传热学第九章辐射基本定律PPT讲稿.ppt

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1、传热学第九章辐射基本定律1 1第1页，共54页，编辑于2022年，星期四人与墙壁间主要传热方式是辐射人与墙壁间主要传热方式是辐射2 2第2页，共54页，编辑于2022年，星期四保温瓶夹层中主要依靠辐射传热保温瓶夹层中主要依靠辐射传热3 3第3页，共54页，编辑于2022年，星期四传统工业中的辐射换热问题传统工业中的辐射换热问题4 4第4页，共54页，编辑于2022年，星期四太阳能热水器是典型的利用辐射换热原理太阳能热水器是典型的利用辐射换热原理5 5第5页，共54页，编辑于2022年，星期四辐射通过低温区向人体传热辐射通过低温区向人体传热6 6第6页，共54页，编辑于2022年，星期四第九章第

2、九章 热辐射基本定律及物体的辐射特性热辐射基本定律及物体的辐射特性1、热辐射的基本概念、热辐射的基本概念 2、黑体辐射、黑体辐射 3、实际物体和灰体的辐射、实际物体和灰体的辐射 7 7第7页，共54页，编辑于2022年，星期四1 1、热辐射基本概念、热辐射基本概念1)1)热辐射的物理本质热辐射的物理本质辐射辐射:物体通过电磁波传递能量的现象物体通过电磁波传递能量的现象热辐射热辐射:由于热的原因而产生的电磁波辐射由于热的原因而产生的电磁波辐射（改变物体内部微观粒子的热运动状态，将部分内能转换为电（改变物体内部微观粒子的热运动状态，将部分内能转换为电磁波的能量发送出去的过程）磁波的能量发送出去的过

3、程）不同温度不同温度不同波长不同波长t0K内内 辐射能辐射能辐射特性辐射特性不同方向不同方向的物体的物体能能 辐射能辐射能吸收特性吸收特性不同波长不同波长辐射和吸收的总效果辐射和吸收的总效果辐射换热辐射换热8 8第8页，共54页，编辑于2022年，星期四热辐射传播速度热辐射传播速度c、波长、波长和频率和频率f之间的关系之间的关系c=f 0.1 0.38 0.76 4 20 100 m 0.1 0.38 0.76 4 20 100 m紫外紫外可见可见红外红外近近 远远 工程材料辐射工程材料辐射(T2000K)(T2000K)热辐射的主要波谱热辐射的主要波谱:9 9第9页，共54页，编辑于2022

4、年，星期四热辐射到达物体表面后的传播途径如热辐射到达物体表面后的传播途径如图图：根据热平衡原理，投入辐射等于反射辐射、吸收辐射根据热平衡原理，投入辐射等于反射辐射、吸收辐射和穿透辐射之和。和穿透辐射之和。吸收比吸收比=1 =1 绝对黑体（黑体）绝对黑体（黑体）反射比反射比=1 =1 镜体（对于漫反射称为白体）镜体（对于漫反射称为白体）穿透比穿透比=1 =1 绝对透明体（透明体）绝对透明体（透明体）2 2）吸收比、反射比和穿透比吸收比、反射比和穿透比辐射示意辐射示意1010第10页，共54页，编辑于2022年，星期四2、黑体辐射、黑体辐射uu黑体的基本概念黑体的基本概念黑体的基本概念黑体的基本概

5、念uu辐射力辐射力辐射力辐射力和和和和光谱辐射力光谱辐射力光谱辐射力光谱辐射力 uu普朗克定律普朗克定律普朗克定律普朗克定律uu维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律 uu斯蒂芬斯蒂芬斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼定律波尔兹曼定律波尔兹曼定律波尔兹曼定律uu黑体辐射函数黑体辐射函数 uu兰贝特定律兰贝特定律uu小结小结小结小结1111第11页，共54页，编辑于2022年，星期四黑体模型：黑体模型：图示窗口是黑体模型的一个实例图示窗口是黑体模型的一个实例小孔模型小孔模型1212第12页，共54页，编辑于2022年，星期四辐辐射射力力:单单位位时时间间内内物物体体单单位位表表面面积积向向半半球球

6、空空间间所所有有方方向向发发射的全部波长的辐射能总量，记为：射的全部波长的辐射能总量，记为：E。光谱辐射力光谱辐射力:单位时间内物体单位表面积向半球空间所单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射的某一波长的辐射能，记为：有方向发射的某一波长的辐射能，记为：E。显然显然1313第13页，共54页，编辑于2022年，星期四式中：式中：式中：式中：波长，波长，波长，波长，mm；T T黑体的绝对温度，黑体的绝对温度，黑体的绝对温度，黑体的绝对温度，K K；C1 1第一辐射常量，第一辐射常量，3.741910-16 W W mm2 2 C C2 2第二辐射常量，第二辐射常量，第二辐射常量，第二辐射

