1、文檔來源為：從網絡收集整理.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知識結構1. 輻射換熱的特點；2. 基本定律（Planek,Wien,S-B,Lambert,Kirchoff（推論）;3. 定義：黑體，灰體，黑度（發射率），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，定向輻射強度9.2重點內容剖析熱輻射的基本概念一、熱輻射的物理本質（改變物體內部微觀粒子的熱運動（改變物體內部微觀粒子的熱運動輻射一一物體通過電磁波傳遞能量的現象熱輻射由于熱的原因而產生的電磁波輻射狀態，將部分內能轉換為電磁波的能量發送出去的過程）t0K內的物體匕匕厶

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、波長入和頻率f之間的關系：（熱輻射的主要波譜：紫外可見0.10.38不同溫度不同波長J不同方向不同波長輻射換熱c=f入紅外遠200.76工程材料輻射（Tddy評亠X、f弋rdr一d圖9-4微兀立體角rsindddy評亠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：定向輻射強度：單位時間、單位可見輻射面積在某一方向的發出的輻射能，稱為該方向的輻射強度，記為d單位立體角內所L(0)odAcosd(9-10)9-5。3.蘭貝特定黑體表面具的性質

3、，在的定向輻射圖9-5可見輻射面積律（余弦定律）有漫輻射（均勻輻射）半球空間各個方向上強度相等。(9-11)4.定向輻射力：單位時間、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對服從蘭貝特定律的輻射：EE()P的單位立體角內輻射(9-12)文檔來源為：從網絡收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.所謂可見輻射面積，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：單位輻射面上發出的輻射能落到空間不同方向單位立體角內的能量是不等的，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度的關系：L2cosd2cossindd(9-13)溫度：E(T

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

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

6、a=f(自身表面性質與溫度Ti,輻射源性質與溫度T2),TiE,T2d(9-17),T2d若投入輻射來自黑體，則吸收比為:,T1Eb,T2d(9-18)對來自黑體輻射的吸收比:(1) 導體的a(T2)為增函數，非導體的a(T2)為降函數。原因：黑體輻射：T2，TAmax(溫度越高，短波份額越大)導電體吸收比：JiaJia(善于吸收短波輻射)非導體吸收比：JiaJia(善于吸收長波輻射)(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T2很高時，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可見光t白色表面a可見fa(4) 物體表面顏色僅對可見光的吸收比有

7、較大影響女口：a白漆，陽光=0.12a白漆，紅外0.9a黑漆，陽光=0.96a黑漆，紅外0.9三、灰體單色吸收比與波長無關的物體aFa=常數是一個理想化的假設，可以簡化計算。四、基爾霍夫定律如圖9-8:板1為黑體，板2為實際物體，兩板間的輻射換熱熱流密度為：q=E-aEb當T1=T2時，q=0aFa=常數是一個理想化的假設，可以簡化計算。四、基爾霍夫定律如圖9-8:板1為黑體，板2為實際物體，兩板間的輻射換熱熱流密度為：q=E-aEb當T1=T2時，q=0(9-19)E(T)(T)Ebb)(7-20)結論：在熱平衡條件下,任何物體的輻射力與它對來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，與物體本身性質無關)推論：(1)同溫度下，善于輻射的物體必善于吸收。T1圖9-8實際物體與黑體的輻射換熱(2)實際物體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，任何物體對來自黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的黑度。(4)對于光譜輻射：a(T)=x(T)對于灰體：吸收比與外界條件無關，無論投入輻射是否來自黑體，無論是否處于熱平衡，只與自身溫度有關。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：單位時間內物體單位表面積向半球空間所有方向發射的全部波長的輻射能。光譜輻射力：單位時間內物體單位表面積向半球空間所有方向發射的某一波叮W/m31長的輻射能。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，其定向輻射強度與方向無關。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的輻射能數值不等，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。定向輻射強度：單位時間、單位可見輻射面積在某一方向上的單位立體角內的輻射能稱為該方向的定向輻射強度。定向輻射力：單位時間、

