传热学热辐射基本定律PPT讲稿.ppt

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1、传热学热辐射基本定律第1页，共56页，编辑于2022年，星期三8-1 基本概念基本概念1 1、热辐射的本质与特点、热辐射的本质与特点辐射辐射是是电磁波电磁波传递能量的现象。传递能量的现象。按照产生电磁波的不同原因可以得到按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率不同频率的电磁波，的电磁波，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、红红外外线线、可可见见光、紫外线、光、紫外线、X X射线、及射线、及射线射线等各种电磁波。等各种电磁波。第2页，共56页，编辑于2022年，星期三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改改变变时时激

2、激发发出出来的。来的。辐辐射射是是物物体体固固有有特特性性，只只要要物物体体温温度度高高于于0 0 K K，物物体体总总是是不不断断的的把热能转变为辐射能。把热能转变为辐射能。物物体体亦亦不不断断地地吸吸收收周周围围物物体体投投射射到到它它上上面面的的热热辐辐射射，并并把把吸吸收的辐射能重新转变成热能。收的辐射能重新转变成热能。辐射换热辐射换热就是物体之间相互就是物体之间相互辐射和吸收辐射和吸收的的总效果总效果。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。第3页，共56页，编辑于2022

3、年，星期三电磁辐射波谱电磁辐射波谱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0.38100m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（0.7620m）范范围内，围内，可见光区段可见光区段（0.380.76m）热辐射能量的比）热辐射能量的比重不大。重不大。对对于于太太阳阳辐辐射射（5800k），主主要要能能量量集集中中在在0.22m的的波波长长范范围围内内。可可见见光区光区段段占有很大的比重占有很大的比重。第4页，共56页，编辑于2022年，星期三速度速度:c=f :c=f 式中：式中：c为电磁波的

4、传播速度，在真空中为电磁波的传播速度，在真空中c=3108 m/s,f为频率，为频率，1/s，为波长，为波长，m。1m=10-6 m。辐射能：是电磁波或光子所运载的能量。辐射能：是电磁波或光子所运载的能量。每个光子的能量每个光子的能量用普朗特公式表示：用普朗特公式表示：er=hf 式中：式中：h普朗特常数，普朗特常数，h=6.62410-34 J.s量子理论量子理论认为：认为：辐射是离散化的量子化的能量束辐射是离散化的量子化的能量束第5页，共56页，编辑于2022年，星期三热辐射热辐射特点特点：a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；，就会不停地

5、向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。辐射能落在另一物体上吸收时会发生以下现象：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 迫使金属发射电子迫使金属发射电子光电效应。光电效应。第6页，共56页，编辑于2022年，星期三2 2、物体的、物体的吸收比、反射比及穿透比吸收比、反射比及穿透比 当热辐射的能量投

6、射到物体表面上时，和可见光一当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，会发生样，会发生吸收吸收、反射反射和和穿透穿透现象。现象。第7页，共56页，编辑于2022年，星期三辐射能的吸收、反射和投射辐射能的吸收、反射和投射吸收吸收热热能能 低温物体低温物体热能高温高温物体物体辐射能流（热射线）辐射能流（热射线）GGRGDGA穿透穿透 与中间介质无关而与中间介质无关而由电磁波传输由电磁波传输反射反射 第8页，共56页，编辑于2022年，星期三式式中中：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收比吸收比、反射比反射比和和穿透比穿透比，记为，记为、。（1

7、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收收完完了了。金金属属导导体体只只有有1m1m，大大多多数数非非导导电电材材料料为为1mm1mm。则则=0=0。于于是是，对于固体和液体，对于固体和液体，+=1 +=1 善于吸收就不善于反射善于吸收就不善于反射 第9页，共56页，编辑于2022年，星期三镜反射镜反射漫反射漫反射镜面反射和漫反射镜面反射和漫反射当表面的当表面的不平整尺寸不平整尺寸小于小于投入辐射的波长投入辐射的波长时，形成时，形成镜面反射镜面反射。（例如高。（例如高度磨光的金属板）。度磨光的金属板）。当表面的

