1、7-1 熱輻射的基本概念1. 1. 熱輻射特點熱輻射特點(1) (1) 定義：由熱運動產生的，以電磁波形式定義：由熱運動產生的，以電磁波形式(xngsh)(xngsh)傳遞的能量；傳遞的能量；(2) (2) 特點：特點：a a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 K0 K，就會不停地向周圍空間發出熱輻射；就會不停地向周圍空間發出熱輻射；b b 可以可以在真空中傳播；在真空中傳播；c c 伴隨能量形式伴隨能量形式(xngsh)(xngsh)的的轉變；轉變；d d 具有強烈的方向性；具有強烈的方向性；e e 輻射能與溫輻射能與溫度和波長均有關；度和波長均有關；f f 發射輻射取決于溫度

2、的發射輻射取決于溫度的4 4次方。次方。第1頁/共51頁第一頁，共51頁。2. 2. 電磁波譜 電磁輻射包含電磁輻射包含(bohn)(bohn)了多種形式，如圖了多種形式，如圖7-17-1所所示，而我們所感興趣的，即工業上有實際意義的熱輻射示，而我們所感興趣的，即工業上有實際意義的熱輻射區域一般為區域一般為0.1100m0.1100m。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，波長，mm第2頁/共51頁第二頁，共51頁。電 磁 輻 射 波 譜圖圖7-17-1第3頁/共51頁第三頁，共51頁。 當熱輻射投射到物體表面上

3、時，一般會發生三種當熱輻射投射到物體表面上時，一般會發生三種現象現象(xinxing)(xinxing)，即吸收、反射和穿透，如圖，即吸收、反射和穿透，如圖7-27-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ3. 3. 物體(wt)(wt)對熱輻射的吸收、反射和穿透 第4頁/共51頁第四頁，共51頁。圖圖7.2 7.2 物體對熱輻射的吸收反射物體對熱輻射的吸收反射(fnsh)(fnsh)和和穿透穿透第5頁/共51頁第五頁，共51頁。對于大多數的固體對于大多數的固體(gt)(gt)和液體：和液體：對于不含顆粒的氣體：對于不含顆粒的氣體：對于黑體：對于黑體： 鏡體或白體：鏡體或白體：透明體：透明體：1

4、111,01,0第6頁/共51頁第六頁，共51頁。反射反射(fnsh)又分鏡反射又分鏡反射(fnsh)和漫反射和漫反射(fnsh)兩兩種種圖7-3 鏡反射(fnsh)圖7-4 漫反射第7頁/共51頁第七頁，共51頁。1.1.黑體概念黑體概念 黑體：是指能吸收投入黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學能的物體，是一種科學假想的物體，現實生活假想的物體，現實生活中是不存在的。但卻可中是不存在的。但卻可以以(ky)(ky)人工制造出人工制造出近似的人工黑體。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(hit)輻射的基本定律第8頁/共51

5、頁第八頁，共51頁。輻射力輻射力E E： 單位時間內，物體單位時間內，物體(wt)(wt)的單位表面積向半球空的單位表面積向半球空間發射的所有波長的能量總和。間發射的所有波長的能量總和。 (W/m2) (W/m2)；光譜輻射力光譜輻射力EE： 單位時間內，單位波長范圍內單位時間內，單位波長范圍內( (包含某一給定波長包含某一給定波長) )，物體物體(wt)(wt)的單位表面積向半球空間發射的能量。的單位表面積向半球空間發射的能量。 (W/m3)(W/m3)；2.2.熱輻射能量的表示(biosh)(biosh)方法第9頁/共51頁第九頁，共51頁。E E、EE關系關系(gun (gun x):x

6、):顯然，顯然， E E和和EE之間具有之間具有(jyu)(jyu)如下如下關系：關系：dEE0黑體一般采用黑體一般采用(ciyng)(ciyng)下標下標b b表示，如黑表示，如黑體的輻射力為體的輻射力為EbEb，黑體的光譜輻射力為，黑體的光譜輻射力為EbEb第10頁/共51頁第十頁，共51頁。3.黑體輻射(fsh)的三個基本定律及相關性質1)(512TcbecE式中，式中， 波長，波長，m m ； T T 黑體溫度黑體溫度(wnd)(wnd)，K K ； c1 c1 第一輻射常數，第一輻射常數，3.7423.74210-16 W10-16 Wm2m2； c2 c2 第二輻射常數，第二輻射常

7、數，1.43881.438810-2 W10-2 WK K； (1)Planck(1)Planck定律定律(dngl)(dngl)(第一個定律第一個定律(dngl)(dngl)：第11頁/共51頁第十一頁，共51頁。圖圖7-6 Planck 7-6 Planck 定律定律(dngl)(dngl)的圖示的圖示第12頁/共51頁第十二頁，共51頁。(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律(dngl)(dngl)(第二個第二個定律定律(dngl)(dngl)： 40)(51012TdecdEETcbb式中，式中，= 5.67= 5.6710-8 w/(m2

