热辐射基本定律及物体的辐射特性.优秀PPT.ppt

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1、第八章第八章 热辐射基本定律及热辐射基本定律及 物体的辐射特性物体的辐射特性 热量传递的另一种方式热量传递的另一种方式热辐射在过程的机理上与导热、对热辐射在过程的机理上与导热、对流换热是根本不同的。导热与对流换热是由于物体的宏观运动和微流换热是根本不同的。导热与对流换热是由于物体的宏观运动和微观粒子的热运动所造成的能量转移，而热辐射是由于物体的电磁运观粒子的热运动所造成的能量转移，而热辐射是由于物体的电磁运动所引起的热量的传递。因而其探讨方法与思路都与导热和对流换动所引起的热量的传递。因而其探讨方法与思路都与导热和对流换热部分的探讨有很大的区分。热部分的探讨有很大的区分。本章的主要内容本章的主

2、要内容 （1 1）从从电电磁磁辐辐射射的的观观点点来来相相识识热热辐辐射射的的本本质质及及辐辐射射能能传传递递过过程程 中的一些特性。中的一些特性。（2 2）探讨热辐射的三个基本定律。）探讨热辐射的三个基本定律。（3 3）介绍实际物体（固体与液体）的辐射特性。）介绍实际物体（固体与液体）的辐射特性。以便为下一章探讨辐射换热量的计算打下基础。以便为下一章探讨辐射换热量的计算打下基础。1第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性1 1热辐射的本质与特征热辐射的本质与特征（1 1）本本质质与与特特征征 辐辐射射是是电电磁磁波波传传递递能能量量的的现现象象。依依据据产产生生电电磁磁波波的的不不同同缘缘由由

3、可可以以得得到到不不同同频频率率的的电电磁磁波波，例例如如高高频频振振荡荡电电路路产产生生的的无无线线电电波波，此此外外还还有有可可见见光光、红红外外线线、紫紫外外线线、X X射射线线、及及射线等各种电磁波。热辐射是由于热的缘由而产生的电磁辐射。射线等各种电磁波。热辐射是由于热的缘由而产生的电磁辐射。热热辐辐射射的的电电磁磁波波是是物物体体内内部部微微观观粒粒子子的的热热运运动动状状态态变变更更时时激激发发出出来来的的。辐辐射射是是物物体体的的固固有有特特性性，只只要要物物体体的的温温度度高高于于零零度度（0k0k），物物体体总总是是不不断断的的把把热热能能转转变变为为辐辐射射能能，向向外外发

4、发出出热热辐辐射射。同同时时，物物体体亦亦不不断断地地吸吸取取四四周周物物体体投投射射到到它它上上面面的的热热辐辐射射，并并把把吸吸取取的的辐辐射射能能重重新新转转变变成成热热能能。辐辐射射换换热热就就是是物物体体之之间间相相互互辐辐射射和和吸吸取取的的总总效效果果。当当物物体体与与环环境境处处于于热热平平衡衡时时，其其辐辐射射换换热热量量为为零零，但但其其表表面面上上的热辐射仍在不停的进行。的热辐射仍在不停的进行。2第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性（2 2）热辐射具有一般辐射现象的共性）热辐射具有一般辐射现象的共性 速度速度 c=f (8-1)c=f (8-1)式中：式中：c c电磁波

5、的传播速度，在真空中电磁波的传播速度，在真空中c=310c=3108 8m/s,m/s,f f频率，频率，1/s1/s，波长，波长，mm。1m=101m=10-6-6m m。辐射能辐射能 是电磁波或光子所运载的能量。每个光子的能量为：是电磁波或光子所运载的能量。每个光子的能量为：er=hf er=hf 式中：式中：hh普郎特常数，普郎特常数，h=6.62410-34.h=6.62410-34.辐射能落在另一物体上吸取时会发生以下现象：辐射能落在另一物体上吸取时会发生以下现象：转变为内能转变为内能热效应。热效应。引起化学反应引起化学反应光合作用光合作用 迫使金属放射电子迫使金属放射电子光电效应。

