1、文檔來(lái)源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持9.熱輻射基本定律及物體的輻射特性9.1知識(shí)結(jié)構(gòu)1. 輻射換熱的特點(diǎn)；2. 基本定律（Planek,Wien,S-B,Lambert,Kirchoff（推論）;3. 定義：黑體，灰體，黑度（發(fā)射率），光譜黑度，定向黑度，吸收比，光譜吸收比，輻射力，光譜輻射力，定向輻射力，定向輻射強(qiáng)度9.2重點(diǎn)內(nèi)容剖析熱輻射的基本概念一、熱輻射的物理本質(zhì)（改變物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)（改變物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)輻射一一物體通過(guò)電磁波傳遞能量的現(xiàn)象熱輻射由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射狀態(tài)，將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)換為電磁波的能量發(fā)送出去的過(guò)程）t0K內(nèi)的物體匕匕厶

2、冃輻射能輻射特性=輻射能一一吸收特性輻射和吸收的總效果-熱輻射傳播速度c、波長(zhǎng)入和頻率f之間的關(guān)系：（熱輻射的主要波譜：紫外可見(jiàn)0.10.38不同溫度不同波長(zhǎng)J不同方向不同波長(zhǎng)輻射換熱c=f入紅外遠(yuǎn)200.76工程材料輻射（Tddy評(píng)亠X、f弋rdr一d圖9-4微兀立體角rsindddy評(píng)亠X、f弋rdr一d圖9-4微兀立體角dA2r0-dA2r0-rdrsind.,2sinddr天頂角；0平面方位角。(9-9)式中：定向輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位可見(jiàn)輻射面積在某一方向的發(fā)出的輻射能，稱為該方向的輻射強(qiáng)度，記為d單位立體角內(nèi)所L(0)odAcosd(9-10)9-5。3.蘭貝特定黑體表面具的性質(zhì)

3、，在的定向輻射圖9-5可見(jiàn)輻射面積律（余弦定律）有漫輻射（均勻輻射）半球空間各個(gè)方向上強(qiáng)度相等。(9-11)4.定向輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位輻射面積，在某一方向的能量，稱為該方向的定向輻射力，記為d,LcosdAd對(duì)服從蘭貝特定律的輻射：EE()P的單位立體角內(nèi)輻射(9-12)文檔來(lái)源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.所謂可見(jiàn)輻射面積，是指在接受輻射方向所能看到的輻射表面積，如圖上式表明：?jiǎn)挝惠椛涿嫔习l(fā)出的輻射能落到空間不同方向單位立體角內(nèi)的能量是不等的，其值正比于該方向與輻射面法線夾角的余弦。輻射力與定向輻射強(qiáng)度的關(guān)系：L2cosd2cossindd(9-13)溫度：E(T

4、)波長(zhǎng)：E(入方向：E(0T4Eb盼T4(9-14)/2cossindo實(shí)際物體和灰體的輻射一、發(fā)射熱輻射的性質(zhì)（S-B定律）黑體輻射特性:黑體輻射特性:（Planek定律）=Lcos0（Lambert定律）對(duì)于非黑體，其輻射特性要作適當(dāng)修正。1黑度：實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值稱為實(shí)際物體的黑度,又稱發(fā)射率，記為&(9-15)EbT4對(duì)于實(shí)際物體來(lái)說(shuō)，黑度仍是溫度的函數(shù)，即實(shí)際物體的輻射力不滿足四次方關(guān)系。2.光譜黑度上式中，&fEEbg為實(shí)際物體的光譜輻射力與同溫度同波長(zhǎng)下黑體的光譜輻射力的比值，稱為實(shí)際物體的光譜黑度，又叫光譜發(fā)射率。它是溫度與波長(zhǎng)的函數(shù)。3.定向黑度實(shí)際物

5、體在半球空間的輻射強(qiáng)度不服從蘭貝特定律。定向黑度：在某一方向上實(shí)際物體的輻射強(qiáng)度與同溫度下黑體的輻射強(qiáng)度之比。L()L()Lb()Lb圖9-6光譜黑度與黑度(9-16)大量實(shí)驗(yàn)表明，物體的半球平均發(fā)射率與法向發(fā)射率之比為：高度磨光的金屬表面1.2，其它表面0.96，為簡(jiǎn)化計(jì)算，往往不考慮方向的影響，近似認(rèn)為大多數(shù)工程材料也服從蘭貝特定律。物體的黑度：S=f（物質(zhì)種類，表面溫度，表面狀況）二、吸收熱輻射的性質(zhì)圖9-7投入輻射與吸收輻射的關(guān)系光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)投入輻射能的吸收份額。吸收比：物體對(duì)投入輻射在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸收的份額文檔來(lái)源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持