8、10-8 w/(m2K4)K4)， 是是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常數常數(chngsh)(chngsh)。 圖圖7-67-6是根據上式描繪的黑體光譜輻射力隨波長是根據上式描繪的黑體光譜輻射力隨波長和溫度的依變關系和溫度的依變關系(gun x)(gun x)。mm與與T T 的關系的關系(gun x)(gun x)由由WienWien位移定律給出：位移定律給出：KmTm3108976. 2第13頁/共51頁第十三頁，共51頁。21dEEbb(3)(3)黑體輻射黑體輻射(fsh)(fsh)函數函數黑體在波長黑體在波長11和和22區段區段(q dun)(q d

9、un)內所內所發射的輻射力，如圖發射的輻射力，如圖7-77-7所示：所示：圖7-7 7-7 特定波長(bchng)(bchng)區段內的黑體輻射力第14頁/共51頁第十四頁，共51頁。黑體輻射黑體輻射(fsh)(fsh)函數函數: :2211212121()40400(0)(0)2111()()bbbbbbbbE dFE dTE dE dE dTFFfTfT第15頁/共51頁第十五頁，共51頁。定義定義(dngy)(dngy)：球面面積除以球半徑的：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：平方稱為立體角，單位：sr(sr(球面度球面度) )，如，如圖圖7-87-8和和7-97-9所示：所示：

10、ddsindd2rAc(4)(4)立體角第16頁/共51頁第十六頁，共51頁。圖7-8 7-8 立體角定義(dngy)(dngy)圖第17頁/共51頁第十七頁，共51頁。圖7-9 7-9 計算微元立體角的幾何(j h)(j h)關系第18頁/共51頁第十八頁，共51頁。定義：單位時間內，物體在垂直發射定義：單位時間內，物體在垂直發射(fsh)(fsh)方向的單位面積上，在單位立體方向的單位面積上，在單位立體角內發射角內發射(fsh)(fsh)的一切波長的能量，參的一切波長的能量，參見圖見圖7-107-10。 dcosd),(d),(AL(5) (5) 定向(dn xin)(dn xin)輻射強

11、度L(L(, , ) )：第19頁/共51頁第十九頁，共51頁。(6) Lambert (6) Lambert 定律(dngl)(dngl)(黑體輻射的第三個基本定律(dngl)(dngl)cosdd),(dLA 它說明黑體的定向輻射力隨天頂角它說明黑體的定向輻射力隨天頂角呈呈余弦規律變化，見圖余弦規律變化，見圖7-117-11，因此，因此(ync)(ync)， LambertLambert定律也稱為余弦定律。定律也稱為余弦定律。第20頁/共51頁第二十頁，共51頁。圖7-10 7-10 定向輻射強 度的定義圖第21頁/共51頁第二十一頁，共51頁。圖7-11 Lambert7-11 Lamb

12、ert定律圖示LLEdcos2沿半球方向積分沿半球方向積分(jfn)(jfn)上式，可獲得了半球輻上式，可獲得了半球輻射強度射強度E:E:第22頁/共51頁第二十二頁，共51頁。 7-3 實際固體和液體的輻射(fsh)特性1 發射率前面定義了黑體的發射特性：同溫度下，黑體發射熱輻射的能力(nngl)最強，包括所有方向和所有波長；真實物體表面的發射能力(nngl)低于同溫度下的黑體；因此，定義了發射率 (也稱為黑度) ：相同溫度下，實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:4TEEEb第23頁/共51頁第二十三頁，共51頁。上面公式只是針對方向上面公式只是針對方向(fngxing)和光譜平均

13、的情況，但實際上，和光譜平均的情況，但實際上，真實表面的發射能力是隨方向真實表面的發射能力是隨方向(fngxing)和光譜變化的。和光譜變化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)第24頁/共51頁第二十四頁，共51頁。因此因此(ync)(ync)，我們需要定義方向光譜發射率，我們需要定義方向光譜發射率，對于某一指定的方向對于某一指定的方向( (, , ) ) 和波長和波長T, T, T, blackbody, emitted actual, , LL第25頁/共51頁第二十五頁，共51頁。)()T,( T, T, T,0bla

14、ckbody, 0emitted actual, TLLdLdLb對上面公式在所有波長范圍內積分對上面公式在所有波長范圍內積分(jfn)，可得到，可得到方向總發射率，即實際物體的定向輻射強度與黑方向總發射率，即實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比：體的定向輻射強度之比：第26頁/共51頁第二十六頁，共51頁。T, T, T, T, T, blackbody, emitted actual, bEEEE 對于指定波長，而在方向對于指定波長，而在方向(fngxing)上上平均的情況，則定義了半球光譜發射率，即平均的情況，則定義了半球光譜發射率，即實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力實際