7、常量，1.4388101.438810-2 m m K K 普朗克定律（黑体的光谱辐射力）普朗克定律（黑体的光谱辐射力）普朗克定律（黑体的光谱辐射力）普朗克定律（黑体的光谱辐射力）:1414第14页，共54页，编辑于2022年，星期四维恩位移定律：维恩位移定律：维恩位移定律：维恩位移定律：由普朗克定律，令：由普朗克定律，令：其中：其中：为某一温度下最大光谱辐射力所对应的波长为某一温度下最大光谱辐射力所对应的波长光谱辐射力的峰值点随光谱辐射力的峰值点随温度的升高向短波区移温度的升高向短波区移动。动。1515第15页，共54页，编辑于2022年，星期四黑体辐射力：黑体辐射力：式中：式中：黑体辐射常

8、数，黑体辐射常数，5.6710-8 W/(m2K4);CO黑体辐射系数，黑体辐射系数，5.67 W/(m2K4)斯蒂芬斯蒂芬斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼定律（四次方定律波尔兹曼定律（四次方定律波尔兹曼定律（四次方定律波尔兹曼定律（四次方定律)：有时需要计算某一波段的辐射能，如太阳辐射中可见光的有时需要计算某一波段的辐射能，如太阳辐射中可见光的份额。为了方便计算，引出份额。为了方便计算，引出黑体辐射函数。黑体辐射函数。1616第16页，共54页，编辑于2022年，星期四 某一波段内的辐射能某一波段内的辐射能黑体辐射函数：黑体辐射函数：黑体辐射函数：黑体辐射函数：黑体在黑体在黑体在黑体在00波长范围内发

9、出的辐射能在其辐射力波长范围内发出的辐射能在其辐射力波长范围内发出的辐射能在其辐射力波长范围内发出的辐射能在其辐射力中所占的份额。中所占的份额。中所占的份额。中所占的份额。其值可查教材表其值可查教材表8-1（P360）黑体辐射函数动画黑体辐射函数动画1717第17页，共54页，编辑于2022年，星期四a.a.为了描述辐射能的空间分布特性，引入立体角。为了描述辐射能的空间分布特性，引入立体角。为了描述辐射能的空间分布特性，引入立体角。为了描述辐射能的空间分布特性，引入立体角。兰贝特定律（能量的空间分布兰贝特定律（能量的空间分布方向函数）方向函数）方向函数）方向函数）立体角：立体角：球面度球面度式

10、中：式中：A球面面积；球面面积；r球面半径。球面半径。式中：式中：天顶角；天顶角；平面方位角。平面方位角。微元立体角微元立体角立体角动画立体角动画1818第18页，共54页，编辑于2022年，星期四b.b.定向辐射强度：定向辐射强度：单位时间、单位单位时间、单位可见辐射面积可见辐射面积在某一方在某一方向的向的单位立体角单位立体角内所发出的辐射能，称为该方向的辐射强内所发出的辐射能，称为该方向的辐射强度，记为度，记为L（）。）。可见辐射面积可见辐射面积:指在接受辐射指在接受辐射方向所能看到的辐射表面积，方向所能看到的辐射表面积，如图如图 可见辐射面积动画可见辐射面积动画1919第19页，共54页

11、，编辑于2022年，星期四c.c.兰贝特定律（余弦定律）：兰贝特定律（余弦定律）：黑体表面具有漫辐射（均匀辐射）的性质，在半球空间黑体表面具有漫辐射（均匀辐射）的性质，在半球空间各个方向上的定向辐射强度相等。各个方向上的定向辐射强度相等。d.d.定向辐射力：定向辐射力：单位时间、单位辐射面积，在某一方向单位时间、单位辐射面积，在某一方向P的单位立体角内辐射的能量，称为该方向的定向辐射力，的单位立体角内辐射的能量，称为该方向的定向辐射力，记为记为E（）。）。对服从兰贝特定律的辐射：对服从兰贝特定律的辐射：上式表明：上式表明：单位辐射面上发出的辐射能落到空间不同方向单位辐射面上发出的辐射能落到空间