6、a=f(自身表面性質(zhì)與溫度Ti,輻射源性質(zhì)與溫度T2),TiE,T2d(9-17),T2d若投入輻射來(lái)自黑體，則吸收比為:,T1Eb,T2d(9-18)對(duì)來(lái)自黑體輻射的吸收比:(1) 導(dǎo)體的a(T2)為增函數(shù)，非導(dǎo)體的a(T2)為降函數(shù)。原因：黑體輻射：T2，TAmax(溫度越高，短波份額越大)導(dǎo)電體吸收比：JiaJia(善于吸收短波輻射)非導(dǎo)體吸收比：JiaJia(善于吸收長(zhǎng)波輻射)(2) 金屬表面吸收比小，非金屬及金屬氧化物表面吸收比大。(3) 當(dāng)T2很高時(shí)，白色非金屬表面吸收比可能低于金屬表面吸收比。ff,II原因：T2t可見(jiàn)光t白色表面a可見(jiàn)fa(4) 物體表面顏色僅對(duì)可見(jiàn)光的吸收比有

7、較大影響女口：a白漆，陽(yáng)光=0.12a白漆，紅外0.9a黑漆，陽(yáng)光=0.96a黑漆，紅外0.9三、灰體單色吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體aFa=常數(shù)是一個(gè)理想化的假設(shè)，可以簡(jiǎn)化計(jì)算。四、基爾霍夫定律如圖9-8:板1為黑體，板2為實(shí)際物體，兩板間的輻射換熱熱流密度為：q=E-aEb當(dāng)T1=T2時(shí)，q=0aFa=常數(shù)是一個(gè)理想化的假設(shè)，可以簡(jiǎn)化計(jì)算。四、基爾霍夫定律如圖9-8:板1為黑體，板2為實(shí)際物體，兩板間的輻射換熱熱流密度為：q=E-aEb當(dāng)T1=T2時(shí)，q=0(9-19)E(T)(T)Ebb)(7-20)結(jié)論：在熱平衡條件下,任何物體的輻射力與它對(duì)來(lái)自黑體輻射的吸收比之比值，恒等于同溫度下黑體的輻

8、射力。(只與溫度有關(guān)，與物體本身性質(zhì)無(wú)關(guān))推論：(1)同溫度下，善于輻射的物體必善于吸收。T1圖9-8實(shí)際物體與黑體的輻射換熱(2)實(shí)際物體a1,同溫度下黑體輻射力最大。1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.(3)由黑度定義:TT在與黑體處于熱平衡的條件下，任何物體對(duì)來(lái)自黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的黑度。(4)對(duì)于光譜輻射：a(T)=x(T)對(duì)于灰體：吸收比與外界條件無(wú)關(guān)，無(wú)論投入輻射是否來(lái)自黑體，無(wú)論是否處于熱平衡，只與自身溫度有關(guān)。所以灰體的吸收比恒等于同溫度下本身的黑度。(一般工程材料在紅外線范圍內(nèi)可近似按灰體處理)9.3概念匯總黑體：吸收比為1的物體，同溫度下輻

9、射力最大。輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能。光譜輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的某一波叮W/m31長(zhǎng)的輻射能。ee2普朗克定律：Eb2.8976103mK維恩位移定律：斯蒂芬一一波爾茲曼定律：EbbT4W/m2蘭貝特定律：具有漫輻射特性的表面，其定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)。服從蘭貝特定律的輻射，在半球空間不同方向的單位立體角內(nèi)的輻射能數(shù)值不等，其值正比于該方向與輻射面法線方向夾角的余弦，所以蘭貝特定律又叫余弦定律。定向輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位可見(jiàn)輻射面積在某一方向上的單位立體角內(nèi)的輻射能稱為該方向的定向輻射強(qiáng)度。定向輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間、

