热辐射基本定律和辐射特性分析.pptx
会计学 1热辐射基本定律和辐射特性分析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。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。热辐射是由于物质的电磁运动所引起的能量的传递。（1）热辐射的定义和特点第1 页/共61 页3 辐射是电磁波传递能量的现象。电磁辐射的波长范围很广，从长达数百米的无线电波到小于10-14米的宇宙射线。由于热的原因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可见光X 射线 射线紫外线红外线无线电波热辐射0第2 页/共61 页4 在工业上所遇到的温度范围内（2000K以下），最感兴趣的是波长约从0.38m到0.76m的可见光和波长从可见光谱的红端之外延伸到1000m的红外线。有时以波长25m为界，又将红外线区分为近红外区和远红外区。10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105/m可见光X 射线 射线紫外线红外线无线电波热辐射0第3 页/共61 页5 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0.1m至100m之间,包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段。辐射换热：以热辐射的方式进行的热量交换。第4 页/共61 页6 只要物体的温度高于0K，物体总是不断地把热能变化辐射能，向外发出热辐射。同时，物体也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收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收的总效果。一个物体如果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。热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播。第5 页/共61 页7辐射换热的主要影响因素：（1）物体本身的温度、表面辐射特性；（2）物体的大小、几何形状及相对位置。第6 页/共61 页8（2）物体表面对电磁波的作用 当热辐射的能量投射到物体表面上时，会发生吸收、反射和穿透现象。若外界投射到物体表面上的总能量为Q，一部分Q被物体吸收，一部分Q被物体反射，一部分Q穿透物体。按能量守恒定律有：QQQ Q 第7 页/共61 页9 各部分百分数Q/Q、Q/Q、Q/Q 分别称为该物体对投入辐射的吸收比、反射比和透射比，记为、和。于是 实际上，当辐射能进入固体或液体表面后，在一个极短的距离内就吸收完了。故对于固体和液体有 因而对固体和液体，吸收能力大的物体其反射本领就小。第8 页/共61 页10 由于热射线不能穿过固体和液体，于是可以把它们的吸收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。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，可认为反射比，=0，故有 气体对热射线的吸收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射。第9 页/共61 页1 1注意：（1）、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。,不仅取决于物体的性质，还与投射辐射能的波长分布有关。（2）固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上属于表面效应。金属：表面层厚度小于1m；绝大多数非金属：表面层厚度小于1mm。（3）对于固体和液体，=0,+=1。第10 页/共61 页12 由于不同物体的吸收比、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，我们定义了一些理想物体。对于透射比=1的物体称为透明体。反射比=1物体称为白体（具有漫反射的表面）或镜体（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于辐射波长的表面粗糙程度。第1 1 页/共61 页13 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。高度磨光的金属板会形成镜面反射。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方向反射出去。121=2第12 页/共61 页14 吸收比=1的物体，称为绝对黑体，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十分接近于黑体的模型。选用吸收比小于1的材料制造一个空腔，并在空腔壁面上开一个小孔，再设法使空腔壁面保持均匀的温度。这时空腔上的小孔就具有黑体辐射的特性。第13 页/共61 页15 若小孔占内壁面积小于0.6%，当内壁吸收比为0.6时，小孔的吸收比可大于0.996。黑体将所有投射在它上面的一切波长和所有方向上的辐射能全部吸收，在所有物体之中，它吸收热辐射的能力最强。第14 页/共61 页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）辐射力 总辐射力 辐射力也称全色辐射力，其定义为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。式中：E为辐射力，其单位为W/m2；dQ为微元面积dA向半球空间辐射出去的总辐射能。第15 页/共61 页17 单色辐射力（光谱辐射力）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的分布特征。E为物体表面的单色辐射力；dQ为微元面积dA向半球空间辐射出去的某一波长的辐射能；为热射线的波长，单位为m。辐射力和单色辐射力之间的关系:第16 页/共61 页18 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所有波长的辐射能量。d为微元立体角方向辐射力与辐射力之间的关系：第17 页/共61 页19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c所示，其定义为：df为空间中的微元面积，r为该面积与发射点之间的距离。