12、不同方向单位立体角内的能量是不等的，其值正比于该方向与辐射单位立体角内的能量是不等的，其值正比于该方向与辐射面法线夹角的余弦面法线夹角的余弦.2020第20页，共54页，编辑于2022年，星期四 辐射力与定向辐射强度的关系：辐射力与定向辐射强度的关系：2121第21页，共54页，编辑于2022年，星期四 黑体辐射规律的小结：黑体辐射规律的小结：黑体辐射的辐射力由斯蒂芬黑体辐射的辐射力由斯蒂芬-波尔兹曼定律确定，辐射波尔兹曼定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方；黑体辐射能量按波长的分布力正比于热力学温度的四次方；黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律，而按空间的分布服从兰贝特定律；黑体的服从

13、普朗克定律，而按空间的分布服从兰贝特定律；黑体的单色辐射力有个峰值，与此峰值相对应的波长单色辐射力有个峰值，与此峰值相对应的波长 由维恩位由维恩位移定律确定，即随着温度的升高，移定律确定，即随着温度的升高，向短波方向移动。向短波方向移动。2222第22页，共54页，编辑于2022年，星期四3 3、实际物体和灰体的辐射、实际物体和灰体的辐射uu发射热辐射的性质发射热辐射的性质 uu吸收热辐射的性质吸收热辐射的性质 uu灰体灰体 uu基尔霍夫定律基尔霍夫定律 2323第23页，共54页，编辑于2022年，星期四黑体辐射特性：黑体辐射特性：温度：温度：E（T）T4（S-B定律）定律）波长：波长：E（

14、）（Planck定律）定律）方向：方向：E（）=Lcos（Lambert定律）定律）对于非黑体，其辐射特性要作适当修正。对于非黑体，其辐射特性要作适当修正。1)1)发射热辐射的性质发射热辐射的性质2424第24页，共54页，编辑于2022年，星期四黑度：黑度：黑度：黑度：对于实际物体来说，黑度仍是温度的函数，即实际物对于实际物体来说，黑度仍是温度的函数，即实际物体的辐射力不满足四次方关系。体的辐射力不满足四次方关系。实际物体的辐射力与同温度实际物体的辐射力与同温度实际物体的辐射力与同温度实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值称为下黑体辐射力的比值称为下黑体辐射力的比值称为下黑体辐射力的比值

15、称为实际物体的黑度，又称实际物体的黑度，又称实际物体的黑度，又称实际物体的黑度，又称发发发发射率射率射率射率，记为，记为，记为，记为。2525第25页，共54页，编辑于2022年，星期四光谱黑度：光谱黑度：光谱黑度：光谱黑度：=E=E/E/Ebb，为实际物，为实际物体的光谱辐射力与同温体的光谱辐射力与同温度同波长下黑体的光谱度同波长下黑体的光谱辐射力的比值，称为实辐射力的比值，称为实际物体的光谱黑度，又际物体的光谱黑度，又叫光谱发射率。它是温叫光谱发射率。它是温度与波长的函数度与波长的函数 。2626第26页，共54页，编辑于2022年，星期四定向黑度定向黑度 ：实际物体在半球空间的辐射强度不

16、服从兰贝特定律。实际物体在半球空间的辐射强度不服从兰贝特定律。定向黑度：定向黑度：在某一方向在某一方向上实际物体的辐射强度上实际物体的辐射强度与同温度下黑体的辐射与同温度下黑体的辐射强度之比。强度之比。2727第27页，共54页，编辑于2022年，星期四物体的黑度：物体的黑度：=f=f（物质种类，表面温度，表面状况）（物质种类，表面温度，表面状况）在与壁面法向成在与壁面法向成 角的范围内，大多角的范围内，大多数金属和非金属的定向发射率均为常数金属和非金属的定向发射率均为常数，而表面的辐射能量绝大部分亦位数，而表面的辐射能量绝大部分亦位于这一区域、因此，可以将工程中的于这一区域、因此，可以将工程

17、中的大多数材料看成是黑度与方向无关的大多数材料看成是黑度与方向无关的漫射体，近似认为其也服从兰贝特定漫射体，近似认为其也服从兰贝特定律。律。近似处理：一般金属和非金属表面可作漫射表面处理近似处理：一般金属和非金属表面可作漫射表面处理 两种简化处理方法：漫射表面两种简化处理方法：漫射表面与方向无关与方向无关 灰体表面灰体表面与波长无关与波长无关2828第28页，共54页，编辑于2022年，星期四2)2)吸收热辐射的性质吸收热辐射的性质投入辐射与吸收辐射的关系投入辐射与吸收辐射的关系2929第29页，共54页，编辑于2022年，星期四光谱吸收比：光谱吸收比：光谱吸收比：光谱吸收比：物体对某一特定波