6、光电效应。（3 3）电磁辐射波谱）电磁辐射波谱 见图见图8-18-13第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱图7-1 在在工工业业的的温温度度范范围围内内（2000k2000k）,有有实实际际意意义义的的热热辐辐射射波波长长位位于于0.38100m0.38100m之之 间间。且且 大大 多多 数数 能能 量量 位位 于于 红红 外外 线线 区区 段段 的的（0.7620m0.7620m）范范围围内内，可可见见光光区区段段（0.380.76m0.380.76m）热热辐辐射射能能量量的比重不大。的比重不大。对对于于太太阳阳辐辐射射（5800k5800k），主主要要

7、能能量量集集中中在在0.22m0.22m的的波波长长范范围围内。可见光区段占有很大的比重。内。可见光区段占有很大的比重。4第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性假如把太阳辐射包括在内，热辐射的波长区段可放宽为假如把太阳辐射包括在内，热辐射的波长区段可放宽为0.1100m0.1100m。红外线又有远红外线和近红外线之分（波长在红外线又有远红外线和近红外线之分（波长在25m25m以上的红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放射出的以远红外线为主的电磁波对物料进行加热。微波炉就是利放射出的以远红外线为主的电磁波对

8、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取，在物体内部产生品，但却会被像水那样具有极性分子的物体吸取，在物体内部产生内热源，从而使物体比较匀整地得到加热。各类食品中的主要成分内热源，从而使物体比较匀整地得到加热。各类食品中的主要成分是水，因而远红外线加热是比较志向的加热手段。是水，因而远红外线加热是比较志向的加热手段。2 2物体的吸取比、反射比及穿透比物体的吸取比、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，会发当热辐射的能量投射到物

9、体表面上时，和可见光一样，会发生吸取、反射和穿透现象。见图生吸取、反射和穿透现象。见图7-27-2，物体对热辐射的吸取、反射，物体对热辐射的吸取、反射和穿透。和穿透。5第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图7.27.2物体对热辐射物体对热辐射的吸取反射和穿透的吸取反射和穿透式式中中：各各能能量量的的百百分分数数分分别别称称为为该该物物体体对对投投入入辐辐射射的的吸吸取取比比、反反射射比比和和穿穿透透比比，记记为为、。（1 1）对对固固体体或或液液体体表表面面，投投射射到到其其上上的的辐辐射射能能在在一一个个极极短短的的距距离离内内就就被被吸吸取取完完了了。金金属属导导体体只只有有1m1m，

10、大大多多数数非非导导电电材材料料为为1mm1mm。则则=0=0。于是，对于固体和液体，。于是，对于固体和液体，+=1 +=1 既擅长吸取就不擅长反射。既擅长吸取就不擅长反射。6第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图7-3 镜反射镜反射图图7-4 漫反射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，有镜面反射和镜面反射和漫反射漫反射的区分。这取决于表面不平整尺寸的大小，即表面的粗糙度。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，此时当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，形成

11、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入射角等于反射角。（例如高度磨光的金属板见图7-37-3）。当表面）。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。见图料的表面都形成漫反射。见图7-47-4。7第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性 辐辐射射能能投投射射到到气气体体上上时时，状状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。气气体对辐射能几乎没有反射

12、实力，体对辐射能几乎没有反射实力，=0=0，从而，从而 +=1 +=1 即吸取性大的气体，其穿透比就差。即吸取性大的气体，其穿透比就差。由上所述，对于固体和液体呈现的吸取和反射特性不涉及物体的内由上所述，对于固体和液体呈现的吸取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，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，辐射和吸取在整个气体容积中进行，表面状况则无关紧要。辐射和吸取在整个气体容积中进行，表面状况则无关紧要。（2 2）特殊状况）特殊状况 =1=1的物体叫做确定黑体。的物体叫做确定黑体。=1=1的物体叫做确定白体。的物体叫做确定白体。=