8、当表面的不平整尺寸不平整尺寸大于大于投入辐射的波长投入辐射的波长时，形成时，形成漫反射漫反射，这时从某一，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。方向投射到物体表面上的辐射向空间各个方向反射出去。一般一般工程材料工程材料的表面都形成的表面都形成漫反射漫反射。第10页，共56页，编辑于2022年，星期三辐辐射射能能投投射射到到气气体体上上时时，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，=0=0，从而，从而 +=1 +=1 即即吸收性大的气体，其穿透比就差吸收性大的气体，其穿透比就差。对于对于固体和液体固体和液体呈现的吸收和反射特性呈现的吸收和反射特性不涉及物体

9、的内不涉及物体的内部部。因此。因此物体表面状况物体表面状况对辐射特性的影响至关重要。对辐射特性的影响至关重要。对于对于气体气体，辐射和吸收在整个气体容积中进行，辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状表面状况则无关紧要况则无关紧要。第11页，共56页，编辑于2022年，星期三特例特例 =1=1的物体叫做绝对的物体叫做绝对黑体黑体。=1=1的物体叫做绝对的物体叫做绝对白体白体。=1=1的物体叫做绝对的物体叫做绝对透明体透明体。u显显然然黑黑体体、白白体体和和透透明明体体都都是是假假定定的的理理想想物物体体。第12页，共56页，编辑于2022年，星期三黑体的吸收比黑体的吸收比=1=1，意味着黑体能全

10、部吸收各种波长的辐射能。，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自然界中并不存在黑体，但可以用人工的方法制造。，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，吸收比就越很小，小孔面积越小，吸收比就越11。若小孔面积。若小孔面积/孔腔面积小于孔腔面积小于0.60.6，内壁吸收率为内壁吸收率为0.60.6时，小孔的吸收比可大

11、于时，小孔的吸收比可大于0.9960.996。就辐射特性而言，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质小孔具有黑体表面一样的性质。黑体模型黑体模型黑体模型黑体模型第13页，共56页，编辑于2022年，星期三黑体黑体在热辐射分析中的在热辐射分析中的特殊重要性特殊重要性在相同温度的物体中，在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大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辐射的思路是：把其他物体辐射与黑体辐射相比较，从是：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，然后确定必要的中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定

12、必要的修正系数修正系数。第14页，共56页，编辑于2022年，星期三8-2 黑体辐射黑体辐射的基本定律的基本定律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（1 1）辐射力辐射力E：单位时间单位时间内物体的内物体的单位表面积单位表面积向向半球空间半球空间所有所有方向发射出去的方向发射出去的全部波长的辐射能全部波长的辐射能的总量，的总量，W/mW/m2 2。辐射力从总体上表征物体辐射力从总体上表征物体发射辐射能本领的大小发射辐射能本领的大小。第15页，共56页，编辑于2022年，星期三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 2）单色辐射力）单色辐射力E E：在

13、热辐射的整个波谱内，不同波长发射出的辐：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。射能是不同的。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某一特定波长定波长的辐射能。称为的辐射能。称为单色辐射力单色辐射力。W/m3对对特定波长特定波长来说：从来说：从到到+d区间发射出的能量为区间发射出的能量为dE。第16页，共56页，编辑于2022年，星期三2 黑体辐射黑体辐射的的基本定律基本定律及相关性质及相关性质可以归结为三个定律可以归结为三个定律:普朗克定律普朗克定律斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律兰贝特定律兰贝特定

14、律第17页，共56页，编辑于2022年，星期三 式中，式中，波长，波长，m m；T T 黑体温度，黑体温度，K K；c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.742103.74210-16-16 W W m m2 2；c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.4388101.438810-2-2 W W K K；(1)(1)普朗克定律普朗克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黑体单色单色辐射力辐射力与波长和温度与波长和温度的依变关系的依变关系。第18页，共56页，编辑于2022年，星期三单色辐射力随着波长的增加，单