18、长投入辐射能的吸收物体对某一特定波长投入辐射能的吸收物体对某一特定波长投入辐射能的吸收物体对某一特定波长投入辐射能的吸收份额。份额。份额。份额。吸收比：吸收比：吸收比：吸收比：物体对投入辐射在全波长范围内的吸收份额物体对投入辐射在全波长范围内的吸收份额物体对投入辐射在全波长范围内的吸收份额物体对投入辐射在全波长范围内的吸收份额=f=f（自身表面性质与温度（自身表面性质与温度T T1 1，辐射源性质与温度，辐射源性质与温度T T2 2）若投入辐射来自黑体，则吸收比为：若投入辐射来自黑体，则吸收比为：3030第30页，共54页，编辑于2022年，星期四对来自黑体辐射的吸收比：对来自黑体辐射的吸收比

19、：导体的导体的导体的导体的（T T T T2 2 2 2）为增函数，非导体的）为增函数，非导体的）为增函数，非导体的）为增函数，非导体的（T T T T2 2 2 2）为降函数。）为降函数。）为降函数。）为降函数。原因：黑体辐射：原因：黑体辐射：T T2 2max(max(温度越高，短波份额越大温度越高，短波份额越大)导电体吸收比：导电体吸收比：(善于吸收短波辐射善于吸收短波辐射)非导体吸收比：非导体吸收比：(善于吸收长波辐射善于吸收长波辐射)3131第31页，共54页，编辑于2022年，星期四当当当当T T T T2 2 2 2很高时，白色非金属表面吸收比可能低于金属表面吸收很高时，白色非金

20、属表面吸收比可能低于金属表面吸收很高时，白色非金属表面吸收比可能低于金属表面吸收很高时，白色非金属表面吸收比可能低于金属表面吸收比。比。比。比。原因：原因：原因：原因：T T T T2 2 2 2可见光可见光可见光可见光白色表面白色表面白色表面白色表面可见可见可见可见物体表面颜色仅对可见光的吸收比有较大影响物体表面颜色仅对可见光的吸收比有较大影响物体表面颜色仅对可见光的吸收比有较大影响物体表面颜色仅对可见光的吸收比有较大影响如：如：如：如：白漆，阳光白漆，阳光白漆，阳光白漆，阳光=0.12 =0.12 =0.12 =0.12 白漆白漆白漆白漆,红外红外红外红外0.90.90.90.9 黑漆黑漆

21、黑漆黑漆,阳光阳光阳光阳光=0.96 =0.96 =0.96 =0.96 黑漆黑漆黑漆黑漆,红外红外红外红外0.90.90.90.9金属表面吸收比小，非金属及金属氧化物表面吸收比大。金属表面吸收比小，非金属及金属氧化物表面吸收比大。金属表面吸收比小，非金属及金属氧化物表面吸收比大。金属表面吸收比小，非金属及金属氧化物表面吸收比大。3 3）灰体）灰体:单色吸收比与波长无关的物体。单色吸收比与波长无关的物体。=常数，常数，是一个理想化的假设，可以简化计算，是一个理想化的假设，可以简化计算，一般材一般材料在工程常见温度范围内可以当作灰体。料在工程常见温度范围内可以当作灰体。3232第32页，共54页

22、，编辑于2022年，星期四如如图图 ：板板1 1为为黑黑体体，板板2 2为为实实际际物物体体，两板间的辐射换热热流密度为：两板间的辐射换热热流密度为：当当T T1 1=T=T2 2时，时，q=0q=0在热平衡条件下，任何物体的辐射力与它对来自黑体辐射的吸在热平衡条件下，任何物体的辐射力与它对来自黑体辐射的吸收比之比，恒等于同温度下黑体的辐射力。收比之比，恒等于同温度下黑体的辐射力。（只与温度有关，（只与温度有关，与物体本身性质无关）与物体本身性质无关）4 4）基尔霍夫定律）基尔霍夫定律 ：联系实际物体发射特性与吸收特性的纽带与桥梁联系实际物体发射特性与吸收特性的纽带与桥梁 3333第33页，共

23、54页，编辑于2022年，星期四推论：推论：推论：推论：同温度下，善于辐射的物体必善于吸收。同温度下，善于辐射的物体必善于吸收。同温度下，善于辐射的物体必善于吸收。同温度下，善于辐射的物体必善于吸收。实际物体实际物体实际物体实际物体 1 1 1 1，同温度下黑体辐射力最大。，同温度下黑体辐射力最大。，同温度下黑体辐射力最大。，同温度下黑体辐射力最大。由黑度定义：由黑度定义：由黑度定义：由黑度定义：在与黑体处于热平衡的条件下，任何物体对来自黑体辐射在与黑体处于热平衡的条件下，任何物体对来自黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的黑度。的吸收比等于同温度下该物体的黑度。对于光谱辐射：对于光谱辐射：对于

