与黑体投入辐射处于热平衡”这样严格的条件下才成立的。进行工程辐射换热计算时，投入辐射既非黑体辐射，更不会处于热平衡。那么在什么前提下这两个条件可以去掉呢？第37页/共44页38 让我们来研究漫射的灰体的情形。首先，按灰体的定义其吸收率与波长无关，在一定的温度下是一个常数；其次物体的黑度是物性参数，与环境条件无关。假设在某一温度T下，一灰体与黑体处于热平衡，按基尔霍夫定律(T)=(T)。然后，考虑改变该灰体的环境，使其所受到的辐射不是来自同温下的黑体辐射，但保持其自身温度不变，此时考虑到黑度及灰体吸收率的上述性质，显然仍应有(T)=(T)。所以对漫射的灰体表面一定有=。这就是说，对于灰体，不论投入辐射是否来自黑体，也不论是否处于热平衡条件，其吸收率恒等于同温下的黑度。这个结论对辐射换热条件下吸收比的确定带来实质性的简化。其重要性是不容低估的。以后均假设辐射表面是具有漫射特性的灰体。（3）关于基尔霍夫定律及灰体的假设的几点说明基尔霍夫定律有几种不同层次上的表达式，其使用条件不同。见表（7-3）。第38页/共44页39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表7-3 Kirchhoff 定律的不同表达式注：(1)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Lambert定律的物体表面；(2)灰体：指单色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比例。第39页/共44页40实际物体对辐射能的吸收具有选择性，但在工程计算的波长范围内只要单色吸收比基本上与波长无关，则灰体的假设可以成立，而不必要求在全波段范围内()为常数。许多工程材料都具有这一特点。因此手册中只给出发射率的值而不给出吸收率的值。由于大多数情况下物体可作为灰体，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。即善于辐射的物体必善于吸收。所以，同温下黑体的辐射最大。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。即常温下的发射率不能作为吸收比。因为太阳辐射中可见光占了将近一半，而大多数物体对可见光波的吸收表现出强烈的选择性。（例如：各种颜色的油漆在常温下的黑度为0.9，但在可见光范围内，白漆的吸收比仅为0.10.2,而黑漆仍为0.9以上。）。在夏天人们喜欢穿白色或浅色的衣服的理由也是如此。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。目前开发出的涂层材料的吸收比与发射率之比可高达810倍。第40页/共44页41思考题：1.什么是黑体,灰体?实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体?2.光谱辐射力,辐射力和定向辐射强度的物理意义.它们之间有什么关系?3.物体的发射率,吸收率,反射率,穿透率是怎样定义的?发射率和反射率有何不同?4.工业上有实际意义的热辐射波长范围.近红外,远红外辐射概念.5.漫射表面的概念.6.物体的发射率取决于物体本身,而不涉及外部条件.因此,发射率可看成是物性.但是吸收率与外界条件有关.为什么对于灰体,吸收率也可看成是物性,并等于发射率?第41页/共44页427.维恩位移定律的表达式.试考虑一下它在自然科学 及工程应用中的作用.8.四个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用.第42页/共44页43作业：8-4，8-8，8-9，8-16，8-23，8-24，第43页/共44页第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性44感谢您的观看！第44页/共44页