13、1=1的物体叫做确定透亮体。的物体叫做确定透亮体。明显黑体、白体和透亮体都是假定的志向物体。明显黑体、白体和透亮体都是假定的志向物体。3 3黑体模型及黑体在热辐射分析中的特殊性黑体模型及黑体在热辐射分析中的特殊性8第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性（1 1）黑体模型）黑体模型 黑体的吸取比黑体的吸取比=1=1，意味着黑体能全部吸取各种，意味着黑体能全部吸取各种波长的辐射能。自然界中并不存在黑体，但可以用人工的方法制造，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（温度匀整）上开一个小孔，由于空腔较大，投射的辐射在空腔壁（温度匀整）上开一个小孔，由于空腔较大，投射的辐

14、射能经小孔射入孔腔后，经多次反射吸取后才会出去。反射的能量与能经小孔射入孔腔后，经多次反射吸取后才会出去。反射的能量与投入的能量相比很小，小孔面积越小，吸取比就越投入的能量相比很小，小孔面积越小，吸取比就越11。若小孔面。若小孔面积积/孔腔面积小于孔腔面积小于0.60.6，内壁吸取率为，内壁吸取率为0.60.6时，小孔的吸取比可大时，小孔的吸取比可大于于0.9960.996。所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。图图7-5 7-5 黑体模型黑体模型 在在这这样样的的等等温温空空腔腔内内部部，辐辐射射是是匀匀整整而而且且各各向向同同性

15、性的的，空空腔腔内内表表面面上的辐射就是同温下的黑体辐射。上的辐射就是同温下的黑体辐射。9第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性（2 2）黑体在热辐射分析中的特殊重要性）黑体在热辐射分析中的特殊重要性在相同温度的物体中，黑体的辐射实力最大。在探讨了黑体辐射的在相同温度的物体中，黑体的辐射实力最大。在探讨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。系数。10第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特

16、性8-2 黑体辐射的基本定律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。布、按空间方向的分布作了规定。1 1辐射力及单色辐射力的定义辐射力及单色辐射力的定义为了表示物体向外界放射辐射能的数量，引入辐射力与单色辐射力：为了表示物体向外界放射辐射能的数量，引入辐射力与单色辐射力：（1 1）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全部方向：单位时间内物体的单位表面积向半球空间全部方向放射出去的全部波长的辐射能的总量。放射出去的全部波长的辐射能的总量。w/m2w/m

17、2。辐射力从总体上表。辐射力从总体上表征物体放射辐射能本事的大小。征物体放射辐射能本事的大小。（2 2）单色辐射力）单色辐射力EE：在热辐射的整个波谱内，不同波长放射出的：在热辐射的整个波谱内，不同波长放射出的辐射能是不同的。见图辐射能是不同的。见图7-67-6。对特定波长。对特定波长来说：来说：从从到到+d+d区间放射出的能量为区间放射出的能量为dEdE。则。则11第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性单位时间内物体的单位表面积向半球空间全部方向放射出去的某一单位时间内物体的单位表面积向半球空间全部方向放射出去的某一特定波长的辐射能。称为单色辐射力。特定波长的辐射能。称为单色辐射力。w/m3

18、w/m3。单色辐射力与辐射力之间的关系：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黑体辐射的三个基本定律及相关性质可可以以归归结结为为三三个个定定律律普普朗朗可可定定律律、斯斯蒂蒂芬芬玻玻尔尔兹兹曼曼定定律律、兰兰贝特定律。贝特定律。(1)(1)普普朗朗可可定定律律 普普朗朗可可定定律律揭揭示示了了黑黑体体辐辐射射能能依依据据波波长长的的分分布布规规律律，或或者者说说它它给给出出了了黑黑体体单单色色辐辐射射力力与与波波长长和和温温度度的的依依变变关关系系。普朗可依据量子理论得到以下关系式：普朗可依据量子理论得到以下关系式：12第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性 式中

19、，式中，波长，波长，m m；T T 黑体温度，黑体温度，K K；c1 c1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.74210-16 W3.74210-16 W m2m2；c2 c2 其次辐射常数，其次辐射常数，1.438810-2 W1.438810-2 W K K；图图7-6 Planck 定律的图示定律的图示图图7-67-6给给出出了了按按普普朗朗可可定定律律描描绘绘出出的的不不同同温温度度下下黑黑体体的的单单色色辐辐射射力力随随波波长长的的变变更更状状况况。由由图图可可知知，单单色色辐辐射射力力随随着着波波长长的的增增加加，先先是是增增大大，然后又减小。然后又减小。13第八章 热辐射基本定律及

