08 第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性.pptx

第1页：第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性

第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性本章首先从电磁辐射的观点来认识热辐射的本质及辐射能传递过程的一些特性，然后着重讨论热辐射的几个基本定律，最后介绍实际物体的辐射特性，以便为下一章讨论辐射换热的计算打下基础。本章的特点是基本概念较多。

第2页：热辐射的基本概念

§8-1热辐射的基本概念

• 一、辐射及热辐射辐射是物体通过电磁波传递能量的现象。辐射有很多种形式，它们的区别是导致发射电磁波的激励方式不同，而外在表现是辐射的波长不一样，以及吸收该辐射能量后引起的效应不同。热辐射是物体由于热的原因所产生的辐射。它的作用：物体吸收辐射能后将其转变成自身的内能。波长范围：0.1~100μm

第3页：

第4页：紫蓝青绿黄橙赤可见光的波长范围

紫蓝青绿黄橙赤可见光的波长范围：0.38~0.76μm

第5页：二、辐射与导热、对流的区别

二、辐射与导热、对流的区别

• 1.传递方式不同导热和对流需要媒介，辐射换热不需要中间介质。
• 2.辐射换热过程存在能量形式的转换热能→电磁能电磁能→热能
• 3.辐射表面具有方向性和选择性辐射换热属于表面的物理过程，在换热表面的不同方向强度不一定相同，且与波长分布有关。

第6页：三、吸收、反射和透射

三、吸收、反射和透射

• 1、投射辐射周围物体在单位时间内投射到物体单位表面积上的辐射能。用G表示，单位W/m2。
• 2、吸收比、反射比和透射比被物体吸收、反射和透射的部分所占总投射辐射的份额分别称为吸收比α、反射比ρ和透射比τ。α=GαGρ=GρGτ=GτGα+ρ+τ=1

第7页：三、吸收、反射和透射（续）

3、镜反射和漫反射漫反射是把来自任意方向、任意波长的投入辐射以均匀的强度（不是“能量”）反射到半球空间所有方向上去。注：除了经特殊处理的金属表面，大部分工程材料均可视为漫射表面。视物体表面状况（平整程度）和投入辐射的波长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。θθ(a)镜反射(b)漫反射

第8页：三、吸收、反射和透射（续）

• 1的物体称为黑体。=吸收比α1的物体称为白体（或镜体）。=反射比ρ1的物体称之为透明体。=透射比τ
• 4、黑体、白体和透明体黑体、白体和透明体都是理想物体，自然界中并不存在，主要用它们作为研究辐射规律的参照物。特别是黑体的概念，是整个热辐射研究和工程应用的理论基础。

第9页：对于某一特定波长下的辐射称为光谱辐射或单

• 对于某一特定波长下的辐射称为光谱辐射或单色辐射。对光谱辐射相应有光谱吸收比、光谱反射比和
• 5、光谱辐射（单色辐射）光谱透射比。αλ+ρλ+τλ=1α(λ)+ρ(λ)+τ(λ)=1

第10页：关于物体的颜色我们所看到的物体颜色是

关于物体的颜色我们所看到的物体颜色是由于从该表面发出的单色光线（辐射）投入到了我们的眼睛。而从表面发出的辐射可能是自身发射的，也可能是反射投入其表面上的可见光。

第11页：三、辐射力与辐射强度

三、辐射力与辐射强度

• 1、光谱辐射力在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有方向发射的从λ到λ+dλ波长的辐射能称为光谱辐射力，用符号Eλ表示，单位为W/m3。
• 2、辐射力在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有方向发射的全部波长范围内的辐射能称为辐射力，用符号E表示，单位为W/m2。∞E=0Eλdλ

第12页：三、辐射力与辐射强度（续）

• 3、定向辐射强度与定向辐射力定向辐射强度与定向辐射力都是表示辐射在空间方向上的分布情况。介绍它们之前，先介绍几个的名词。
• (1)立体角立体角是指球面上的面积与球心所对应的空间角度。立体角的单位叫球面度，用Sr表示。r2Ω=A