15、色辐射力随着波长的增加，先增大先增大，然后又减小然后又减小。第19页，共56页，编辑于2022年，星期三最大单色辐射力最大单色辐射力所对应的波长所对应的波长mm与温度与温度T T之间存在着如下关系：之间存在着如下关系：维恩位移维恩位移定律定律随着温度的增高，随着温度的增高，曲曲线的峰值向左移动，线的峰值向左移动，即移向较短的波长。即移向较短的波长。第20页，共56页，编辑于2022年，星期三在在工工业业上上的的一一般般高高温温范范围围内内（2000K2000K），maxmax在在红红外外线线区段。区段。太阳辐射太阳辐射（5800k5800k）mm则位于则位于可见光区段可见光区段。实实际际物物体

16、体的的单单色色辐辐射射力力按按波波长长分分布布的的规规律律与与普普朗朗克克定定律不同，但律不同，但定性上是一致定性上是一致的。的。如如加加热热金金属属，500500以以下下，金金属属发发出出的的基基本本是是红红外外线线，没没有有可可见见光光，金金属属呈原色，呈原色，600600以上，金属相继呈现暗红、红、黄，超过以上，金属相继呈现暗红、红、黄，超过13001300开始发白。开始发白。例题例题8-1 P212第21页，共56页，编辑于2022年，星期三(2)(2)斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼玻尔兹曼定律定律(第二个定律第二个定律)：在热辐射分析计算中，确定在热辐射分析计算中，确定黑体的辐射力黑体的辐射力

17、至关重要。由普至关重要。由普朗克定律知：朗克定律知：式中，式中，=5.6710=5.6710-8-8 W/(m W/(m2 2 K K4 4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。为了计算为了计算高温辐射高温辐射的方便，有时把上式改写成如下形式：的方便，有时把上式改写成如下形式：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)。第22页，共56页，编辑于2022年，星期三在在许许多多实实际际问问题题中中，往往往往需需要要确确定定某某一一特特定定波波长长区区段段内内的的辐辐射射能能量量。黑体黑

18、体在在1 1,2 2 区段所发出的辐射能为区段所发出的辐射能为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-）的的百百分分数数，记记为为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体辐射力的百分数黑体辐射力的百分数。黑体辐射函数黑体辐射函数第23页，共56页，编辑于2022年，星期三f(T)称为称为黑体辐射函数黑体辐射函数。为计算方便，黑体辐射函数。为计算方便，黑体辐射函数f(T)已已制成

19、表格供计算辐射能量份额时查用制成表格供计算辐射能量份额时查用(表表8-18-1P214)。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：射的能量可方便地由下式算出：能量份额能量份额Fb(0-)可以表示为单一变量可以表示为单一变量T的函数，即的函数，即例题例题8-28-2、8-3 P2148-3 P214第24页，共56页，编辑于2022年，星期三平面角：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

20、 式中：式中：A Ac c半球体表面被立体角切割的半球体表面被立体角切割的面积面积，r r球体的半径。球体的半径。对对半球半球，面积为，面积为2r2r2 2,立体角为立体角为22sr(sr(球面度球面度)。（3 3）兰贝特定律兰贝特定律辐射力辐射力（定义）没有指明在半球空间不同方向上的能量分布。（定义）没有指明在半球空间不同方向上的能量分布。为为了了说说明明辐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度强度的概念的概念（1）定向辐射强度定向辐射强度 先引入先引入立体角立体角的概念的概念第25页，共56页，编辑于2022年，星期三微元立体角：微

21、元立体角：d d=dA=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 d=sindd=sindd 式中：式中：纬度角，纬度角，经度角。经度角。纬度指纬线上的点与纬度指纬线上的点与球心连线和赤道面线面球心连线和赤道面线面所成的角所成的角 经度是指经线所在半经度是指经线所在半平面与本初子午线所在平面与本初子午线所在半平面所成的二面角的半平面所成的二面角的平面角平面角,是面面所成的角是面面所成的角 第26页，共56页，编辑于2022年，星期三计算微元立体角的几何关系计算

