1、第七章第七章 熱輻射基本定及熱輻射基本定及物體的輻射特性物體的輻射特性7-1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念1. 1. 熱輻射特點(diǎn)熱輻射特點(diǎn)(1)(1) 定義定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量；能量；(2)(2) 特點(diǎn)特點(diǎn)：a a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 0 K K，就會(huì)，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b b 可以在真空中可以在真空中傳播；傳播；c c 伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d d 具有強(qiáng)烈的方具有強(qiáng)烈的方向性；向性；e e 輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)

2、；f f 發(fā)射輻發(fā)射輻射取決于溫度的射取決于溫度的4 4次方。次方。2. 2. 電磁波譜電磁波譜 電磁輻射包含了多種形式，如圖電磁輻射包含了多種形式，如圖7-17-1所示，而所示，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射我們所感興趣的，即工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為區(qū)域一般為0.11000.1100mm。電磁波的傳播速度：電磁波的傳播速度： C = f C = f 式中：式中：f f 頻率，頻率，s-1; s-1; 波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，mm電電 磁磁 輻輻 射射 波波 譜譜圖圖7-17-1 當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和

3、穿透，如圖種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖7-27-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ3.3. 物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透 圖圖7.2 7.2 物體對(duì)熱輻射的吸收反射和穿透物體對(duì)熱輻射的吸收反射和穿透對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于不含顆粒的氣體：對(duì)于不含顆粒的氣體：對(duì)于黑體：對(duì)于黑體： 鏡體或白體：鏡體或白體：透明體：透明體：1111,01,0反射又分鏡反射和漫反射兩種反射又分鏡反射和漫反射兩種圖圖7-3 鏡反射鏡反射圖圖7-4 漫反射漫反射1.1.黑體概念黑體概念 黑體：黑體：是指能吸收投入到是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的其

4、面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。但卻可以人工制造在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。出近似的人工黑體。圖圖7-5 7-5 黑體模型黑體模型7-2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律輻射力輻射力E E： 單位時(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)單位時(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。射的所有波長(zhǎng)的能量總和。 (W/m2)；光譜輻射力光譜輻射力EE： 單位時(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)( (包含某一給定包含某一給定波長(zhǎng)波長(zhǎng)) )，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的，物體的

5、單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。能量。 (W/m3)；2.2.熱輻射能量的表示方法熱輻射能量的表示方法E E、E E關(guān)系關(guān)系: :顯然，顯然， E E和和EE之間具有如下關(guān)系：之間具有如下關(guān)系：dEE0黑體一般采用下標(biāo)黑體一般采用下標(biāo)b b表示，如黑體的輻射力表示，如黑體的輻射力為為E Eb b，黑體的，黑體的光譜輻射力光譜輻射力為為E Ebb3.黑體輻射的三個(gè)基本定律及相關(guān)性質(zhì)黑體輻射的三個(gè)基本定律及相關(guān)性質(zhì)1)(512TcbecE式中，式中， 波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，m m ； T T 黑體溫度，黑體溫度，K K ； c c1 1 第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，3.7423.7421010-16-16

6、W W m m2 2； c c2 2 第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.43881.43881010-2-2 W W K K； (1)Planck(1)Planck定律定律( (第一個(gè)定律第一個(gè)定律) )：圖圖7-6 Planck 7-6 Planck 定律的圖示定律的圖示(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律( (第二個(gè)定律第二個(gè)定律) )： 40)(51012TdecdEETcbb式中，式中，= 5.67= 5.6710-8 w/(m210-8 w/(m2 K4)K4)， 是是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常數(shù)。

7、常數(shù)。 圖圖7-67-6是根據(jù)上式描繪的黑體光譜輻射力隨是根據(jù)上式描繪的黑體光譜輻射力隨波長(zhǎng)和溫度的依變關(guān)系。波長(zhǎng)和溫度的依變關(guān)系。m m與與T T 的關(guān)系由的關(guān)系由WienWien位位移定律給出：移定律給出：KmTm3108976. 221dEEbb(3)(3)黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù)黑體在波長(zhǎng)黑體在波長(zhǎng)1 1和和2 2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力，區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力，如圖如圖7-77-7所示：所示：圖圖7-7 7-7 特定波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力特定波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù): :2211212121()40400(0)(0)2111()()bbbbbbbbE dFE dTE

8、dE dE dTFFfTfT定義：定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立球面面積除以球半徑的平方稱為立體角體角，單位：?jiǎn)挝唬簊rsr( (球面度球面度) )，如圖如圖7-87-8和和7-97-9所示：所示：ddsindd2rAc(4)(4)立體角立體角圖圖7-8 7-8 立體角定義圖立體角定義圖圖圖7-9 7-9 計(jì)算微元立體角的幾何關(guān)系計(jì)算微元立體角的幾何關(guān)系定義：定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向的單位時(shí)間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長(zhǎng)的能量，長(zhǎng)的能量，參見(jiàn)圖參見(jiàn)圖7-107-10。 dcosd),(d),(AL(5)

