1、第四章第四章 輻射換熱輻射換熱u 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念u 熱輻射的基本定律熱輻射的基本定律u 實際物體的輻射實際物體的輻射第第4-1節節 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念l 熱輻射的本質熱輻射的本質 在物體內，在物體內，當原子內部的電子受激和振動時，產生交替變當原子內部的電子受激和振動時，產生交替變化的電場和磁場，發出的磁波向空間傳播，這就是輻射。化的電場和磁場，發出的磁波向空間傳播，這就是輻射。 輻射有一個重要特點，就是它是輻射有一個重要特點，就是它是“對等的對等的”。不論物體。不論物體( (氣體氣體) )溫度高低都向外輻射，甲物體可以向乙物體輻射，同溫度高低都向外輻射，甲物體可

2、以向乙物體輻射，同時乙也可向甲輻射。這一點不同于傳導，傳導是單向進行的。時乙也可向甲輻射。這一點不同于傳導，傳導是單向進行的。 發射輻射能是各類物質的固有特性。由于激發的發射輻射能是各類物質的固有特性。由于激發的原因原因不不同，所產生的電磁波波長就不同，它們投射到物體上產生的同，所產生的電磁波波長就不同，它們投射到物體上產生的效應也不同。如果是由于自身溫度或熱運動的原因而激發的效應也不同。如果是由于自身溫度或熱運動的原因而激發的電磁波傳播，就稱為熱輻射。電磁波傳播，就稱為熱輻射。 各類電磁波的波長分布如圖各類電磁波的波長分布如圖4-1。波長波長=0.380.76m的電磁波屬可見光，的電磁波屬可

3、見光，波長波長1000m的電磁波是無線電波。的電磁波是無線電波。 熱輻射的熱輻射的波長波長主要集中在主要集中在=0.11000m的的范圍內，范圍內，其其中包括可見光線，部分紫外線和部分紅外線，它們投射到物中包括可見光線，部分紫外線和部分紅外線，它們投射到物體上能產生熱效應。體上能產生熱效應。圖圖 4-1 電磁波波譜電磁波波譜l 熱輻射的特點熱輻射的特點 熱射線的本質決定了熱輻射過程有以下特點：熱射線的本質決定了熱輻射過程有以下特點： 1、它不依靠物質的接觸而進行熱量傳遞它不依靠物質的接觸而進行熱量傳遞 導熱和對流換熱都必須有冷熱物體直接接觸或通過中間導熱和對流換熱都必須有冷熱物體直接接觸或通過

4、中間介質相接觸才能進行。介質相接觸才能進行。 2、輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉化輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉化 即物體的部分內能轉化為電磁波能發射出去，當其輻射即物體的部分內能轉化為電磁波能發射出去，當其輻射到另一物體表面而被吸收時，電磁能到另一物體表面而被吸收時，電磁能又又轉化為內能。轉化為內能。 3、一切物體只要溫度大于絕對零度，都不斷地發射熱射線一切物體只要溫度大于絕對零度，都不斷地發射熱射線 即使各物體的溫度相同，輻射換熱仍在不斷進行，只是即使各物體的溫度相同，輻射換熱仍在不斷進行，只是每一物體輻射出去的能量等于吸收的能量，處于動態平衡。每一物體輻射出去的能量等于吸收的能量

5、，處于動態平衡。l 吸收、反射與透射吸收、反射與透射 與可見光一樣，當熱輻射能投射到實際物體表面上時，與可見光一樣，當熱輻射能投射到實際物體表面上時，將有一部分被物體表面吸收，有一部分被物體反射，其將有一部分被物體表面吸收，有一部分被物體反射，其余部分透過物體，如動畫余部分透過物體，如動畫4 4-1所示。所示。動畫動畫 4-1 物體對熱輻射的吸收、反射和穿透物體對熱輻射的吸收、反射和穿透 單位時間內投射到單位面積物體表面上的全波長范圍單位時間內投射到單位面積物體表面上的全波長范圍內的輻射能稱為內的輻射能稱為投入輻射投入輻射，用，用 q q 來表示。其中被物體吸收、來表示。其中被物體吸收、反射和