22、微元立体角的几何关系纬度角，纬度角，经度角经度角第27页，共56页，编辑于2022年，星期三定向辐射强度定向辐射强度任意微元表面在空间任意微元表面在空间指定方向指定方向上发上发射出的辐射能量的强弱，首先必须在射出的辐射能量的强弱，首先必须在相同相同的立体角的立体角的基础上比较才有意的基础上比较才有意义。义。在在不同方向不同方向上所能看到的上所能看到的辐射面辐射面积积是不一样的。是不一样的。微元辐射面微元辐射面dAdA在任意方向在任意方向p p 看到的看到的辐射面积不是辐射面积不是dAdA，而是，而是dAcosdAcos。所以，所以，不同方向上不同方向上辐射能量的强弱，辐射能量的强弱，还要在还要

23、在相同的可见辐射面积相同的可见辐射面积的基础上才的基础上才能作出合理的比较。能作出合理的比较。定向辐射强度的定义图定向辐射强度的定义图第28页，共56页，编辑于2022年，星期三 定定义义：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发射的全波长辐射量称为内发射的全波长辐射量称为定向辐射强度定向辐射强度，记为记为I I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I()I()为为定向辐射强度的单位定向辐射强度的单位是是w/(mw/(m2 2.sr).sr)。单色定向辐射强度单色定向辐射强度：在波长附近的单位波

24、长间隔内的：在波长附近的单位波长间隔内的定向辐射强度定向辐射强度第29页，共56页，编辑于2022年，星期三（2 2）兰贝特定律）兰贝特定律 理论上证明，理论上证明，黑体辐射的黑体辐射的定向辐射强度定向辐射强度与与方向无关方向无关。在半球空间的各个方向上的定向辐射强度相等：在半球空间的各个方向上的定向辐射强度相等：I()=I=I()=I=常量常量定向辐射强度与方向无关定向辐射强度与方向无关的规律称为的规律称为兰贝特定律兰贝特定律。黑体符合兰贝特定律。黑体符合兰贝特定律。对于服从兰贝特定律的辐射对于服从兰贝特定律的辐射: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单位辐射面积发出的辐

25、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，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，所以所以兰贝特定律又称余弦定律兰贝特定律又称余弦定律p定向辐射力定向辐射力：单位时间内单位时间内、单位辐射面积单位辐射面积、在、在给定方向给定方向上、上、单位立体角单位立体角内发射的全波长辐射量：内发射的全波长辐射量：第30页，共56页，编辑于2022年，星期三余弦定律表明，黑体的辐射能在空间余弦定律表明，黑体的辐射能在空间不同方向不同方向的分布是不均匀的分布是不均匀的：的：法线方向最大，切线方向为零法线方向最大，切线方向为零。对于对于服从

26、兰贝特定律的辐射服从兰贝特定律的辐射，其定向辐射强度，其定向辐射强度I I与辐射力与辐射力E E之间有如下关系：之间有如下关系：辐射力等于定向辐射强度的辐射力等于定向辐射强度的倍。倍。第31页，共56页，编辑于2022年，星期三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例题例题8-4 p216第32页，共56页，编辑于2022年，星期三 8-3 实际实际固体和液体的辐射特性固体和液体的辐射特性1 1 基

27、本概念基本概念（1 1）单色发射率单色发射率实际物体的单色辐射力往往实际物体的单色辐射力往往随波长作不规则的变化随波长作不规则的变化。单色发射率单色发射率定义定义：实际物体的单色辐射力与：实际物体的单色辐射力与同温下黑体同温下黑体的单色辐射的单色辐射力的比值。力的比值。（2 2）发射率，发射率，又称为又称为黑度黑度定义：定义：实际物体的辐射力与实际物体的辐射力与同温下黑体辐射力同温下黑体辐射力的比值的比值第33页，共56页，编辑于2022年，星期三实际物体、黑体和灰体的辐射实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱能量光谱已知黑度，实际物体的辐射力：已知黑度，实际物体的辐射力：实验发现，实验发现，实际

28、物体的辐射力实际物体的辐射力并不严格地同并不严格地同T T的四次方成正比的四次方成正比，但工程中仍按与但工程中仍按与T T的四次方成正的四次方成正比计算，因此，发射率还与温比计算，因此，发射率还与温度有依变关系。度有依变关系。第34页，共56页，编辑于2022年，星期三式中：式中：I I（）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，I I 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。（3 3）定向发射率）定向发射率实际物体辐射按空间方向的分布，实际物体辐射按空间方向的分布，亦亦不尽符合兰贝特定律不尽符合兰贝特定律，即：，即：实际物体的定向辐射强度