dAdA dAdfrddQdQ（a）微元表面总辐射（b）微元表面单色辐射（c）微元表面方向辐射第18 页/共61 页20第19 页/共61 页21在球坐标系中，如图所示，按几何关系有其单位为W/(m2Sr)，Sr为球面度,是立体角的单位。dddfn球坐标系中的立体角r由于半球面积为2r2,故半球面对球心所张开的立体角=2Sr。第20 页/共61 页22 辐射强度 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。dAcosdAnd辐射强度的定义图定义辐射强度，用以表示单位时间在某一辐射方向上的单位可见辐射面积向该方向单位立体角内辐射的所有波长的辐射能。第21 页/共61 页23dAcosdAnd辐射强度的定义图单位为W/(m2Sr)，式中 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积。辐射强度与方向辐射力的关系:与辐射力之间的关系:第22 页/共61 页24（2）黑体辐射基本定律 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布规律，给出了黑体的单色辐射力与热力学温度T、波长之间的函数关系，由量子理论得到的数学表达式为：c1为第一辐射常数，c1=3.742 10-16Wm2；c2为第二辐射常数，c2=1.4388 10-2mK第23 页/共61 页25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。在同一波长下黑体温度越高，对应的单色辐射力越大。T1T2T1T2 dE第24 页/共61 页26Eb0T1T2T3T5黑体单色辐射力随波长和温度变化T 4随着温度的升高黑体辐射能的分布在向波长短的方向集中，也就是高温辐射中短波热射线含量大而长波热射线含量相对少。维恩位移定律 第25 页/共61 页27Eb 最大处的波长 m也随温度不同而变化。令 可见 m与T成反比，T越高，则 m越小，这一规律为维恩（Wien）位移定律，历史上先发现的是维恩位移定律。第26 页/共61 页28例7-1：试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长m。解：按 计算：当T=2000K时，当T=5800K时，可见工业上一般高温辐射（2000K内），黑体最大光谱辐射力的波长位于红外线区段，而太阳辐射（5800K）对应的最大光谱辐射的波长则位于可见光区段。第27 页/共61 页29 斯忒藩波尔兹曼定律 在黑体辐射的研究中，斯忒藩（Stefan）于1879年由实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（Boltzmann）于1884年从热力学关系式导出。Eb为黑体的辐射力（W/m2）；T为黑体的绝对温度（K）；0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（5.67 W/(m2K4)）第28 页/共61 页30例7-2：一黑体置于室温为27的厂房中，试求在热平衡条件下黑体表面的辐射力。如果将黑体加热到327，它的辐射力又是多少？解：在热平衡条件下，黑体温度与室温相同，辐射力为：327黑体的辐射力为第29 页/共61 页31 兰贝特定律（Lambert）（余弦定律）黑体辐射的辐射强度与方向无关，即 因为 故对于服从兰贝特定律的辐射有：即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的能量的数值不相等，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。第30 页/共61 页32因此，对遵守兰贝特定律的辐射，辐射力在数值上等于辐射强度的倍。第31 页/共61 页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.实际物体的辐射力实际物体表面的热辐射性能均弱于黑体表面。实际物体的光谱辐射力往往随波长作不规则的变化。黑体E实际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随波长变化的曲线。第32 页/共61 页34 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（发射率）。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物体的温度相关，而与物体外部的情况无关。总发射率第33 页/共61 页35实际表面的单色辐射力与同温度下黑体表面的单色辐射力之比 单色发射率（光谱发射率）发射率与单色发射率之间的关系为 第34 页/共61 页36 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 方向发射率(定向发射率）如果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。第35 页/共61 页37如果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。事实上实际物体不是漫发射体，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。对于非金属表面在很大范围内方向黑度为一个常数值，表现出等强辐射的特征，而在60之后方向黑度急剧减小 第36 页/共61 页38对于金属表面在一个小的角范围内亦有等强辐射的特征，方向黑度可视为不变，然后随着角增大而急剧增大，直到接近90才有减小。第37 页/共61 页39例7-3：试计算温度处于1400的碳化硅涂料表面的辐射力。解：由表查得对10101400，碳化硅n=0.820.92，故可取对应1400的n为0.92，即=n=0.92，辐射力为：第38 页/共61 页40 实际物体发射率数值大小取决于材料的种类、温度和表面状况，通常由实验测定。对绝大多数实际工程材料来说，可以近似地认为半球总发射率等于法向总发射率，即 n金属表面M取1-1.3，非导体M取0.95-1.0。除了高度磨光的表面外，工程计算中一般取M=1，一般工程手册上给出的物体发射率常为法向发射率，将物体表面间的辐射传热看作漫射体。第39 页/共61 页41实际物体的发射率具有以下特点：（1）金属表面发射率偏小，且随波长的增大而减小,一般随温度升高而增大；（2）非金属表面发射率较高，且随着波长的增大而增大，一般还随温度升高而减小；（3）法向发射率随温度的变化规律与光谱法向发射率随波长的变化规律有关，因为温度越高，短波辐射的比例越大。（4）材料的表面状况（粗糙度、氧化程度等）是影响发射率大小的重要因素。