20、物体的辐射特性 最大单色辐射力所对应的波长最大单色辐射力所对应的波长mm亦随温度不同而变更。随着亦随温度不同而变更。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辐射力所对应的波长mm与温度与温度T T之间存在着如下的关系：之间存在着如下的关系：此此式式称称为为维维恩恩位位移移定定律律。可可以以通通过过普普朗朗可可定定律律对对波波长长求求导导等等于于零零而而导导出出。例例题题7-17-1可可以以看看出出：在在工工业业上上的的一一般般高高温温范范围围内内（2000 2000 k k），mm在红外线区段。而

21、太阳辐射（在红外线区段。而太阳辐射（5800k5800k）的）的mm则位于可见光区段。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，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，但定性上是一样的。但定性上是一样的。（例如加热金属）。由图（例如加热金属）。由图7-67-6还可以看出随着还可以看出随着温度温度T T的增加，可见光部分增加。的增加，可见光部分增加。14第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律(其次个定律其次个定律)：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

22、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：定律知：式中，式中，=5.6710-8 w/(m2=5.6710-8 w/(m2 K4)K4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。为了计算高温辐射的便利，通常把式（为了计算高温辐射的便利，通常把式（7-97-9）改写成如下形式：）改写成如下形式：式中：式中：C C0 0黑体辐射系数，黑体辐射系数，5.67w/(m5.67w/(m2 2.k.k4 4)。黑体辐射函数黑体辐射函数:15第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性在在很很多多实实际际问问题题中中，往往往往须须要要确确定定某某一一特

23、特定定波波长长区区段段内内的的辐辐射射能能量量。黑体在黑体在1,21,2区段所发出的辐射能为（见图区段所发出的辐射能为（见图7-77-7）通通常常把把这这一一波波段段的的辐辐射射能能表表示示成成同同温温下下黑黑体体辐辐射射力力（0-0-）的的百分数，记为百分数，记为F Fb(1-2)b(1-2)。于是。于是式式中中：F Fb(0-2)b(0-2)、F Fb(0-1)b(0-1)分分别别为为波波长长从从0 0至至22和和0 0至至11的的黑黑体体辐辐射射占占同同温温下下黑黑体体辐辐射射力力的的百百分分数数。能能量量份份额额F Fb(0-)b(0-)可可以以表表示示为为单单一一变变量量TT的函数，

24、即的函数，即16第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性f(T)f(T)称为黑体辐射函数。为计算便利，黑体辐射函数称为黑体辐射函数。为计算便利，黑体辐射函数f(T)f(T)已制已制成表格（见表成表格（见表7-17-1）供计算辐射能量份额时查用。）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便利地由下式算出：积所辐射的能量可便利地由下式算出：（3 3）兰贝特定律）兰贝特定律 辐辐射射力力（定定义义）没没有有指指明明在在半半球球空空间间不不同同方方向向上上的的能能量量分分布布。为为了了说说明明辐

25、辐射射能能量量在在空空间间不不同同方方向向上上的的分分布布规规律律，引引入入定定向向辐辐射射强强度的概念度的概念17第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性（1 1）定向辐射强度）定向辐射强度 先引入立体角的概念（见图先引入立体角的概念（见图7-87-8）平面角：平面角：=s/r rad=s/r rad（弧度）（弧度）式中：式中：弧长弧长s s、半径、半径r r。立体角：立体角：=A=Ac c/r/r2 2 式中：式中：A Ac c 半球体表面被立体角切割的面积，半球体表面被立体角切割的面积，r r球体的半径。球体的半径。对半球，面积为对半球，面积为2r2r2 2,立体角为立体角为2 sr(2