29、在不同方向上有些变化。实际物体的定向辐射强度在不同方向上有些变化。定向发射率的定义：定向发射率的定义：第35页，共56页，编辑于2022年，星期三几种几种非导电体材料非导电体材料在不同方向上的定向发射率在不同方向上的定向发射率()对于非导电材料，从辐射面法向对于非导电材料，从辐射面法向=0=0到到=60=60的范围内，定向发射率的范围内，定向发射率基本不变。基本不变。=60=609090时才有明显减少，直到时才有明显减少，直到=90=90为零。为零。第36页，共56页，编辑于2022年，星期三几种几种金属导体金属导体在不同方向上的定向发射率在不同方向上的定向发射率()(t=150)对于金属材料

30、，从对于金属材料，从=0=0开始，在一定角度内，定向发射率可开始，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。在接近认为是常数，然后随角度的增加急剧增大。在接近=90=90的极小角的极小角度的范围内，定向黑度又有所减少。度的范围内，定向黑度又有所减少。第37页，共56页，编辑于2022年，星期三尽尽管管实实际际物物体体的的定定向向发发射射率率有有上上述述变变化化，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发发射射率率的的比比值基本上保持不变值基本上保持不变。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,=0.9

31、5,粗粗糙糙表表面的物体面的物体=0.98=0.98。因因此此往往往往不不考考虑虑()()的的变变化化细细节节，而而近近似似的的认认为为大大多数工程材料也服从兰贝特定律多数工程材料也服从兰贝特定律。服从服从兰贝特定律兰贝特定律的表面称为的表面称为漫射表面漫射表面定向辐射强度与方向无关定向辐射强度与方向无关第38页，共56页，编辑于2022年，星期三（1 1）物体表面发射率取决于：）物体表面发射率取决于：物体的种类物体的种类（常温下白大理石（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（严严重重氧氧化化的的铝铝表表面面在在5050时时为为0.2,0.2,在

32、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发发射射率率很很低低，而而粗粗糙糙时时则很大。例无光泽黄铜则很大。例无光泽黄铜0.220.22，磨光的黄铜，磨光的黄铜0.050.05）。）。黑度只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件黑度只与发射辐射的物体本身有关，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发发射射率率数数值值很很高高，一一般般在在0.850.850.950.95之之间间，且与表面状况的关系不大，且与表面状况的关系不大，在缺乏资料时可近似取在缺乏资料时可近似取0.900.90。第39页，共56页，编辑于

33、2022年，星期三（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体相相似似，但但定定量量上上则则比比较复杂较复杂，在在工工程程计计算算中中，发发射射率率、单单色色发发射射率率及及定定向向发发射射率率仅仅在在对对表表面作精细计算时才用到。面作精细计算时才用到。无无论论是是发发射射率率、单单色色发发射射率率及及定定向向发发射射率率，它它们们仅仅取取决决于于物物体体本本身身的的温度及表面状况，与外界条件无关，即它们是温度及表面状况，与外界条件无关，即它们是物性参数物性参数。第40页，共56页，编辑于2022年，星期三8-4 8-4 实际固体实际固体的的吸收比吸收比和基尔霍夫

34、定律和基尔霍夫定律1 1实际物体的吸收特性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的投入辐射投入辐射。物体物体对投入辐射所吸收的百分数对投入辐射所吸收的百分数称为该物体的称为该物体的吸收比吸收比。实际物体的实际物体的吸收比取决于吸收比取决于两个方面的因素两个方面的因素：吸收：吸收物体本身物体本身的情况的情况（物体的种类、表面温度和表面状况）和（物体的种类、表面温度和表面状况）和投入辐射的特性投入辐射的特性。物体的物体的吸收率比发射率吸收率比发射率/黑度更为复杂黑度更为复杂。第41页，共56页，编辑于2022