6、透射的部分分別為反射和透射的部分分別為 q q 、q q 和和 q q，所占的份額分別，所占的份額分別為：為： = q= q/q /q ； = q= q/q /q ； = q= q/q /q ；、分別為物體對投射輻射能的吸收比、分別為物體對投射輻射能的吸收比、反射比反射比與與透射比。透射比。 據能量守恒定律，據能量守恒定律，q = qq = q + q + q + q + q （式（式5-15-1） 則，則， += 1 += 1 （式（式5-25-2）（1）如果吸收比）如果吸收比= 1，則表明該物體能吸收全波長域的，則表明該物體能吸收全波長域的所有輻射能，稱為絕對黑體。它吸收熱輻射的能力最強。

7、所有輻射能，稱為絕對黑體。它吸收熱輻射的能力最強。（2）如果）如果= 1= 1，則表明該物體能反射所有投射來的輻射，則表明該物體能反射所有投射來的輻射能，稱為絕對白體，簡稱白體。能，稱為絕對白體，簡稱白體。（3 3）如果）如果= 1= 1，則表明該物體能全部透過投射來的輻射，則表明該物體能全部透過投射來的輻射能，稱為絕對透明體，簡稱透明體。能，稱為絕對透明體，簡稱透明體。v黑體黑體 = 1= 1的物體稱為黑體，黑體是一種的物體稱為黑體，黑體是一種理想物體，在自然界是不存在的，不過理想物體，在自然界是不存在的，不過有有些物質很接近黑體，如瀝青（些物質很接近黑體，如瀝青（=0.98）雪和霜（雪和霜

8、（=0.97）等。也可制造出接近）等。也可制造出接近于黑體的模型，如圖于黑體的模型，如圖4-2。 人工黑體模型：一個內表面吸收比較高的空腔，空腔的壁面上有一個人工黑體模型：一個內表面吸收比較高的空腔，空腔的壁面上有一個小孔。只要小孔的尺寸與空腔相比足夠小，則從小孔進入空腔的輻射能小孔。只要小孔的尺寸與空腔相比足夠小，則從小孔進入空腔的輻射能經過空腔壁面的多次吸收和反射后，幾乎全部被吸收，相當于小孔的吸經過空腔壁面的多次吸收和反射后，幾乎全部被吸收，相當于小孔的吸收比接近于收比接近于1，即接近于黑體。，即接近于黑體。 黑體研究的重要意義：由于實際物體的熱輻射特性和規律非常復雜，黑體研究的重要意義

9、：由于實際物體的熱輻射特性和規律非常復雜，所以人們首先研究黑體輻射的性質和規律，把實際物體的輻射特性與之所以人們首先研究黑體輻射的性質和規律，把實際物體的輻射特性與之比較，找出與黑體輻射的區別，再將黑體輻射的規律進行修正后用于實比較，找出與黑體輻射的區別，再將黑體輻射的規律進行修正后用于實際物體。際物體。圖圖 4-2 人工黑體模型人工黑體模型 反射比反射比 = 1 的物體稱為鏡體（或白體）。拋光的的物體稱為鏡體（或白體）。拋光的金屬表面接近白體（金屬表面接近白體（ = 0.97） 透射比透射比 = 1 的物體稱之為絕對透明體。鏡體、絕的物體稱之為絕對透明體。鏡體、絕對透明體與黑體一樣，都是一種

10、理想物體，自然界中并對透明體與黑體一樣，都是一種理想物體，自然界中并不存在。不存在。 另外，不能憑物體顏色的黑白來判斷它對熱輻射另外，不能憑物體顏色的黑白來判斷它對熱輻射吸收比的大小。例如，白雪對紅外線的吸收比高達吸收比的大小。例如，白雪對紅外線的吸收比高達0.97；白布和黑布對可見光的吸收比差別很大，但對；白布和黑布對可見光的吸收比差別很大，但對紅外線的吸收比基本相同紅外線的吸收比基本相同.l 鏡反射與漫反射鏡反射與漫反射 物體表面對熱輻射的反射有兩種現象：鏡反射與漫反物體表面對熱輻射的反射有兩種現象：鏡反射與漫反射。鏡反射的特點是反射角等于入射角，如動畫射。鏡反射的特點是反射角等于入射角，

11、如動畫4-2所示所示 漫反射時被反射的輻射能在物體表面上方空間各個方漫反射時被反射的輻射能在物體表面上方空間各個方向上均勻分布，如動畫向上均勻分布，如動畫4-3所示。所示。動畫動畫 4-2 鏡反射鏡反射動畫動畫 4-3 漫反射漫反射1、鏡反射、漫反射的條件：、鏡反射、漫反射的條件： 取決于物體表面的粗糙程度和投射輻射能的波長。取決于物體表面的粗糙程度和投射輻射能的波長。 當物體表面粗糙度當物體表面粗糙度投投時，產生鏡反射，例如高度拋時，產生鏡反射，例如高度拋光的金屬表面就會產生鏡反射；光的金屬表面就會產生鏡反射； 當物體表面粗糙度當物體表面粗糙度投投時，產生漫反射。時，產生漫反射。2、 之間的