26、sr(球面度球面度)。微元立体角：微元立体角：d=dAd=dAC C/r/r2 2 式中：式中：dAdAC C半球体表面被微元立体角切割的面积，半球体表面被微元立体角切割的面积，dA dAC C=rd.rsind=rd.rsind d=sinddd=sindd 式中：式中：纬度角，纬度角，经度角。经度角。18第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图7-8 7-8 立体角定义图立体角定义图19第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图7-9 7-9 计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几何关系20第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性定向辐射强度的概念定向辐射强度的概念 随意微元表面在空间

27、指定方向上随意微元表面在空间指定方向上放射出的辐射能量的强弱，首先必放射出的辐射能量的强弱，首先必需在相同的立体角的基础上比较才需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向上所能看到的辐射面积是不一样的。见图（的。见图（7-107-10）。微元辐射面）。微元辐射面dAdA在随意方向在随意方向p p 看到的辐射面积不是看到的辐射面积不是dAdA，而是，而是dAcosdAcos。所以，不同方向。所以，不同方向上辐射能量的强弱，还要在相同的上辐射能量的强弱，还要在相同的可见辐射面积的基础上才能作出合可见辐射面积的基础上才能

28、作出合理的比较。理的比较。图图7-10 7-10 定向辐射强度定向辐射强度 的定义图的定义图21第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性 我我们们把把单单位位时时间间内内、单单位位可可见见辐辐射射面面积积在在给给定定方方向向上上单单位位立立体体角角内内放放射射的的全全波波长长辐辐射射量量称称为为定定向向辐辐射射强强度度，记记为为L L。与与辐辐射射面面法法向成向成角方向上的定向辐射强度角方向上的定向辐射强度L()L()为为定向辐射强度的单位是定向辐射强度的单位是w/(mw/(m2 2.sr).sr)。（2 2）兰贝特定律）兰贝特定律 黑黑体体的的定定向向辐辐射射强强度度有有什什么么规规律律呢呢？

29、理理论论上上可可以以证证明明，黑黑体体辐辐射射的的定定向向辐辐射射强强度度与与方方向向无无关关。即即在在半半球球空空间间的的各各个个方方向向上上的的定定向向辐射强度相等：辐射强度相等：L()=L=L()=L=常量常量 （7-177-17）定定向向辐辐射射强强度度与与方方向向无无关关的的规规律律称称为为兰兰贝贝特特定定律律。黑黑体体是是符符合合兰兰贝贝特特定定律律的的。对对于于听听从从兰兰贝贝特特定定律律的的辐辐射射，按按式式（7-7-1616）（）（7-177-17）有）有22第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性上式表明，单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同方向单位立上式表明，单位辐射面积

30、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匀整的：法线方向最大，切线方辐射能在空间不同方向的分布是不匀整的：法线方向最大，切线方向为零。向为零。对于听从兰贝特定律的辐射，其定向辐射强度对于听从兰贝特定律的辐射，其定向辐射强度L L与辐射力与辐射力E E之间有如之间有如下关系：下关系：E=L E=L （7-197-19）既辐射力等于定向辐射强度

31、的既辐射力等于定向辐射强度的倍。倍。综上所述：综上所述：黑体的辐射力黑体的辐射力斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 黑体能量按波长的分布黑体能量按波长的分布普朗可定律普朗可定律 黑体能量按空间的分布黑体能量按空间的分布兰贝特定律兰贝特定律 单色辐射力的峰值单色辐射力的峰值维恩位移定律维恩位移定律23第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性 8-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性 把把实实际际物物体体的的辐辐射射特特性性与与黑黑体体相相比比较较，从从辐辐射射总总能能量量到到总总能能量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。按波长及方向的分布，分别引出黑度、

32、单色黑度及定向黑度的概念。1 1 概念概念（1 1）单色放射率）单色放射率 实际物体的单色辐射力往往随波长作不规则实际物体的单色辐射力往往随波长作不规则的变更，见图的变更，见图7-117-11。我们把实际物体的单色辐射力与同温下黑体的。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放射率。单色辐射力的比值称为单色放射率。（2 2）放射率）放射率 我们把实际物体的辐射力与同温下黑体辐射力的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放射率。比值称为放射率。24第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图7-11 实际物体、黑体实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱和灰体的辐射能