第13页：右图中微元面积

• 右图中微元面积dA2对球心所张的微元立体角为：22θ·rsinθdφ=rsinθdθdφdA≈rdr2dΩ=dA2=sinθdθdφdApnθ可见辐射面积
• (2)可见辐射面积是指从空间某方向所看到的表面有效面积。如右图中的可见辐射面积为：dAcosθ

第14页：右图中微元面积（续）

(3)定向辐射强度是指单位时间内在空间指定方向的单位立体角内离开表面单位看见辐射面积的全波段辐射能量。用符号L(θ)表示。L(θ)=dΦ(θ)W/(m2·sr)dAnθ可见辐射面积dΦ(θ)pdAcosθdΩ如果仅考虑某特定波长的辐射，那么相应的量被称为定向光谱辐射强度L(λ,θ)。

第15页：右图中微元面积（续）

(4)定向辐射力是指单位时间、单位辐射面积向空间指定方向所在的单位立体角内发射的全波段辐射能量。用因此可得：Eθ=L(θ)cosθE=Ω=2πEθdΩdAdΩ=dΦ(θ)Eθ符号Eθ表示。

第16页：黑体辐射的基本定律

§8-2黑体辐射的基本定律

• 一、黑体与黑体模型黑体是吸收比等于1的理想物体。它具有同温度下辐射能力最大的性质。尽管在自然界并不存在黑体，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。如：空腔上的小孔。

第17页：空腔内壁的温度应均匀，小孔的面积占总面积

空腔内壁的温度应均匀，小孔的面积占总面积尽量小。小孔内表面实际的吸收比对此影响不大。图刘中彦应丰是漫反射。

第18页：黑体辐射的基本规律可以归结为三个定律——

• 黑体辐射的基本规律可以归结为三个定律——普朗克定律、斯忒藩-玻耳兹曼定律和兰贝特定律。下面分别介绍。
• 二、普朗克定律1900年，普朗克（M.Planck）在量子假设的基础上，从理论上确定了黑体辐射的光谱分布规律，也就是普朗克定律。Ebλ=f(T,λ)eC2/(λT)-1Ebλ=1Cλ-5C1—普朗克第一常数，C1=3.742×10-16W·m2;C2—普朗克第二常数，C2=1.439×10-2m·K。

第19页：

第20页：根据黑体辐射曲线可以得以下规律

根据黑体辐射曲线可以得以下规律：

• (1)温度愈高，同一波长下的光谱辐射力愈大；
• (2)在一定的温度下，黑体的光谱辐射力随波长连续变化，并在某一波长下具有最大值；
• (3)随着温度的升高，光谱辐射力取得最大值的波长λmax愈来愈小，即在λ坐标中的位置向短波方向移动。

第21页：维恩位移定律根据黑体辐射曲线得到的规律

维恩位移定律根据黑体辐射曲线得到的规律

• (3)，计算得到如下的关系：λmaxT=2.8976×10≈2.9×10-3-3m·K上式被称为维恩位移定律。计算温度分别为300K和5800K时最大光谱辐射力所对应的波长λmax。T=300K,λmax=≈9.67µm300K2.9×10-3m·K5800K=0.5µm2.9×10-3m·KT=5800K,λmax=

第22页：三、斯忒藩-玻耳兹曼定律黑体辐射

三、斯忒藩-玻耳兹曼定律黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩-波尔兹曼定律：∞0-5∞0dλ=σTEλdλ=Eb=4Cλ1eC2/(λT)-1bE=σT40100)4()()(TEb=Cσ=5.67×10-8W/(m2·K4)C0=5.67W/(m·K)24

第23页：三、斯忒藩-玻耳兹曼定律黑体辐射（续）

1波段范围内辐射力的计算λ2λbλbEdλΔE=为了计算上式，先计算（0—λ)的辐射占总辐射力的百分比：·=Fb(0-λ)=-5-1λ01ec2/(λT)λdλcλ1σT40bλσT4Edλd(λT)=f(λT)·=λT0cλ-5-11ec2/(λT)1σT5表7-1给出了黑体辐射函数表，即f(λT)的数值。