15、物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比之比第27頁/共51頁第二十七頁，共51頁。這樣這樣(zhyng)，前面定義的半球總發射率則可以寫，前面定義的半球總發射率則可以寫為：為： )(E)( T, T, T, Tbemitted actual0blackbody, 0blackbody, TTEdEdE 半球總發射率是對所有方向半球總發射率是對所有方向(fngxing)和所有波長下的平均和所有波長下的平均第28頁/共51頁第二十八頁，共51頁。 對應于黑體的輻射力Eb，光譜輻射力Eb和定向輻射強度L，分別引入了三個修正(xizhng)系數，即，發射率，光譜發射率( )和定向發射率( )，其表達式

16、和物理意義如下40)(TdEEEbb實際物體實際物體(wt)(wt)的輻射力與黑體輻射力之比的輻射力與黑體輻射力之比: :第29頁/共51頁第二十九頁，共51頁。bbLLLL)()()()( 實際實際(shj)物體的光譜輻射力與黑體的光物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比：譜輻射力之比：bEE)( 實際實際(shj)物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比：度之比：第30頁/共51頁第三十頁，共51頁。 漫發射的概念：表面的方向發射率漫發射的概念：表面的方向發射率 ( () ) 與方向無關，即定向輻射強度與方向與方向無關，即定向輻射強度與方向無關，滿足上

17、訴規律無關，滿足上訴規律(gul)(gul)的表面稱為漫的表面稱為漫發射面，這是對大多數實際表面的一種很好的發射面，這是對大多數實際表面的一種很好的近似。近似。第31頁/共51頁第三十一頁，共51頁。圖7-15 幾種金屬(jnsh)導體在不同方向上的定向發射率( )(t=150)第32頁/共51頁第三十二頁，共51頁。圖7-16 幾種(j zhn)非導電體材料在不同方向上的定向發射率( )(t=093.3)第33頁/共51頁第三十三頁，共51頁。 前面講過，黑體、灰體、白體等都是理想物前面講過，黑體、灰體、白體等都是理想物體，而實際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體，而實際物體的輻射特性并不

18、完全與這些理想物體相同，比如，體相同，比如，(1)(1)實際物體的輻射力與黑體和灰實際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見圖體的輻射力的差別見圖7-147-14；(2) (2) 實際物體的輻射實際物體的輻射力并不完全與熱力學溫度的四次方成正比；力并不完全與熱力學溫度的四次方成正比；(3) (3) 實實際物體的定向輻射強度也不嚴格遵守際物體的定向輻射強度也不嚴格遵守LambertLambert定律，定律，等等。所有這些差別全部歸于上面的系數，因此，等等。所有這些差別全部歸于上面的系數，因此，他們一般需要實驗來確定，形式也可能他們一般需要實驗來確定，形式也可能(knng)(knng)很復雜。在

19、工程上一般都將真實表面假設為漫發射很復雜。在工程上一般都將真實表面假設為漫發射面。面。第34頁/共51頁第三十四頁，共51頁。圖7-14 實際物體、黑體(hit)和灰體的輻射能量光譜第35頁/共51頁第三十五頁，共51頁。本節中，還有幾點需要注意本節中，還有幾點需要注意將不確定因素歸于將不確定因素歸于(guy)(guy)修正系數，這是由于修正系數，這是由于熱輻射非常復雜，很難理論確定，實際上是一種熱輻射非常復雜，很難理論確定，實際上是一種權宜之計；權宜之計；服從服從LambertLambert定律的表面成為漫射表面。雖然實際定律的表面成為漫射表面。雖然實際物體的定向發射率并不完全符合物體的定向

20、發射率并不完全符合LambertLambert定律，定律，但仍然近似地認為大多數工程材料服從但仍然近似地認為大多數工程材料服從LambertLambert定律，這有許多原因；定律，這有許多原因；物體表面的發射率取決于物質種類、表面溫度和表物體表面的發射率取決于物質種類、表面溫度和表面狀況。這說明發射率只與發射輻射的物體本身面狀況。這說明發射率只與發射輻射的物體本身有關，而不涉及外界條件。有關，而不涉及外界條件。第36頁/共51頁第三十六頁，共51頁。 上一節簡單介紹了實際物體的發射情況，那么當外界的輻射投入到物體表面上時，該物體對投入輻射吸收的情況又是如何(rh)呢？本節將對其作出解答。Sem