33、量光谱已知黑度，实际物体的辐射力可应已知黑度，实际物体的辐射力可应用四次方定律确定：用四次方定律确定：试验发觉，实际物体的辐射力并不试验发觉，实际物体的辐射力并不严格地同严格地同T T的四次方成正比，但工的四次方成正比，但工程中仍按与程中仍按与T T的四次方成正比计算，的四次方成正比计算，因此，放射率还与温度有依变关系。因此，放射率还与温度有依变关系。（3 3）定向放射率）定向放射率 实际物体实际物体辐射按空间方向的分布，亦不尽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的定向辐射强度在不同方向上有些变更。为了说明不同方向上定

34、些变更。为了说明不同方向上定向辐射强度的变更，给出定向放向辐射强度的变更，给出定向放射率的定义：射率的定义：25第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性式中：式中：L L（）与辐射面法向成与辐射面法向成角方向上的定向辐射强度，角方向上的定向辐射强度，L L b b同温下黑体的定向辐射强度。同温下黑体的定向辐射强度。对于听从兰贝特定律的辐射，定向黑度在极坐标是个半园。图对于听从兰贝特定律的辐射，定向黑度在极坐标是个半园。图7-127-12、7-137-13给出了一些有代表性的金属导体和非导电材料定向放射给出了一些有代表性的金属导体和非导电材料定向放射率的极坐标图。率的极坐标图。对于非导电材料对于非

35、导电材料 从辐射面法向从辐射面法向=0=0到到=60=60的范围内，的范围内，定向放射率基本不变。定向放射率基本不变。=6090=6090时才有明显削减，直到时才有明显削减，直到=90=90为零。为零。对于金属材料对于金属材料 从从=0=0起先，在确定角度内，定向放射起先，在确定角度内，定向放射率可认为是常数，然后随角度的增加急剧增大。在接近率可认为是常数，然后随角度的增加急剧增大。在接近=90=90的的微小角度的范围内，定向黑度又有所削减。微小角度的范围内，定向黑度又有所削减。26第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图7-13 几种非导电体材料在不同方向上的定向放射率几种非导电体材料在不

36、同方向上的定向放射率()(t=093.3)27第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图7-12 几种金属导体在不同方向上的定向放射率几种金属导体在不同方向上的定向放射率()(t=150)尽尽管管实实际际物物体体的的定定向向放放射射率率有有上上述述变变更更，但但（）在在半半球球空空间间上上的的平平均均值值与与法法向向放放射射率率的的比比值值基基本本上上保保持持不不变变。（对对高高度度磨磨光光的的金金属属=1.2,=1.2,光光滑滑表表面面的的物物体体=0.95,=0.95,粗粗糙糙表表面面的的物物体体=0.98=0.98）。因因此此往往往往不不考考虑虑（）的的变变更更细细微微环环节节，而而近近

37、似似的的认认为为大大多多数数工工程程材材料料也听从兰贝特定律。听从兰贝特定律的表面称为漫射表面。也听从兰贝特定律。听从兰贝特定律的表面称为漫射表面。28第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性2 2综述：综述：（1 1）物体表面放射率取决于：）物体表面放射率取决于：物体的种类（常温下白大理石物体的种类（常温下白大理石0.950.95，镀锌铁皮，镀锌铁皮0.230.23）表表面面温温度度（严严峻峻氧氧化化的的铝铝表表面面在在5050时时为为0.2,0.2,在在500500时时为为0.30.3）表表面面状状况况（同同一一种种金金属属材材料料高高度度磨磨光光时时放放射射率率很很低低，而而粗粗糙糙时时则

38、则很很大大。例例无无光光泽泽黄黄铜铜0.220.22，磨磨光光的的黄黄铜铜0.050.05）。所所以以应应对对金金属属材材料料的的表表面面状状况况赐赐予予足足够够的的重重视视。综综上上所所述述。黑黑度度只只与与放放射射辐辐射射的物体本身有关，而不涉及外界条件。的物体本身有关，而不涉及外界条件。对对于于大大多多数数非非金金属属材材料料的的放放射射率率数数值值很很高高，一一般般在在0.850.950.850.95之之间间，且与表面状况的关系不大，在缺乏资料时可近似取且与表面状况的关系不大，在缺乏资料时可近似取0.900.90。（2 2）实实际际物物体体的的辐辐射射特特性性在在定定性性上上与与黑黑体