第24页：三、斯忒藩-玻耳兹曼定律黑体辐射（续）

λTHeatTransfer传热学Fb(0-λ)/%λT/(μm·K)Fb(0-λ)/%/(μm·K)77.6665000.0323100080.8370000.0916110083.4675000.214120085.6480000.434130087.4785000.782140089.0790001.290150090.3295001.979160091.43100002.862170094.51120003.946180096.29140005.225190097.38160006.690200098.081800010.11220098.562000014.05240098.892200018.34260099.122400022.82280099.302600027.363000

第25页：例题：计算太阳辐射中可见光所占的比例

例题

计算太阳辐射中可见光所占的比例。解：太阳可认为是表面温度为T=5762K的黑体，可见光的波长范围是0.38～0.76μm，即λ1=0.38μm,λ2=0.76μm,于是λ2T=4380μm·Kλ1T=2190μm·K由黑体辐射函数表可查得1F=9.94%b(0-λ)F2=54.59%b(0-λ)可见光所占的比例为2122=44.65%b(0-λ)b(λ-λ)b(0-λ)-FF=F

第26页：四、兰贝特定律兰贝特定律是指定向

四、兰贝特定律兰贝特定律是指定向辐射强度与方向无关的规律，即：服从兰贝特定律的表面称为漫射表面黑体辐射在空间上的分布符合兰贝特定律，因此，黑体辐射在半球空间上各个方向的定向辐射强度相等，黑体表面必是漫射表面。但是漫射表面不一定是黑体。L(θ)=L=常量dΦ(θ)=L·cosθdA·dΩ但是

第27页：固体和液体的辐射特性对于实际固体

§8-3固体和液体的辐射特性对于实际固体和液体的辐射特性是与黑体相比较而得到的。分别把实际固体和液体的辐射力、光谱辐射力和定向辐射强度与同温度下黑体的数值相比较，从而得到发射率ε(黑度)、光谱发射率ε(λ)（单色黑度）和定向发射率ε(θ)（定向黑度）的概念。EbEbλε=Eε(λ)=EλLbε(θ)=L(θ)

第28页：一、实际物体的光谱辐射力Eλ和光

一、实际物体的光谱辐射力Eλ和光谱发射率ε(λ)ε(λ)<1Eλ=ε(λ)Ebλ

第29页：二、实际物体的辐射力E和发射率

二、实际物体的辐射力E和发射率bE=εEEbε(λ)EbλdλσT4∞ε=E=0

第30页：三、实际物体的定向辐射强度

三、实际物体的定向辐射强度L(θ)和定向发射率ε(θ)ε(θ)=L(θ)Lb几种非金属材料的定向发射率几种金属材料的定向发射率

第31页：

第32页：法向发射率温度材料类别和表面状况

法向发射率温度材料类别和表面状况0.07～0.140～260钢：抛光的0.6540轧制的钢板0.07～0.1740不锈钢：抛光的0.88～0.9320红砖0.9440玻璃0.92～0.9640各种颜色的油漆0.82-12～0雪0.960～100水（厚度大于0.1mm）0.9832人体皮肤部分常见材料表面的法向发射率

第33页：实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系

§8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系

• 一、实际物体的光谱吸收比α(λ)α(λ)=G(λ)αG(λ)

第34页：根据前面的定义可知

根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比为=f(T1,T2,表面1的性质，表面2的性质)ε(λ,T)E(T)dλα(λ,T)ε(λ,T)E(T)dλ2bλ20012bλ21投入的总能量吸收的总能量α==∞∞

第35页：温室大棚就是利用了玻璃对辐射能吸收的

温室大棚就是利用了玻璃对辐射能吸收的选择性

第36页：关于物体的颜色物体从表面发出的辐射可能是

关于物体的颜色物体从表面发出的辐射可能是自身发射的，也可能是反射投入其表面上的可见光。如果物体全部吸收各种可见光，它就呈黑色；如果物体全部反射各种可见光，它就呈白色；如果物体只反射了一种波长的可见光，则它就呈现该反射的辐射线的颜色。紫蓝青绿黄橙赤可见光的波长范围：0.38~0.76μm