10、單位輻射面積在某一方向P的單位立體角內(nèi)的輻射能稱為該方向的定向輻射力。對(duì)服從蘭貝特定律的輻射，ELeos,EL。黑度：實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值稱為實(shí)際物體的黑度(發(fā)射率)，記為：EEb。光譜黑度：實(shí)際物體的光譜輻射力與同溫度及波長(zhǎng)下黑體的光譜輻射力之比，記為：EEb定向黑度：在某一方向?qū)嶋H物體的定向輻射強(qiáng)度與同溫度下黑體的定向輻射強(qiáng)度之比。13. 光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)輻射能的吸收份額，記為:14. 吸收比：物體對(duì)投入輻射的吸收份額，它不僅與自身的表面性質(zhì)與溫度有關(guān),還與輻射源的性質(zhì)與溫度有關(guān)。15. 物體的顏色僅對(duì)可見(jiàn)光的吸收比有較大影響。16. 灰體：光譜吸收比與

11、波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體。17. 基爾霍夫定律：在熱平衡條件下，任何物體的輻射力與它對(duì)來(lái)自黑體輻射的吸收比之比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力。因此，在與黑體處于熱平衡的條件下，任何物體對(duì)來(lái)自黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的黑度。18. 對(duì)于灰體，（灰體吸收率與外界條件無(wú)關(guān)，只與自身溫度有關(guān)）一般工程材料在紅外線范圍內(nèi)可近似按灰體處理。9.4思考題分析9-1什么叫黑體？在熱輻射理論中為什么要引入這一概念？答：吸收比=1的物體叫做黑體，黑體是一個(gè)理想化的物體，黑體輻射的特性反映了物體輻射在波長(zhǎng)、溫度和方向上的變化規(guī)律，這為研究實(shí)際物體的輻射提供了理論依據(jù)和簡(jiǎn)化分析基礎(chǔ)。9-2溫度均勻的空腔壁面上的小孔具

12、有黑體輻射的特性，那么空腔內(nèi)部壁面的輻射是否也是黑體輻射？答：空間內(nèi)部壁面不一定是黑體輻射，之所以小孔呈現(xiàn)出黑體特性，是因?yàn)檩椛湓诳涨粌?nèi)經(jīng)歷了很多次吸收和反射過(guò)程，使離開(kāi)小孔的能量微乎其微。9-3試說(shuō)明，為什么在定義輻射力時(shí)要加上“半球空間”及“全部波長(zhǎng)”的說(shuō)明？答：因?yàn)檩椛浔砻姘肭蚩臻g每一立體角都有來(lái)自輻射面的輻射能，而輻射能的形式有各個(gè)不同波長(zhǎng)，全輻射必須包括表面輻射出去的全部能量，所以要加上“半球空間”和“全部波長(zhǎng)”的說(shuō)明。9-4黑體的輻射能按波長(zhǎng)是怎樣分布的？光譜輻射力Eb入的單位中分母的“m3”代表什么意義？答：黑體輻射能按波長(zhǎng)的分布服從普朗克定律，光譜輻射力單位中分母“m3”代表了

13、單位面積m2和單位波長(zhǎng)m的意思。9-5黑體的輻射能按空間方向是怎樣分布？定向輻射強(qiáng)度與空間方向無(wú)關(guān)是否意味著黑體的輻射能在半球空間各方向上是均勻分布的？答：黑體輻射能按空間方向分布服從蘭貝特定律。定向輻射強(qiáng)度與空間方向無(wú)關(guān)并不意味著黑體輻射能在半球空間各個(gè)方向均勻分布，因?yàn)檩椛鋸?qiáng)度是指單位可見(jiàn)輻射面積的輻射能，在不同方向，可見(jiàn)輻射面積是不同的，即定向輻射力是不同的。9-6什么叫光譜吸收比？在不同光源的照耀下，物體常呈現(xiàn)不同的顏色，如何解釋？答：所謂光譜吸收比，是指物體對(duì)某一波長(zhǎng)投入輻射的吸收份額，物體的顏色是物體對(duì)光源某種波長(zhǎng)光波的強(qiáng)烈反射，不同光源的光譜不同，所以物體呈現(xiàn)出不同顏色。9-7對(duì)