35、年，星期三金属导电体的光谱吸收比同波长的关系金属导电体的光谱吸收比同波长的关系单色吸收比单色吸收比:物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数 第42页，共56页，编辑于2022年，星期三非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系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物体的单色吸收比随波长波长而异的特性称为而异的特性称为物体的物体的吸收具有选择吸收具有选择性性。工农业生产中常常利用这种工农业生产中常常利用这种选择性的吸收选择性的吸收来达到一定的目的。来达到一定的目的。第43页，共56页，编辑于2022年，星期三例如蔬菜栽培过程中使用的暖房就利用了

36、玻璃对辐射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能吸收的选择性l玻璃对玻璃对2.2mm的辐射能的吸收比很小的辐射能的吸收比很小，从而使从而使大部分大部分太阳能太阳能可以进入暖房可以进入暖房。暖房中物体的温度较低，其辐射能绝大部分位暖房中物体的温度较低，其辐射能绝大部分位于于3m3m的红外范围内，的红外范围内，p玻璃对玻璃对3mm的辐射能的吸收率很大的辐射能的吸收率很大，从而，从而阻止阻止了辐射能向暖房外的散失了辐射能向暖房外的散失 第44页，共56页，编辑于2022年，星期三（2）实际物体的单色吸收比对投入辐射的波长有实际物体的单色吸收比对投入辐射的波长有选择性选择性这一

37、事实给辐射换热的计算带来很大的困难这一事实给辐射换热的计算带来很大的困难物体的吸收比要根据物体的吸收比要根据吸收一方和发出投入辐射一方吸收一方和发出投入辐射一方两方的性质和温度确定。两方的性质和温度确定。第45页，共56页，编辑于2022年，星期三如果如果投入辐射来自黑体投入辐射来自黑体，由于，由于 ，则上式可变为，则上式可变为第46页，共56页，编辑于2022年，星期三物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系第47页，共56页，编辑于2022年，星期三（3 3）灰体的概念）灰体的概念 物体的吸收比与物体的吸收比与投入辐射投入辐射有关的这一特性给辐射换热的计

38、算带来很有关的这一特性给辐射换热的计算带来很大的不便。大的不便。起因全在于起因全在于单色吸收比对不同波长的辐射具有选择性单色吸收比对不同波长的辐射具有选择性。如果物体的如果物体的单色吸收比与波长无关单色吸收比与波长无关，即，即()=()=常数，这时物体的常数，这时物体的吸收率吸收率只取决于本身只取决于本身只取决于本身只取决于本身的情况而的情况而与外界情况无关与外界情况无关。在热辐射中，把在热辐射中，把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称为称为灰体灰体。=（）=常数，常数，灰体亦是理想物体灰体亦是理想物体，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

39、能量量位位于于0.76-10m0.76-10m）把大多数工程材料当作灰体处理引起的把大多数工程材料当作灰体处理引起的误差不大误差不大。第48页，共56页，编辑于2022年，星期三2实际物体的实际物体的辐射和吸收辐射和吸收之间的内在联系之间的内在联系基尔霍夫定律基尔霍夫定律（1）定律的导出）定律的导出 最简单的推导是用两块无限大平板间的最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法热力学平衡方法。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。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。板板1 1是黑体是黑体，板板2 2是任意物体是任意物体，参数

40、分别为，参数分别为E Eb b,T T1 1 以及以及E E,T,T2 2，平行平板间的辐射换热平行平板间的辐射换热从内表面看，板从内表面看，板2 2支出与收入的差额即为两支出与收入的差额即为两板间辐射换热的热流密度板间辐射换热的热流密度q q：q=E-Eq=E-Eb b 当当T1=T2T1=T2时，处于时，处于热平衡状态热平衡状态。q=0q=0。于是。于是上式变为上式变为:黑体黑体第49页，共56页，编辑于2022年，星期三这种关系推广到这种关系推广到任意物体任意物体时，有：时，有：也可改写为也可改写为:=E/E:=E/Eb b=上面两式就是上面两式就是基尔霍夫定律基尔霍夫定律的两种数学表达