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

11、波長無關的物體。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來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，任何物體對來自黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的黑度。18. 對于灰體，（灰體吸收率與外界條件無關，只與自身溫度有關）一般工程材料在紅外線范圍內可近似按灰體處理。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，黑體是一個理想化的物體，黑體輻射的特性反映了物體輻射在波長、溫度和方向上的變化規律，這為研究實際物體的輻射提供了理論依據和簡化分析基礎。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，那么空腔內部壁面的輻射是否也是黑體輻射？答：空間內部壁面不一定是黑體輻射，之所以小孔呈現出黑體特性，是因為輻射在空腔內經歷了很多次吸收和反射過程，使離開小孔的能量微乎其微。9-3試說明，為什么在定義輻射力時要加上“半球空間”及“全部波長”的說明？答：因為輻射表面半球空間每一立體角都有來自輻射面的輻射能，而輻射能的形式有各個不同波長，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”的說明。9-4黑體的輻射能按波長是怎樣分布的？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？定向輻射強度與空間方向無關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。定向輻射強度與空間方向無關并不意味著黑體輻射能在半球空間各個方向均勻分布，因為輻射強度是指單位可見輻射面積的輻射能，在不同方向，可見輻射面積是不同的，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，物體常呈現不同的顏色，如何解釋？答：所謂光譜吸收比，是指物體對某一波長投入輻射的吸收份額，物體的顏色是物體對光源某種波長光波的強烈反射，不同光源的光譜不同，所以物體呈現出不同顏色。9-7對

14、于一般物體，吸收比等于發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，對來自黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的發射率。9-8說明灰體的定義以及引入灰體的簡化對工程輻射換熱計算的意義。答：光譜吸收比與波長無關的物體叫做灰體，灰體的吸收比恒等于同溫度下的發射率，把實際物體當作灰體處理，可以不必考慮投入輻射的特性，將大大簡化輻射換熱的計算。9-9已知材料A、B的光譜吸收比()與波長的關系如圖所示，試估計這兩種材料的發射率隨溫度變化的特性，并說明理由。答：根據基爾霍夫定律：又：維恩定律：max1/T因為A的光譜吸收比隨波長增加而降低，即其善于吸收短波輻射，必善思考題9-9圖于發射短波

15、輻射，所以其發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增加而增高，即其善于吸收長波輻射，必善于發射長波輻射，所以其發射率隨溫度升高而降低。可能是非金屬材料。9.5典型習題分析9-1一爐膛內火焰的平均溫度為1500K,爐墻上有一直徑為20cm的看火孔(可看成黑體)。試計算當看火孔打開時向外輻射的功率。該輻射能中波長為2m的光譜輻射力是多少？哪一種波長下的輻射能最多？解：根據Plank定律，=2m,T=1500K時:由Wien位移定律：答：當看火孔打開時向外輻射的功率為9018W;該輻射能中波長為色輻射力是9.74x1010W/m3；波長為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的關系可以近似用右圖表示，試：(1) 計算此時的輻射力；計算此時法線方向的定向輻射強度。106W/(m2m)習題9-2圖文檔來源為：從網絡收集整理.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)法向輻射強度因為是漫反射表面，各方向輻射強度相同：9-3有一塊厚為3mm的玻璃，經測定，其對波長為0.32.5m的輻射能的穿透率為0.9,而對其它波長的輻射能可以認為完全不穿透。試據此計算溫度為5800K的黑體輻射及溫度為300K的黑體輻射投射到該玻璃上時各自的總穿透率解：根據穿透

17、率定義：在T=5800K時：1T=0.3X5800=1740(m-K)2T=2.5X5800=14500(m-K)查參考文獻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：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，太陽輻射類似于溫度為5800K的黑體輻射，暖房內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熱輻射易于進入，暖房內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的熱流計探頭，測得該處的熱流為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：