21、i-transparent mediumAbsorptivity deals with what happens to _, while emissivity deals with _第37頁/共51頁第三十七頁，共51頁。1. 1. 投入輻射：單位時間內投射到單位表面積上的投入輻射：單位時間內投射到單位表面積上的總輻射能總輻射能 2. 2. 選擇性吸收：投入輻射本身具有選擇性吸收：投入輻射本身具有(jyu)(jyu)光光譜特性，因此，實際物體對投入輻射的吸收能力譜特性，因此，實際物體對投入輻射的吸收能力也根據其波長的不同而變化，這叫選擇性吸收也根據其波長的不同而變化，這叫選擇性吸收首先首先(

22、shuxin)介紹幾個概念：介紹幾個概念：7-4 7-4 實際(shj)(shj)固體的吸收比和基爾霍夫定律第38頁/共51頁第三十八頁，共51頁。3. 3. 吸收比：物體對投入吸收比：物體對投入(tur)(tur)輻射所吸收的百分輻射所吸收的百分數，通常用數，通常用表示，即表示，即)(投入輻射投入的能量吸收的能量4 4 光譜吸收比：物體對某一特定波長的輻射能所吸收光譜吸收比：物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分數，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長的的百分數，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長的變化體現了實際變化體現了實際(shj)(shj)物體的選擇性吸收的特物體的選擇性吸收的特性。性。能量

23、投入的某一特定波長的能量吸收的某一特定波長的),(1T第39頁/共51頁第三十九頁，共51頁。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收分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸收(xshu)(xshu)比同波長的關系。比同波長的關系。圖7-17 金屬導電體的光譜吸收比同波長(bchng)的關系第40頁/共51頁第四十頁，共51頁。圖7-18 7-18 非導電體材料的光譜吸收比同波長的關系灰體：光譜灰體：光譜(gungp)(gungp)吸收比與波長無關的物體吸收比與波長無關的物體稱為灰體。此時，不管投入輻射的分布如何，吸收稱為灰體。此時，不管投入輻射的分布如何，吸收比比都

24、是同一個常數。都是同一個常數。第41頁/共51頁第四十一頁，共51頁。根據前面的定義可知，物體根據前面的定義可知，物體(wt)(wt)的吸收比除與自的吸收比除與自身表面性質的溫度有關外，還與投入輻射按波長的能身表面性質的溫度有關外，還與投入輻射按波長的能量分布有關。設下標量分布有關。設下標1 1、2 2分別代表所研究的物體分別代表所研究的物體(wt)(wt)和產生投入輻射的物體和產生投入輻射的物體(wt)(wt)，則物體，則物體(wt)1(wt)1的吸收比為的吸收比為)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質表面的性質，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTb

25、b第42頁/共51頁第四十二頁，共51頁。圖圖7-187-18給出了一些給出了一些(yxi)(yxi)材料對黑體輻射的吸收比與溫度材料對黑體輻射的吸收比與溫度的關系。的關系。如果投入輻射來自黑體，由于如果投入輻射來自黑體，由于 ，則上式可變為，則上式可變為1),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性質表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb第43頁/共51頁第四十三頁，共51頁。圖7-19 7-19 物體表面對黑體(hit)(hit)輻射的吸收比與溫度的關系第44頁/共51頁第四十四頁，共51頁。

26、(1)(1)灰體法，即將光譜吸收比灰體法，即將光譜吸收比 ( () ) 等效為等效為常數，即常數，即 = = ( () = const) = const。并將。并將( () )與波長無關的物體稱為灰體，與黑體類似，與波長無關的物體稱為灰體，與黑體類似，它也是一種理想物體，但對于大部分工程問它也是一種理想物體，但對于大部分工程問題來講，灰體假設帶來的誤差是可以容忍的；題來講，灰體假設帶來的誤差是可以容忍的；(2)(2)譜帶模型法，即將所關心的連續分布的譜帶譜帶模型法，即將所關心的連續分布的譜帶區域劃分為若干小區域，每個小區域被稱為區域劃分為若干小區域，每個小區域被稱為一個一個(y (y )譜帶，

27、在每個譜帶內應用灰體譜帶，在每個譜帶內應用灰體假設。假設。第45頁/共51頁第四十五頁，共51頁。發射輻射與吸收輻射二者之間的聯系：發射輻射與吸收輻射二者之間的聯系： 最簡單的推導是用兩塊無限大平板間最簡單的推導是用兩塊無限大平板間的熱力學平衡方法。如圖的熱力學平衡方法。如圖7-207-20所示，板所示，板1 1時時黑體，板黑體，板2 2是任意物體，參數分別為是任意物體，參數分別為Eb, T1 Eb, T1 以及以及(yj)E, (yj)E, , T2, T2，則當系統處于熱，則當系統處于熱平衡時，有平衡時，有 第46頁/共51頁第四十六頁，共51頁。bbEEEE圖7-20 7-20 平行平板(pngbn)(pngbn)間的輻射換熱第47