41、式。的两种数学表达式。热热平平衡衡时时，任任意意物物体体对对黑黑体体投投入入辐辐射射的的吸吸收收比比等等于于同同温温下下该该物物体的体的发射率发射率。物物体体的的吸吸收收比比等等于于发发射射率率。这这一一结结论论是是在在“物物体体与与黑黑体体投投入入辐辐射处于射处于热平衡热平衡”这样严格的条件下才成立的。这样严格的条件下才成立的。对任意物体，其表达式：对任意物体，其表达式：(T)=(T)(,T)=(,T)黑体黑体第50页，共56页，编辑于2022年，星期三对对灰灰体体其其吸吸收收率率与与波波长长无无关关，在在一一定定的的温温度度下下是是一一个个常常数数。假假设设在在某某一一温度温度T T下，下

42、，其其基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：(,T)=(T)=(,T)T)对漫射表示，各个方向上的辐射特性相同，与方向无关：对漫射表示，各个方向上的辐射特性相同，与方向无关：(,T)=(,T)对对漫射漫射的的灰体灰体表面一定有表面一定有 (T)=(T)(T)=(T)对对于于漫漫射射灰灰体体，不不论论投投入入辐辐射射是是否否来来自自黑黑体体，也也不不论论是是否否处处于于热热平衡条件，其平衡条件，其吸收率恒等于同温下的黑度吸收率恒等于同温下的黑度。第51页，共56页，编辑于2022年，星期三层 次数学表达式成立条件光谱，定向光谱，半球光谱，定向全波段，半球无条件，为天顶角漫射表面灰表面与黑体处于热平衡或对漫

43、灰表面表表7-3 Kirchhoff 7-3 Kirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式注：注：漫射表面漫射表面：指发射或反射的指发射或反射的定向辐射强度定向辐射强度与空间方向无关，即与空间方向无关，即符合符合LambertLambert定律的物体表面；定律的物体表面；灰体灰体：单色吸收比与波长无关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。式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。例例8-5 P221第52页，共56页，编辑于2022年，星期三实际物体对辐射能的吸收具有选择性，但在工程计算的波实际物体

44、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长范围内只要单色吸收比基本上与波长无关单色吸收比基本上与波长无关，则，则灰体灰体的假的假设可以成立，设可以成立，许多工程材料许多工程材料都具有这一特点。都具有这一特点。因此手册中因此手册中只给出发射率的值而不给出吸收率的值只给出发射率的值而不给出吸收率的值。由于由于大多数情况下物体可作为灰体大多数情况下物体可作为灰体，则由基尔霍夫定律，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。即可知，物体的辐射力越大，其吸收能力也越大。即善于辐善于辐射的物体必善于吸收射的物体必善于吸收。同温下黑体的辐射最大。同温下黑体的辐射最大。第53页，

45、共56页，编辑于2022年，星期三当研究物体表面对当研究物体表面对太阳能太阳能的吸收时的吸收时，一般不能把物体作为灰一般不能把物体作为灰体体。即常温下的。即常温下的发射率发射率不能作为不能作为吸收率吸收率。太阳辐射中可见光占了将近一半，而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大多数物体对可见光波的吸收表现出收表现出强烈的选择性强烈的选择性。例如：各种颜色的油漆在常温下的黑度为例如：各种颜色的油漆在常温下的黑度为0.90.9，但在可见光范围内，但在可见光范围内，白漆的吸收比仅为白漆的吸收比仅为0.10.10.2,0.2,黑漆黑漆0.90.9以上。以上。在在夏天人们喜欢穿白色或浅

46、色的衣服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。涂层本身的发射率要小以减少散热损失。有些涂层材料的吸收比与发射率之比可高达有些涂层材料的吸收比与发射率之比可高达8 81010倍。倍。第54页，共56页，编辑于2022年，星期三思考题思考题1 1什么是黑体什么是黑体,灰体灰体?实际物体在什么样的条实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体件下可以看成是灰体?2 2物体的吸收率、反射率、穿透率是怎样定义物体的吸收率、反射率、穿透率是怎样定义的的?第55页，共56页，编辑于2022年，星期三作业作业 p214v9v13第56页，共56页，编辑于2022年，星期三