12、關系之間的關系 一般固體、液體都是不透明體，即一般固體、液體都是不透明體，即 = 0，則式則式4-2 可簡化為：可簡化為： += 1 = 1 （式（式4-34-3） 可見，固體和液體材料如果吸收能力大，則反射能力可見，固體和液體材料如果吸收能力大，則反射能力小，反之，吸收能力小，則反射能力大。小，反之，吸收能力小，則反射能力大。 氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，即氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，即= 0= 0，則式則式4-24-2簡化為：簡化為： + = 1 = 1 （式（式4-44-4） 可見，透射性好的氣體吸收能力差，透射性差的氣體可見，透射性好的氣體吸收能力差，透射性差的氣體吸收能力好。吸收

13、能力好。平面角的度量：所對的弧長平面角的度量：所對的弧長s除以半徑除以半徑r，即，即 = s/r （式（式4-5）立體角的度量：半球表面上立體角的度量：半球表面上被立體角所切割的面積被立體角所切割的面積da2除除以半徑的平方以半徑的平方r2, 即，即， （式（式4-6）第第4-2節節 輻射基本定律輻射基本定律l 輻射能量與輻射力輻射能量與輻射力1 1、輻射能量的表示方法：方向角和立體角、輻射能量的表示方法：方向角和立體角 輻射能是按空間方向分布的，在不同方向上有不同的數值；輻射能是按空間方向分布的，在不同方向上有不同的數值； 輻射能又是按波長分布的，不同波長具有不同的能量。輻射能又是按波長分布

14、的，不同波長具有不同的能量。 圖圖 4-3 立體角立體角221rdad2 2、輻射強度：、輻射強度：i(i(單位：單位：w/mw/m2 2sr)sr) 定義：物體表面在某輻射方向上的單位投影面積，在定義：物體表面在某輻射方向上的單位投影面積，在單位時間、單位立體角內發射的全波域的能量，稱為輻單位時間、單位立體角內發射的全波域的能量，稱為輻射強度或定向輻射強度。射強度或定向輻射強度。表達式為：表達式為：圖圖 4-4 輻射強度的定義輻射強度的定義單色輻射強度（單色輻射強度（i i）：）： 輻射波長輻射波長在在dd范范圍內發射的能量。圍內發射的能量。表達式為表達式為: : （式（式4-8） （式（式

15、4-9）（式（式4-7） ddii0 diicos1112daddqi 3 3、輻射力：、輻射力： e（單位：單位：w/m2 ） 定義：在單位時間內，每單位面積的物體表面發射定義：在單位時間內，每單位面積的物體表面發射的全部波長的輻射能總和稱為該物體表面的的全部波長的輻射能總和稱為該物體表面的輻射力輻射力。e 與與 i 的關系：的關系： （式（式4-10）單色輻射力（單色輻射力（ e ） （式（式4-11）定向輻射力（定向輻射力（ e ） （式（式4-12） ddeeie coscosiel 熱輻射的基本定律熱輻射的基本定律1、普朗克定律、普朗克定律 1900年，普朗克（年，普朗克（m.pla

16、nckm.planck）根據量子理論，揭示）根據量子理論，揭示了黑體單色輻射力了黑體單色輻射力 與與t t、之間的函數關系，稱為普之間的函數關系，稱為普朗克定律，朗克定律，即：即：（式（式4-13）1251tcbece be2、 隨隨t、變化的規律變化的規律 黑體輻射力相當于絕對溫度黑體輻射力相當于絕對溫度t曲線下的面積，由圖可知：曲線下的面積，由圖可知：（1） 黑體的輻射力隨著波長的增加，先增大，后減小。黑體的輻射力隨著波長的增加，先增大，后減小。（2） 隨著溫度的升高，隨著溫度的升高，t曲線下的面積增大，黑體輻射力增強，曲線下的面積增大，黑體輻射力增強，而且而且 所對應的所對應的 ，也隨著