24、光谱辐射：对于光谱辐射：（T T T T）=（T T T T）对于灰体：吸收比与外界条件无关，无论投入辐射是否来对于灰体：吸收比与外界条件无关，无论投入辐射是否来对于灰体：吸收比与外界条件无关，无论投入辐射是否来对于灰体：吸收比与外界条件无关，无论投入辐射是否来自黑体，无论是否处于热平衡，只与自身温度有关。所以自黑体，无论是否处于热平衡，只与自身温度有关。所以自黑体，无论是否处于热平衡，只与自身温度有关。所以自黑体，无论是否处于热平衡，只与自身温度有关。所以灰体的吸收比恒等于同温度下本身的黑度。（一般工程材灰体的吸收比恒等于同温度下本身的黑度。（一般工程材灰体的吸收比恒等于同温度下本身的黑度。

25、（一般工程材灰体的吸收比恒等于同温度下本身的黑度。（一般工程材料在红外线范围内可近似按灰体处理）料在红外线范围内可近似按灰体处理）料在红外线范围内可近似按灰体处理）料在红外线范围内可近似按灰体处理）3434第34页，共54页，编辑于2022年，星期四海水的颜色为什么总是蓝色的？海水的颜色为什么总是蓝色的？答：由海水的非灰性质引起的，答：由海水的非灰性质引起的，海水对不同波长的可见光的吸收海水对不同波长的可见光的吸收不同，对蓝色光附近的射线吸收不同，对蓝色光附近的射线吸收少，反射多，所以海水呈现蓝色。少，反射多，所以海水呈现蓝色。3535第35页，共54页，编辑于2022年，星期四概念汇总概念汇

26、总:1.黑体：黑体：吸收比为吸收比为1 1的物体，同温度下辐射力最大。的物体，同温度下辐射力最大。2.辐射力：辐射力：单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射的全部波长的辐射能发射的全部波长的辐射能.3.光谱辐射力：光谱辐射力：单位时间内物体单位表面积向半球空间所有单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射的某一波长的辐射能。方向发射的某一波长的辐射能。4.普朗克定律：普朗克定律：5.维恩位移定律：维恩位移定律：6.斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼定律：波尔兹曼定律：3636第36页，共54页，编辑于2022年，星期四7.兰贝特定律：兰贝特定律：具有漫辐

27、射特性的表面，其定向辐射强度与方具有漫辐射特性的表面，其定向辐射强度与方向无关。服从兰贝特定律的辐射，在半球空间不同方向的单位向无关。服从兰贝特定律的辐射，在半球空间不同方向的单位立体角内的辐射能数值不等，其值正比于该方向与辐射面法线立体角内的辐射能数值不等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦，所以兰贝特定律又叫余弦定律。方向夹角的余弦，所以兰贝特定律又叫余弦定律。8.定向辐射强度：定向辐射强度：单位时间、单位可见辐射面积在某一方向单位时间、单位可见辐射面积在某一方向上的单位立体角内的辐射能称为该方向的定向辐射强度。上的单位立体角内的辐射能称为该方向的定向辐射强度。9.定向辐射力：定向

28、辐射力：单位时间、单位辐射面积在某一方向单位时间、单位辐射面积在某一方向P P的单的单位立体角内的辐射能称为该方向的定向辐射力。位立体角内的辐射能称为该方向的定向辐射力。10.对服从兰贝特定律的辐射，对服从兰贝特定律的辐射，3737第37页，共54页，编辑于2022年，星期四12.光谱黑度：光谱黑度：实际物体的光谱辐射力与同温度及波长下黑体实际物体的光谱辐射力与同温度及波长下黑体的光谱辐射力之比，记为：的光谱辐射力之比，记为：13.定向黑度：定向黑度：在某一方向实际物体的定向辐射强度与在某一方向实际物体的定向辐射强度与同温度下黑体的定向辐射强度之比。同温度下黑体的定向辐射强度之比。15.吸收比

29、：吸收比：物体对投入辐射的吸收份额，它不仅与自身的表物体对投入辐射的吸收份额，它不仅与自身的表面性质与温度有关，还与辐射源的性质与温度有关。面性质与温度有关，还与辐射源的性质与温度有关。14.光谱吸收比：光谱吸收比：物体对某一特定波长辐射能的吸收份额，物体对某一特定波长辐射能的吸收份额，记为：记为：11.黑度：黑度：实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值称为实际物体的黑度（发射率），记为：称为实际物体的黑度（发射率），记为：3838第38页，共54页，编辑于2022年，星期四18.基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：在热平衡条件下，任何物体的辐射力与它在热