第37页：实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长

• 实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长有选择性这一情况给辐射换热的工程计算带来很多不便。
• 二、灰体光谱吸收比与波长无关的理想物体称为灰体。α=α(λ)=常数吸收比α波长λ在红外线的辐射范围内大多数工程材料可以当作灰体处理。

第38页：室温下，反射光

室温下，反射光1100K，自身辐射光原来白底的地方吸收的少（反射的多），发射的辐射也就弱；

第39页：三、基尔霍夫定律基尔霍夫定律

三、基尔霍夫定律基尔霍夫定律给出了实际物体辐射能力与吸收能力的关系。列出处于热平衡时，实际物体2的能量收支关系。E=αEbEbα=E/=基尔霍夫（1824～1887）德国物理学家但是，这个等式是有条件的。

第40页：基尔霍夫定律的四种表达形式

基尔霍夫定律的四种表达形式

α(θ,φ,λ,T)=ε(θ,φ,λ,T)α(λ,T)=ε(λ,T)α(θ,φ,T)=ε(θ,φ,T)α(T)=ε(T)无条件成立漫射表面灰体表面漫射灰体表面或与黑体处于热平衡

第41页：四、关于基尔霍夫定律和灰体的几点

四、关于基尔霍夫定律和灰体的几点说明

• 1、根据基尔霍夫定律，物体的辐射能力越大，其吸收能力也越大。换句话，善于辐射的物体必善于吸收。
• 2、对于工程问题而言，只要在所研究的波长范围内光谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定是成立的。
• 3、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体当作灰体处理。

第42页：宇宙背景辐射图谱威耳逊彭齐亚斯

宇宙背景辐射图谱威耳逊彭齐亚斯1978年诺贝尔物理学奖获得者发现宇宙背景微波辐射

第43页：宇宙背景辐射图谱威耳逊彭齐亚斯（续）

1.00E+001.00E-011.00E-021.00E-031.00E-041.00E-051.00E-061.00E-071.00E-081.00E-091.00E-101.00E-041.00E-031.00E-021.00E-011.00E+00宇宙背景辐射图谱

第44页：宇宙背景辐射图谱威耳逊彭齐亚斯（续）

1989年，NASA发射了COBE，COBE不仅可以测量出宇宙的背景温度，同时还可以测量不同方向的背景温度的差异。根据COBE的测量，宇宙的背景温度的分布大概有十万分之一度左右的微小差距，这表示宇宙背景温度的分布并不均匀。这个微小的温度差异变显示了物质结合的过程，进而形成出现今宇宙中的银河系及各种物质。

第45页：左边的是

左边的是JohnC.Mather，来自NASAGoddardSpaceFlightCenter；GeorgeF.Smoot，来自UniversityofCalifornia。获奖原因"fortheirdiscoveryoftheblackbodyformandanisotropyofthecosmicmicrowavebackgroundradiation"。大概应该翻译成：因他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。JohnC.MatheratNASA.2006年诺贝尔物理学奖获得者，NASA的JohnC.Mather及UCBerkeley物理系的GeorgeF.Smoot

第46页：思考题

思考题：

• 1.在夏天阳光下，人们穿浅颜色的衣服感到凉快，而在钢厂的高温车间，人们是不是也穿浅颜色的衣服好？

第47页：思考题（续）

2.对太阳能集热器表面的涂层有什么样的要求。

第48页：思考题（续）

3.对太阳能集热器表面的涂层有什么样的要求。α(λ)λ02µmα(λ)λ02µm

第49页：本章作业

• 本章作业8-4、8-5、8-6、8-16、8-17、8-20、8-21、8-238-11、8-14、8-15、8-24
• 一、基本要求
• 二、较高要求