17、，也隨著t t 的增加，曲線峰值向左移動，的增加，曲線峰值向左移動，移向較短的移向較短的， t t與與的關系：的關系： （式（式4-144-14） 表明表明 與與 t t 成反比例規律，成反比例規律，稱為維恩位移定律。稱為維恩位移定律。kmtm 6 .2897maxemax max 圖圖 4-3be2、斯特藩、斯特藩-波爾茲曼定律（四次方定律）波爾茲曼定律（四次方定律）（1）表達式）表達式 該定律主要用于確定黑體的輻射力，由普朗克表達式積該定律主要用于確定黑體的輻射力，由普朗克表達式積分而來，即分而來，即 積分后，得積分后，得 或或 其中，其中， b 黑體輻射常數，黑體輻射常數，5.6710-

18、8 w/m2k4 cb 黑體輻射系數，黑體輻射系數， 5.67 w/m2k4表明黑體輻射力僅與溫度有關，與表明黑體輻射力僅與溫度有關，與 t4 成正比。成正比。（式（式4-15）（式（式4-16） decetcb051124tebb 4100tcebb（2）黑體輻射函數）黑體輻射函數 工程上，為確定某波段的輻射能，常把波段內的輻射能表工程上，為確定某波段的輻射能，常把波段內的輻射能表示為占同溫度下黑體輻射力示為占同溫度下黑體輻射力 eb 的百分數，稱為黑體輻射函數。的百分數，稱為黑體輻射函數。 例如（例如（0-1）波段內的輻射能占溫度為）波段內的輻射能占溫度為t的黑體輻射力的百的黑體輻射力的百

19、分數為分數為4 40 0t tc c2 25 51 10 0d d1 1e ec cd d1 11 1t te ee ea ab bb b- -0 0b b1 1t （0-2）波段內的輻射能占溫度為）波段內的輻射能占溫度為t的黑體輻射力的百分數為：的黑體輻射力的百分數為：4 40 0t tc c2 25 51 1b b0 0b b) )- -( (0 0d d1 1e ec cd d2 22 22 2t te ee ea at tb b則（則（1-2）波段的輻射能占溫度為）波段的輻射能占溫度為t的黑體輻射力的百分數為：的黑體輻射力的百分數為：) )- -( (0 0) )- -( (0 0)

20、)( (1 12 22 21 1b bb bb ba aa aa ab bb bb bb be ea aa ae e) )- -( (0 0) )- -( (0 0 ) )( (1 12 22 21 1根據（根據（t）, 查表可確定查表可確定 和和（式（式5-17）) )- -( (0 01 1b ba a)2 2- -( (0 0b ba a3、蘭貝特定律、蘭貝特定律 黑體的輻射強度與方向無關，即在半球空間各個方向上黑體的輻射強度與方向無關，即在半球空間各個方向上的輻射強度都相等。的輻射強度都相等。（式（式4-18）（式（式4-19）c co os sc co os sn ne ei ie

21、en n2 21 1i ii ii i第第4-34-3節節 實際物體的輻射實際物體的輻射l 實際物體的輻射與吸收特性實際物體的輻射與吸收特性輻射及吸收特性：輻射及吸收特性： 實際物體的輻射力比黑體的要小，而且隨著實際物體的輻射力比黑體的要小，而且隨著不規則的變化，不規則的變化，其變化規律完全不同于黑體和灰體。如圖其變化規律完全不同于黑體和灰體。如圖4-4。實際物體的輻射力不嚴格遵守溫度的四次方定律實際物體的輻射力不嚴格遵守溫度的四次方定律; 輻射能在空間的分布不嚴格遵守蘭貝特定律，在各個方向上不輻射能在空間的分布不嚴格遵守蘭貝特定律，在各個方向上不完全相等。完全相等。4100tceebb圖圖

22、4-4 實際物體、灰體與黑體的單色輻射力和吸收率實際物體、灰體與黑體的單色輻射力和吸收率l 基爾霍夫定律基爾霍夫定律1 1、表達式的推導過程、表達式的推導過程2 2、表達式、表達式 （式（式4-194-19） 在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和它的吸收率的比在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和它的吸收率的比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力。值，恒等于同溫度下黑體的輻射力。基爾霍夫定律確定了實際物體的輻射和吸收率之間的聯系。基爾霍夫定律確定了實際物體的輻射和吸收率之間的聯系。 與物體發射率的定義式相比較，可以得到基爾霍夫定律與物體發射率的定義式相比較，可以得到基爾霍夫定律的另一表達式：的另一表達式： = = （式（式4-204-20） 該式表明該式表明, ,在溫度平衡的條件下在溫度平衡的條件下, ,實際物體的吸收率等于實際物體的吸收率等于其發射率其發射率, ,或物體的輻射能力