39、体相相像像，但但定定量量上上则则比比较较困困难难，在在工工程程计计算算中中，放放射射率率、单单色色放放射射率率及及定定向向放放射射率率仅仅在在对对表表面面作作精精细细计计算算时时才才用用到到。但但无无论论是是放放射射率率、单单色色放放射射率率及及定定向向放放射射率率，它它们们仅仅取取决决于于物物体体本本身身的的温温度度及及表表面面状状况况，与与外外界界条条件件无无关关，即它们是物性参数。即它们是物性参数。29第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性8-4 8-4 实际固体的吸取比和基尔霍夫定律实际固体的吸取比和基尔霍夫定律本节探讨实际物体的吸取特性及吸取比与放射率的关系本节探讨实际物体的吸取特性

40、及吸取比与放射率的关系1 1实际物体的吸取特性实际物体的吸取特性 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取的百分数称为该物体的吸取比。的投入辐射。物体对投入辐射所吸取的百分数称为该物体的吸取比。实际物体的吸取比取决于两个方面的因素：吸取物体本身的状况实际物体的吸取比取决于两个方面的因素：吸取物体本身的状况（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（物体的种类、表面温度和表面状况）和投入辐射的特性。可见物体的吸取率比黑度更为困难。体的吸取率比黑度更为困难。（1 1）物物体体对对某某

41、一一特特定定波波长长的的辐辐射射能能所所吸吸取取的的百百分分数数称称为为该该物物体体的的单单色色吸吸取取比比。见见图图7-167-16，7-177-17分分别别示示出出了了金金属属和和非非导导电电材材料料在在室室温温下下单单色色吸吸取取比比随随波波长长的的变变更更。尤尤其其对对白白瓷瓷砖砖，2m2m时时，（）0.2.0.2.5m5m时时，（）0.9,0.9,（）随随波波长长的的变更很大。变更很大。30第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图7-16 金属导电体的光谱吸取比同波长的关系金属导电体的光谱吸取比同波长的关系31第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图7-18 7-18 非导电体材

42、料的光谱吸取比同波长的关系非导电体材料的光谱吸取比同波长的关系 物体的单色吸取比随波长而异的特性称为物体的吸取具有选择物体的单色吸取比随波长而异的特性称为物体的吸取具有选择性。工农业生产中常常利用这种选择性的吸取来达到确定的目的。性。工农业生产中常常利用这种选择性的吸取来达到确定的目的。32第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性 例如蔬菜栽培过程中运用的暖房就利用了玻璃对辐射能吸取的例如蔬菜栽培过程中运用的暖房就利用了玻璃对辐射能吸取的选择性（玻璃对选择性（玻璃对2.2m2.2m的辐射能的吸取比很小，从而使大部分的辐射能的吸取比很小，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

43、射能绝大部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分位于3m3m的红外范围内，而玻璃对的红外范围内，而玻璃对3m3m的辐射能的吸取的辐射能的吸取率很大，从而阻挡了辐射能向暖房外的散失。）。率很大，从而阻挡了辐射能向暖房外的散失。）。世世上上万万物物呈呈现现不不同同的的颜颜色色的的主主要要缘缘由由也也在在于于选选择择性性的的吸吸取取与与辐辐射射。(当当阳阳光光照照射射到到一一个个物物体体表表面面上上时时，假假如如该该物物体体几几乎乎全全部部吸吸取取各各种种可可见见光光，它它就就呈呈黑黑色色。假假如如几几乎乎全全部部反反射射可可见见光光，它它就就呈呈白白色色。假假如如几几乎