9、 (5) 定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度L L( ( , , ) )：(6) Lambert (6) Lambert 定律定律( (黑體輻射的第三個(gè)基本定律黑體輻射的第三個(gè)基本定律) )cosdd),(dLA 它說(shuō)明黑體的定向輻射力隨天頂角它說(shuō)明黑體的定向輻射力隨天頂角 呈余弦規(guī)律變化，見(jiàn)圖呈余弦規(guī)律變化，見(jiàn)圖7-117-11，因此，因此， LambertLambert定律也稱為余弦定律。定律也稱為余弦定律。圖圖7-10 7-10 定向輻射強(qiáng)定向輻射強(qiáng) 度的定義圖度的定義圖圖圖7-11 Lambert7-11 Lambert定律圖示定律圖示LLEdcos2沿半球方向積分上式，可獲得了半球輻射強(qiáng)度沿半

10、球方向積分上式，可獲得了半球輻射強(qiáng)度E:E: 7-3 實(shí)際固體和液體的輻射特性實(shí)際固體和液體的輻射特性1 發(fā)射率發(fā)射率v前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長(zhǎng)；射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長(zhǎng)；v真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；v因此，定義了發(fā)射率因此，定義了發(fā)射率 ( (也稱為黑度也稱為黑度) ) ：相同溫度下，：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比: :4TEEEb上面公式只是針

11、對(duì)方向和光譜平均的情況，但實(shí)際上，真實(shí)上面公式只是針對(duì)方向和光譜平均的情況，但實(shí)際上，真實(shí)表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)因此，我們需要定義因此，我們需要定義方向光譜發(fā)射率方向光譜發(fā)射率，對(duì)，對(duì)于某一指定的方向于某一指定的方向( ( , , ) ) 和波長(zhǎng)和波長(zhǎng) T, T, T, blackbody, emitted actual, , LL)()T,( T, T, T,0blackbody, 0emitted actual, TLLdLdLb對(duì)上面公式

12、在所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分，可得到對(duì)上面公式在所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分，可得到方向方向總發(fā)射率總發(fā)射率，即即實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比：與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比：T, T, T, T, T, blackbody, emitted actual, bEEEE 對(duì)于指定波長(zhǎng)，而在方向上平均的情況，對(duì)于指定波長(zhǎng)，而在方向上平均的情況，則定義了則定義了半球光譜發(fā)射率半球光譜發(fā)射率，即即實(shí)際物體的光實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比這樣，前面定義的這樣，前面定義的半球總發(fā)射率半球總發(fā)射率則可以寫為：則可以寫為： )(E)( T, T,

13、T, Tbemitted actual0blackbody, 0blackbody, TTEdEdE 半球總發(fā)射率是對(duì)所有方向和所有波長(zhǎng)半球總發(fā)射率是對(duì)所有方向和所有波長(zhǎng)下的平均下的平均 對(duì)應(yīng)于黑體的輻射力對(duì)應(yīng)于黑體的輻射力E Eb b，光譜輻射力，光譜輻射力E Eb b 和定向和定向輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度L L，分別引入了三個(gè)修正系數(shù)，即，發(fā)射，分別引入了三個(gè)修正系數(shù)，即，發(fā)射率率 ，光譜發(fā)射率，光譜發(fā)射率 ( ( ) )和定向發(fā)射率和定向發(fā)射率 ( ( ) )，其，其表表達(dá)式和物理意義達(dá)式和物理意義如下如下40)(TdEEEbb實(shí)際物體的輻射力與黑體輻射力之比實(shí)際物體的輻射力與黑體輻射力之比:

14、:bbLLLL)()()()( 實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比：輻射力之比：bEE)( 實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向?qū)嶋H物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比：輻射強(qiáng)度之比： 漫發(fā)射漫發(fā)射的概念：的概念：表面的方向發(fā)射率表面的方向發(fā)射率 ( ( ) ) 與方向無(wú)關(guān)與方向無(wú)關(guān)，即，即定向輻射強(qiáng)度與方定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)向無(wú)關(guān)，滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面面，這是對(duì)大多數(shù)實(shí)際表面的一種很好的，這是對(duì)大多數(shù)實(shí)際表面的一種很好的近似。近似。圖圖7-15 幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定

15、向發(fā)射率 ( )(t=150)圖圖7-16 幾種非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率幾種非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率 ( )(t=093.3) 前面講過(guò)，黑體、灰體、白體等都是理想前面講過(guò)，黑體、灰體、白體等都是理想物體，而實(shí)際物體的輻射特性并不完全與這些理物體，而實(shí)際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同，比如，想物體相同，比如，(1)(1)實(shí)際物體的輻射力與黑實(shí)際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見(jiàn)圖體和灰體的輻射力的差別見(jiàn)圖7-147-14；(2)(2) 實(shí)際物實(shí)際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；比；(3)(3) 實(shí)