30、平衡条件下，任何物体的辐射力与它对来自黑体辐射的吸收比之比值，恒等于同温度下黑体的辐射对来自黑体辐射的吸收比之比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。因此，在与黑体处于热平衡的条件下，任何物体对来自黑力。因此，在与黑体处于热平衡的条件下，任何物体对来自黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的黑度。体辐射的吸收比等于同温度下该物体的黑度。19.对于灰体，对于灰体，灰体吸收率与外界条件无关，只与自身灰体吸收率与外界条件无关，只与自身温度有关。温度有关。20.一般工程材料在红外线范围内可近似按灰体处理。一般工程材料在红外线范围内可近似按灰体处理。16.物体的颜色仅对可见光的吸收比有较大影响物体的颜色仅对可见光

31、的吸收比有较大影响17.灰体：灰体：光谱吸收比与波长无关的物体。光谱吸收比与波长无关的物体。3939第39页，共54页，编辑于2022年，星期四思考题分析思考题分析:1.什么叫黑体？在热辐射理论中为什么要引入这一概念？什么叫黑体？在热辐射理论中为什么要引入这一概念？答：吸收比答：吸收比=1=1的物体叫做黑体，黑体是一个理想化的的物体叫做黑体，黑体是一个理想化的物体，黑体辐射的特性反映了物体辐射在波长、温度和方物体，黑体辐射的特性反映了物体辐射在波长、温度和方向上的变化规律，这为研究实际物体的辐射提供了理论依向上的变化规律，这为研究实际物体的辐射提供了理论依据和简化分析基础。据和简化分析基础。2

32、.2.温温温温度度度度均均均均匀匀匀匀的的的的空空空空腔腔腔腔壁壁壁壁面面面面上上上上的的的的小小小小孔孔孔孔具具具具有有有有黑黑黑黑体体体体辐辐辐辐射射射射的的的的特特特特性性性性，那那那那么么么么空空空空腔内腔内腔内腔内 部部部部 壁面的辐射是否也是黑体辐射？壁面的辐射是否也是黑体辐射？壁面的辐射是否也是黑体辐射？壁面的辐射是否也是黑体辐射？答：空间内部壁面不一定是黑体辐射，之所以小孔呈现出黑体答：空间内部壁面不一定是黑体辐射，之所以小孔呈现出黑体答：空间内部壁面不一定是黑体辐射，之所以小孔呈现出黑体答：空间内部壁面不一定是黑体辐射，之所以小孔呈现出黑体特性，是因为辐射在空腔内经历了很多次

33、吸收和反射过程，使特性，是因为辐射在空腔内经历了很多次吸收和反射过程，使特性，是因为辐射在空腔内经历了很多次吸收和反射过程，使特性，是因为辐射在空腔内经历了很多次吸收和反射过程，使离开小孔的能量微乎其微。离开小孔的能量微乎其微。离开小孔的能量微乎其微。离开小孔的能量微乎其微。4040第40页，共54页，编辑于2022年，星期四 3 3.试试试试说说说说明明明明，为为为为什什什什么么么么在在在在定定定定义义义义辐辐辐辐射射射射力力力力时时时时要要要要加加加加上上上上“半半半半球球球球空空空空间间间间”及及及及“全部波长全部波长全部波长全部波长”的说明？的说明？的说明？的说明？答答：因因为为辐辐射

34、射表表面面半半球球空空间间每每一一立立体体角角都都有有来来自自辐辐射射面面的的辐辐射射能能，而而辐辐射射能能的的形形式式有有各各个个不不同同波波长长，全全辐辐射射必必须须包包括括表表面面辐辐射射出出去去的的全全部部能能量量，所所以以要要加加上上“半球空间半球空间半球空间半球空间”和和和和“全部波长全部波长”的说明。的说明。的说明。的说明。4.黑体的辐射能按波长是怎样分布的？光谱辐射力黑体的辐射能按波长是怎样分布的？光谱辐射力Eb的单位中分母的的单位中分母的“m3”代表什么意义？代表什么意义？答：黑体辐射能按波长的分布服从普朗克定律，光谱辐答：黑体辐射能按波长的分布服从普朗克定律，光谱辐射力单位

35、中分母射力单位中分母“m m3 3”代表了单位面积代表了单位面积m m2 2 和单位波和单位波长长m m的意思。的意思。4141第41页，共54页，编辑于2022年，星期四下一张5.黑体的辐射能按空间方向是怎样分布？定向辐射强度与黑体的辐射能按空间方向是怎样分布？定向辐射强度与空间方向无关是否意味着黑体的辐射能在半球空间各方向空间方向无关是否意味着黑体的辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的？上是均匀分布的？答：黑体辐射能按空间方向分布服从兰贝特定律。定向辐射强答：黑体辐射能按空间方向分布服从兰贝特定律。定向辐射强度与空间方向无关并不意味着黑体辐射能在半球空间各个方向度与空间方向无关并不意味着黑