14、于一般物體，吸收比等于發(fā)射率在什么條件下成立？答：任何物體在與黑體處于熱平衡的條件下，對(duì)來(lái)自黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的發(fā)射率。9-8說(shuō)明灰體的定義以及引入灰體的簡(jiǎn)化對(duì)工程輻射換熱計(jì)算的意義。答：光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體叫做灰體，灰體的吸收比恒等于同溫度下的發(fā)射率，把實(shí)際物體當(dāng)作灰體處理，可以不必考慮投入輻射的特性，將大大簡(jiǎn)化輻射換熱的計(jì)算。9-9已知材料A、B的光譜吸收比()與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖所示，試估計(jì)這兩種材料的發(fā)射率隨溫度變化的特性，并說(shuō)明理由。答：根據(jù)基爾霍夫定律：又：維恩定律：max1/T因?yàn)锳的光譜吸收比隨波長(zhǎng)增加而降低，即其善于吸收短波輻射，必善思考題9-9圖于發(fā)射短波

15、輻射，所以其發(fā)射率隨溫度升高而升高，可能是金屬材料。B的光譜吸收比隨波長(zhǎng)增加而增高，即其善于吸收長(zhǎng)波輻射，必善于發(fā)射長(zhǎng)波輻射，所以其發(fā)射率隨溫度升高而降低。可能是非金屬材料。9.5典型習(xí)題分析9-1一爐膛內(nèi)火焰的平均溫度為1500K,爐墻上有一直徑為20cm的看火孔(可看成黑體)。試計(jì)算當(dāng)看火孔打開(kāi)時(shí)向外輻射的功率。該輻射能中波長(zhǎng)為2m的光譜輻射力是多少？哪一種波長(zhǎng)下的輻射能最多？解：根據(jù)Plank定律，=2m,T=1500K時(shí):由Wien位移定律：答：當(dāng)看火孔打開(kāi)時(shí)向外輻射的功率為9018W;該輻射能中波長(zhǎng)為色輻射力是9.74x1010W/m3；波長(zhǎng)為1.93m的輻射能最多。2m的單9-2一

16、漫射表面在某一溫度下的單色輻射力與波長(zhǎng)的關(guān)系可以近似用右圖表示，試：(1) 計(jì)算此時(shí)的輻射力；計(jì)算此時(shí)法線方向的定向輻射強(qiáng)度。106W/(m2m)習(xí)題9-2圖文檔來(lái)源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.解：輻射力=50(10-5)+150(15-10)+50(20-15)=1250(W/m2)(2)法向輻射強(qiáng)度因?yàn)槭锹瓷浔砻妫鞣较蜉椛鋸?qiáng)度相同：9-3有一塊厚為3mm的玻璃，經(jīng)測(cè)定，其對(duì)波長(zhǎng)為0.32.5m的輻射能的穿透率為0.9,而對(duì)其它波長(zhǎng)的輻射能可以認(rèn)為完全不穿透。試據(jù)此計(jì)算溫度為5800K的黑體輻射及溫度為300K的黑體輻射投射到該玻璃上時(shí)各自的總穿透率解：根據(jù)穿透

17、率定義：在T=5800K時(shí)：1T=0.3X5800=1740(m-K)2T=2.5X5800=14500(m-K)查參考文獻(xiàn)1表7-1得：Fb(0-1)=3.296Fb(0-2)=96.57所以=0.9(0.9657-0.03296)=0.8395=83.95在T=300K時(shí)：1T=0.3X300=90(m-K)2T=2.5X300=750(m-K)查表得：Fb(0-1)=0.0029Fb(0-2)=0.0242所以=0.9(0.0242-0.0029)=0.0192答：溫度為5800K的黑體輻射投射到該玻璃上時(shí)的總穿透率為83.95;溫度為300K的黑體輻射投射到該玻璃上時(shí)的總穿透率為0.0192。分析與思考：暖房的升溫作用可以從本題中玻璃的單色穿透率特性得到解釋，太陽(yáng)輻射類似于溫度為5800K的黑體輻射，暖房?jī)?nèi)物體的輻射類似于溫度為300K的黑體輻射，由于玻璃的選擇透射而使太陽(yáng)熱輻射易于進(jìn)入，暖房?jī)?nèi)物體熱輻射不易透出，從而使暖房溫度升高。9-4面積為A1=4X10-4m2溫度為=1000K的漫射表面向半球空間發(fā)出熱輻射，在與輻射表面法線成45方向距離為1m處安置一直徑為20mm的熱流計(jì)探頭，測(cè)得該處的熱流為1.2X10-3w，探頭表面的吸收比取為1。試確定輻射表面的黑度。解：