16、際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守LambertLambert定律，等等。所有這些差別全部歸于上定律，等等。所有這些差別全部歸于上面的系數(shù)，因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，形面的系數(shù)，因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，形式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將真實(shí)表面假式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將真實(shí)表面假設(shè)為漫發(fā)射面。設(shè)為漫發(fā)射面。圖圖7-14 實(shí)際物體、黑體實(shí)際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜和灰體的輻射能量光譜本節(jié)中，還有幾點(diǎn)需要注意本節(jié)中，還有幾點(diǎn)需要注意1.1.將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜，很難理論確定

17、，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)；常復(fù)雜，很難理論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)；2.2.服從服從LambertLambert定律的表面成為漫射表面。雖然實(shí)定律的表面成為漫射表面。雖然實(shí)際物體的定向發(fā)射率并不完全符合際物體的定向發(fā)射率并不完全符合LambertLambert定律，定律，但仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從但仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從LambertLambert定律，這有許多原因；定律，這有許多原因；3.3.物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。這說(shuō)明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本表面狀況。這說(shuō)明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及

18、外界條件。身有關(guān)，而不涉及外界條件。 上一節(jié)簡(jiǎn)單介紹了實(shí)際物體的發(fā)射情況，那么當(dāng)外界的上一節(jié)簡(jiǎn)單介紹了實(shí)際物體的發(fā)射情況，那么當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時(shí)，該物體對(duì)投入輻射吸收的輻射投入到物體表面上時(shí)，該物體對(duì)投入輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對(duì)其作出解答。情況又是如何呢？本節(jié)將對(duì)其作出解答。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with what happens to _, while emissivity deals with _1. 1. 投入輻射投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能總輻射能 2

19、. 2. 選擇性吸收選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波此，實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變化，這叫選擇性吸收長(zhǎng)的不同而變化，這叫選擇性吸收首先介紹幾個(gè)概念：首先介紹幾個(gè)概念：7-4 7-4 實(shí)際固體的吸收比和基爾霍夫定律實(shí)際固體的吸收比和基爾霍夫定律3. 3. 吸收比吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用常用 表示表示，即，即)(投入輻射投入的能量吸收的能量4 4 光譜吸收比光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，

20、也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波收的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。能量投入的某一特定波長(zhǎng)的能量吸收的某一特定波長(zhǎng)的),(1T圖圖7-177-17和和7-187-18分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系。收比同波長(zhǎng)的關(guān)系。圖圖7-17 金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系圖圖7-18 7-18 非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系灰體灰體：光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體。：光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)

21、的物體稱為灰體。此時(shí)，不管投入輻射的分布如何，吸收比此時(shí)，不管投入輻射的分布如何，吸收比 都是同都是同一個(gè)常數(shù)。一個(gè)常數(shù)。根據(jù)前面的定義可知，根據(jù)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)的溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分性質(zhì)的溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布有關(guān)布有關(guān)。設(shè)下標(biāo)。設(shè)下標(biāo)1 1、2 2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體投入輻射的物體，則物體1 1的吸收比為的吸收比為)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質(zhì)表面的性質(zhì)，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbb圖圖7-

22、187-18給出了一些材料對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。給出了一些材料對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。如果投入輻射來(lái)自黑體，由于如果投入輻射來(lái)自黑體，由于 ，則上式可變?yōu)椋瑒t上式可變?yōu)?),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性質(zhì)表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb圖圖7-19 7-19 物體表面對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系物體表面對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系(1)(1)灰體法灰體法，即將光譜吸收比，即將光譜吸收比 ( ( ) ) 等效為等效為常數(shù)，即常數(shù)，即 = = ( ( ) = c

23、onst) = const。并將。并將 ( ( ) )與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體，與黑體類似，與黑體類似，它也是一種理想物體，但對(duì)于大部分工程它也是一種理想物體，但對(duì)于大部分工程問(wèn)題來(lái)講，灰體假設(shè)帶來(lái)的誤差是可以容問(wèn)題來(lái)講，灰體假設(shè)帶來(lái)的誤差是可以容忍的；忍的；(2)(2)譜帶模型法譜帶模型法，即將所關(guān)心的連續(xù)分布的，即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域譜帶區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域被稱為一個(gè)譜帶，在每個(gè)譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體被稱為一個(gè)譜帶，在每個(gè)譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體假設(shè)。假設(shè)。發(fā)射輻射與吸收輻射二者之間的聯(lián)系發(fā)射輻射與吸收輻射二者之間的聯(lián)系： 最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無(wú)限大平板間最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無(wú)限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。如圖的熱力學(xué)平衡方法。如圖7-207-20所示，板所示，板1 1時(shí)黑體，板時(shí)黑體，板2 2是任意物體，參數(shù)分別為是任意物體，參數(shù)分別為E Eb b, , T T1 1 以及以及E E, , , T, T2 2，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有有 bbEEEE圖圖7-20 7-20 平行平板間