36、体辐射能在半球空间各个方向均匀分布，因为辐射强度是指单位可见辐射面积的辐射能，在均匀分布，因为辐射强度是指单位可见辐射面积的辐射能，在不同方向，可见辐射面积是不同的，即定向辐射力是不同的。不同方向，可见辐射面积是不同的，即定向辐射力是不同的。6.什么叫光谱吸收比？在不同光源的照耀下，物体常呈什么叫光谱吸收比？在不同光源的照耀下，物体常呈现不同的颜色，如何解释？现不同的颜色，如何解释？答：所谓光谱吸收比，是指物体对某一波长投入辐射答：所谓光谱吸收比，是指物体对某一波长投入辐射的吸收份额，物体的颜色是物体对光源某种波长光波的吸收份额，物体的颜色是物体对光源某种波长光波的强烈反射，不同光源的光谱不同

37、，所以物体呈现出的强烈反射，不同光源的光谱不同，所以物体呈现出不同颜色。不同颜色。4242第42页，共54页，编辑于2022年，星期四7.对对对对于于于于一一一一般般般般物物物物体体体体，吸吸吸吸收收收收比比比比等等等等于于于于发发发发射射射射率率率率在在在在什什什什么么么么条条条条件件件件下下下下成成成成立立立立？答答答答：任任任任何何何何物物物物体体体体在在在在与与与与黑黑黑黑体体体体处处处处于于于于热热热热平平平平衡衡衡衡的的的的条条条条件件件件下下下下，对对对对来来来来自自自自黑黑黑黑体体体体辐辐辐辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。射的吸收比

38、等于同温度下该物体的发射率。射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。8.说明灰体的定义以及引入灰体的简化对工程辐射换热说明灰体的定义以及引入灰体的简化对工程辐射换热计算的意义。计算的意义。答：光谱吸收比与波长无关的物体叫做灰体，灰体的吸答：光谱吸收比与波长无关的物体叫做灰体，灰体的吸收比恒等于同温度下的发射率，把实际物体当作灰体处收比恒等于同温度下的发射率，把实际物体当作灰体处理，可以不必考虑投入辐射的特性，将大大简化辐射换理，可以不必考虑投入辐射的特性，将大大简化辐射换热的计算。热的计算。4343第43页，共54页，编辑于2022年，星期四9.已知材料已知材料A、B的光谱吸收比的光谱吸收比与波

39、长的关系如图所示，试与波长的关系如图所示，试估计这两种材料的发射率估计这两种材料的发射率随温度变化的特性，并说明理由。随温度变化的特性，并说明理由。答：根据基尔霍夫定律：答：根据基尔霍夫定律：又：维恩定律又：维恩定律:因为因为A A的光谱吸收比随波长增加而降低，即其善于吸收短波辐射，的光谱吸收比随波长增加而降低，即其善于吸收短波辐射，必善于发射短波辐射，所以其发射率随温度升高而升高，可能是金必善于发射短波辐射，所以其发射率随温度升高而升高，可能是金属材料。属材料。B B的光谱吸收比随波长增加而增高，即其善于吸收长波辐的光谱吸收比随波长增加而增高，即其善于吸收长波辐射，必善于发射长波辐射，所以其

40、发射率随温度升高而降低。可能射，必善于发射长波辐射，所以其发射率随温度升高而降低。可能是非金属材料。是非金属材料。4444第44页，共54页，编辑于2022年，星期四 典型习题分析典型习题分析:1.1.一炉膛内火焰的平均温度为一炉膛内火焰的平均温度为1500K1500K，炉墙上有一直径为，炉墙上有一直径为20cm20cm的看火孔（可看成黑体）。试计算当看火孔打开时的看火孔（可看成黑体）。试计算当看火孔打开时向外辐射的功率。该辐射能中波长为向外辐射的功率。该辐射能中波长为2 2 m m的光谱辐射力是的光谱辐射力是多少多少?哪一种波长下的辐射能最多哪一种波长下的辐射能最多?解：解：根据根据Plan