44、乎匀匀整整地地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见光光，它它就就呈呈灰灰色色。假假如如只只反反射射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，则它就呈现被反射的这种辐射线的颜色。则它就呈现被反射的这种辐射线的颜色。)（2 2）实际物体的单色吸取比对投入辐射的波长有选择性这一事实）实际物体的单色吸取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给辐射换热的计算带来很大的困难 33第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性 因为物体的吸取比除与自身表面的性质和温度（因为物体的吸取比除与自身表面的性质和温度（T1

45、T1）有关外，）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（又取决于发出投入辐射的物体的性质和温度（T2T2）。因此，物体的）。因此，物体的吸取比要依据吸取一方和发出投入辐射一方两方的性质和温度确定。吸取比要依据吸取一方和发出投入辐射一方两方的性质和温度确定。设设1 1、2 2分别代表所探讨的物体及产生投入辐射的物体，则物体分别代表所探讨的物体及产生投入辐射的物体，则物体1 1的的吸取比可按定义写出如下：吸取比可按定义写出如下：(分分 母母 为为 产产 生生 投投 入入 辐辐

46、 射射 物物 体体 的的 总总 能能 量量，分分 子子 的的 后后 三三 项项 为为 在在,+d,+d的投入辐射量，分子的后四项为的投入辐射量，分子的后四项为时的吸取量时的吸取量)34第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性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 对确定的物体，其对黑体辐射的吸取比是温度对确定的物体，其对黑体辐射的吸取比是温度T1T1，T2T2的函数。的函数。若物体的单色吸取比若物体的单色吸取比(,T1)(,T1)和温度和温度T2T2已知，则可按式（已知，则可按式（7-23b7-23b）计算物体的吸取比。图计算物体的吸取比。图7-187

47、-18示出了一些材料对黑体辐射的吸取比。示出了一些材料对黑体辐射的吸取比。图中各材料的自身温度图中各材料的自身温度T1T1为为294 k294 k。35第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图7-19 7-19 物体表面对黑体辐射的吸取比与温度的关系物体表面对黑体辐射的吸取比与温度的关系36第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性（3 3）灰体的概念）灰体的概念 物体的吸取比与投入辐射有关的这一特性给辐射换热的计算带物体的吸取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。起因全在于单色吸取比对不同波长的辐射具有选择来很大的不便。起因全在于单色吸取比对不同波长的辐射具有选择性。假如物

48、体的单色吸取比与波长无关，即性。假如物体的单色吸取比与波长无关，即（）=常数，则不常数，则不管投入辐射的分布如何，吸取比管投入辐射的分布如何，吸取比也是同一个常数。这时物体的吸也是同一个常数。这时物体的吸取率只取决于本身的状况而与外界状况无关。在热辐射分析中，把取率只取决于本身的状况而与外界状况无关。在热辐射分析中，把单色吸取比与波长无关的物体称为灰体。对于灰体单色吸取比与波长无关的物体称为灰体。对于灰体 =（）=常数，常数，灰灰体体亦亦是是志志向向物物体体，在在工工程程计计算算中中在在红红外外线线范范围围内内（绝绝大大部部分分能能量量位位于于0.76-10m0.76-10m）把把大大多多数数

49、工工程程材材料料当当作作灰灰体体处处理理引引起起的的误误差差不大。而这种简化处理却给辐射换热分析带来很大的便利。不大。而这种简化处理却给辐射换热分析带来很大的便利。2 2实际物体的辐射和吸取之间的内在联系实际物体的辐射和吸取之间的内在联系基尔霍夫定律基尔霍夫定律（1 1）定律的导出）定律的导出 37第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性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什么样的联系，间具有什么样的联系，18591859年，年，Kirchhoff Kirchhoff 用热力学方法回答了这用热力学方法回答了这个

50、问题，从而提出了个问题，从而提出了Kirchhoff Kirchhoff 定律。定律。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7-207-20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。板部落到另一块板上。板1 1时黑体，板时黑体，板2 2是随意物体，参数分别为是随意物体，参数分别为Eb,Eb,T1 T1 以及以及E,E,T2,T2，图图7-20 7-20 平行平板平行平板间的辐射换热间的辐射换热从内表面看，板从内表面看，板2 2支出与收