第40 页/共61 页42第41 页/共61 页43第42 页/共61 页447.4 7.4 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实际物体表面对热辐射的吸收是针对投入辐射而言的。实际物体对入射辐射吸收的百分数称之为该物体的吸收比。物体表面的吸收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，而且还与投入辐射的辐射能随波长和温度的变化密切相关。（1）实际物体的吸收比第43 页/共61 页45辐射源温度对吸收比的影响是因为实际物体的单色吸收比不等于常数的缘故。假定投入辐射来自黑体表面2，那么吸收表面1对其的吸收比可以定义为：为物体表面对黑体辐射的单色吸收比（光谱吸收比）下面给出了实验得出的一些材料对黑体辐射的单色吸收比随黑体温度的变化关系。第44 页/共61 页46第45 页/共61 页47物体表面的单色吸收率随波长变化的特性称为物体表面对波长（光谱）的选择性。暖房：当太阳光照射到玻璃上时，玻璃对波长小于3m的辐射能吸收比很小，从而使大部分太阳能可以进入到暖房内。暖房中的物体温度低，辐射能绝大部分位于红外区，而玻璃对于波长大于3m的辐射能吸收比很大，阻止了辐射能向暖房外的散失。第46 页/共61 页48墨镜：焊接工人工作时带一黑色眼镜是为了让对人体有害的紫外线能被特种玻璃所吸收。五颜六色的世界：当阳光照射到一个物体表面时，如果该物体几乎全部吸收各种可见光，它就是黑色；如果几乎全部反射可见光，它就是白色；如果几乎均匀吸收各色可见光并均匀地反射各色可见光，它就是灰色；如果只反射了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。第47 页/共61 页49如果投入辐射不是来自黑体，则必须研究物体表面单色吸收率随投入辐射波长变化的规律。如果物体表面的单色吸收比为常数 那么它的吸收比也就为常数。把灰体定义为单色吸收比为常数的物体。灰体也是一种理想的辐射表面，实际表面在一定条件下可以认为其具有灰体的特性。第48 页/共61 页50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的假设，即认为是漫射表面，也就是漫射灰表面，简称漫灰表面。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，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于对任何方向和任何波长的黑体辐射的一个固定份额。第49 页/共61 页51（2）实际物体辐射与吸收之间的关系T1T2EEbEb(1-)Eb实际物体的辐射和吸收之间有联系，这就是基尔霍夫定律。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。若板1为黑体表面，板2为任意物体的表面。两者的辐射力、吸收比和表面温度分别为Eb、b(=1)、T1、E、和T2。第50 页/共61 页52板2发出的辐射能E全部被板1吸收，而板1发出的辐射能Eb只被板2吸收Eb，对板2能量收支为：当体系处于热平衡时T1=T2，q=0,所以有或T1T2EEbEb(1-)Eb第51 页/共61 页53基尔霍夫定律的两种数学表达式。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。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。或第52 页/共61 页54基尔霍夫定律是在物体与黑体投入辐射处于热平衡条件下得出的。对于灰体，由于其单色吸收比不随波长变化，所以灰体的吸收比等于其发射率，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。第53 页/共61 页55说明（1）基尔霍夫定律有几种不同层次上的表达式，归纳为下表层 次 数学表达式 成立条件单色，定向(,T)=(,T)无条件，为纬度角单色，半球(,T)=(,T)漫射表面全波段，半球(T)=(T)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（2000K）内，许多工程材料都具有这一特点。第54 页/共61 页56（3）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。（4）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下的发射率作为对太阳能的吸收比。第55 页/共61 页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1.392106km（球体辐射源），离地球的平均距离约1.496108km，到达地球的太阳射线近似于平行。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。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。第56 页/共61 页58 太阳常数：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：S c=13706 W/m2 由太阳常数，可算得太阳辐射相当于表面温度为5762K的黑体辐射，max=0.5 m 地球大气层外缘水平面上单位面积接受到的太阳辐射能：G s，o=S c f cos 修正系数f=0.97-1.03 按照上述太阳常数近似来估算，照射到地球上的太阳能约为1.761017W，这相当于每秒钟燃烧600万吨煤发出的热量！第57 页/共61 页59 紫外线约占8.7%；可见光约占44.6%；红外线约占45.4%。=0.2-3.0m 波长范围约占98%。经过大气层的吸收、散射和反射之后，夏季理想的大气透明度条件下，中午前后到达地面的太阳辐射约为1000W/m2。第58 页/共61 页60 太阳辐射在穿过大气层时受到大气层的两种削弱作用：一是包含在大气层中的具有部分吸收能力的气体的吸收，如臭氧、二氧化碳、水蒸气等；二是散射作用。散射是对太阳投入辐射的重新辐射，分为分子散射和米散射。分子散射向整个空间均匀地进行；米散射由于大气层中的尘埃与悬浮微粒所造成，使辐射能基本沿着投入的方向继续向前传递。第59 页/共61 页61第七章 小结重点掌握以下内容：（1）有关热辐射的基本概念：吸收比、反射比、透射比、黑体、灰体、漫射体、人工黑体、辐射强度、辐射力、发射率（黑度）、温室效应、选择性表面等；（2）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、基尔霍夫定律。第60 页/共61 页