41、kPlank定律，定律，=2=2 m m，T=1500 KT=1500 K时：时：4545第45页，共54页，编辑于2022年，星期四由由WienWien位移定律：位移定律：答：当看火孔打开时向外辐射的功率为答：当看火孔打开时向外辐射的功率为9018W9018W；该辐射能中波；该辐射能中波长为长为2 2 m m的单色辐射力是的单色辐射力是9.741010 W/m39.741010 W/m3；波长为；波长为1.931.93 m m 的辐射能最多。的辐射能最多。4646第46页，共54页，编辑于2022年，星期四2.2.一漫射表面在某一温度下的单色辐射力与波长的关系一漫射表面在某一温度下的单色辐射

42、力与波长的关系可以近似用右图表示，试：可以近似用右图表示，试：(1)(1)计算此时的辐射力；计算此时的辐射力；(2)(2)计算此时法线方向的计算此时法线方向的定向辐射强度。定向辐射强度。解：解：(1)(1)辐射力辐射力 =50(10-5)+150(15-10)+50(20-15)=1250 (W/m2)=50(10-5)+150(15-10)+50(20-15)=1250 (W/m2)(2)2)法向辐射强度法向辐射强度:因为是漫反射表面因为是漫反射表面,各方向辐射强度相同各方向辐射强度相同4747第47页，共54页，编辑于2022年，星期四3.3.有一块厚为有一块厚为3mm3mm的玻璃，经测定

43、，其对波长为的玻璃，经测定，其对波长为0.30.32.52.5 m m的辐射能的穿透率为的辐射能的穿透率为0.90.9，而对其它波长的辐射能可以认为完全，而对其它波长的辐射能可以认为完全不穿透。试据此计算温度为不穿透。试据此计算温度为5800K5800K的黑体辐射及温度为的黑体辐射及温度为300K300K的黑的黑体辐射投射到该玻璃上时各自的总穿透率体辐射投射到该玻璃上时各自的总穿透率.解解:根据穿透率定义根据穿透率定义:在在T=5800KT=5800K时：时：1 1T=0.35800=1740 (T=0.35800=1740 (m mK)K)2 2T=2.55800=14500 (T=2.55

44、800=14500 (m mK)K)4848第48页，共54页，编辑于2022年，星期四查参考文献查参考文献1表表7-1得：得：Fb(0-1)=3.296Fb(0-2)=96.57所以所以=0.9(0.9657-0.03296)=0.8395=83.95在在T=300K时：时：1T=0.3300=90(mK)2T=2.5300=750(mK)查表得：查表得：Fb(0-1)=0.0029Fb(0-2)=0.0242所以所以=0.9(0.0242-0.0029)=0.01924949第49页，共54页，编辑于2022年，星期四分析与思考：分析与思考：暖房的升温作用可以从本题中玻璃的单暖房的升温作用

45、可以从本题中玻璃的单色穿透率特性得到解释，太阳辐射类似于温度为色穿透率特性得到解释，太阳辐射类似于温度为5800K的黑体辐射，暖房内物体的辐射类似于温度为的黑体辐射，暖房内物体的辐射类似于温度为300K的黑体辐射，由于玻璃的选择透射而使太阳热辐的黑体辐射，由于玻璃的选择透射而使太阳热辐射易于进入，暖房内物体热辐射不易透出，从而使暖射易于进入，暖房内物体热辐射不易透出，从而使暖房温度升高。房温度升高。5050第50页，共54页，编辑于2022年，星期四4.面积为面积为A1=410-4m2温度为温度为T1=1000K的漫射表面向半球空的漫射表面向半球空间发出热辐射，间发出热辐射，在与辐射表面法线成

46、在与辐射表面法线成45 方向距离为方向距离为1m处安置处安置一直径为一直径为20mm的热流计探头，测得该处的热流为的热流计探头，测得该处的热流为1.210-3W，探头表面的吸收比取为探头表面的吸收比取为1。试确定辐射表面的黑度。试确定辐射表面的黑度。解：探头对辐射表面构成的立体角为解：探头对辐射表面构成的立体角为:5151第51页，共54页，编辑于2022年，星期四在在1000K下黑体的辐射力为：下黑体的辐射力为：Eb=5.6710-810004=5.67104(W/m2)由：由：5252第52页，共54页，编辑于2022年，星期四5.一表面的光谱反射比与波长之间的关系如下：对于波长一表面的光谱反射比与波长之间的关系如下：对于波长小于小于4的热辐射，其反射比的热辐射，其反射比 ，对于波长大于，对于波长大于4的热辐射，的热辐射，其反射比其反射比 。试确定该表面对温度为。试确定该表面对温度为1000K的黑体辐射的的黑体辐射的吸收比。吸收比。解：解：查黑体辐射函数：查黑体辐射函数：5353第53页，共54页，编辑于2022年，星期四作业作业8-18-1，8-168-165454第54页，共54页，编辑于2022年，星期四