1、第八章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性Ph.D 王遠成8-1 熱輻射的基本概念 1. 熱輻射特點(1) 定義：熱輻射由熱運動產生，以電磁波形式傳遞能量的過程；(2) 特點：a 任何物體，只要溫度高于0 K，就會不停地向周圍空間發出熱輻射；b 可以在真空中傳播；c 伴隨能量形式的轉變；d 具有強烈的方向性；e 輻射能與溫度和波長均有關；f 黑體發射輻射取決于溫度的4次方，因此熱輻射在高溫時顯得更重要。2. 電磁波譜電磁輻射包含了多種形式，如圖8-1所示，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0.1100m。電磁波的傳播速度： c = f 式中：f 頻率，s-1; 波長，m電 磁

2、輻 射 波 譜圖8-1第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性4 如圖所示，熱輻射，波長0.1100m； 可見光，波長0.380.76 m 。 地球上大部分物體 2000K 0.38-100 m 大部分在0.76-20 m 太陽輻射：5762K的黑體 ,波長在0.2-2m 0.76-20 m為紅外線區域 近紅外線(Near infrared) 遠紅外線(Far infrared)。當熱輻射投射到物體表面上時，一般會發生三種現象，即吸收、反射和穿透，如圖8-2所示。3. 物體對熱輻射的吸收、反射和穿透 圖8.2物體對熱輻射的 吸收、反射和穿透對于大多數的固體和液體：對于不含顆粒的氣體：對于黑體：

3、鏡體或白體：透明體：反射又分鏡反射和漫反射兩種圖8-3 鏡反射圖8-4 漫反射7反射現象也同光一樣，有鏡面反射和漫反射之分 鏡面反射：入射角=反射角，表面粗糙度波長 氣體：當輻射投在氣體上，它幾乎沒有反射能力，故可以認為=0 ，于是 固體，液體對輻射的吸收和反射都是在表面上進行的，而不涉及其內部，故表面的狀況對輻射的影響是至關重要的。81.黑體概念黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，即吸收比為1的物體。是一種科學假想的物體，現實生活中是不存在的。物體表面在一定溫度下，會朝表面上下半球空間的各個不同方向發射包括各種不同波長的輻射能。研究黑體的輻射性質：必須從方向和波長兩個方面入手！

4、輻射能是按空間分布的，不同方向有不同數值；同時，輻射能又是按波長分布的，不同波長具有不同數值。8-2 黑體輻射的基本定律圖8-5 立體角定義圖圖8-6 計算微元立體角的幾何關系（1）立體角的定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面度)，如圖8-5和8-6所示(書上用 表示 )又11立體角：半圓天頂角：半球：Steradian(2)輻射強度：單位時間內，在某給定輻射方向上，物體在與發射垂直方向上的每單位投影面積，在單位立體角內所發射全部波長的能量稱為該方向上的輻射強度。用 來表示。 輻射強度也稱為定向輻射強度L(, )：rs 平面角定義圖天頂角(3)單色輻射強度：單位時間內，與

5、發射方向垂直的物體的每單位投影面積，在波長 附近的單位波長間隔內，單位立體角內所發射的能量。用 來表示。 輻射強度與單色輻射強度之間的關系為： (書上用 表示 )13 在不同季節太陽輻射的投影面積是不同的。定向輻射強度意義目的：輻射能按方向分布。比較基礎：相同的立體角、相同的可見表面積。 二者的區別？（3）輻射力E：單位時間內，物體的單位面積的輻射表面向半球空間發射的所有波長的能量總和，單位為(W/m2)；（4）單色輻射力E：單位時間內，單位波長范圍內(單位波長間隔)，物體的單位表面積向半球空間發射的能量。顯然， E和E之間具有如下關系：黑體一般采用下標b表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的單色

6、輻射力為（5）定向輻射力E：單位時間內，物體的單位面積的輻射表面向半球空間的某個給定方向上發射的所有波長的能量總和，單位為(W/m2)定向輻射力E與定向輻射強度L(, )：書上定向輻射強度用I表示（6）單色定向輻射力E, ：單位時間內，物體的單位表面積、向半球空間的某個給定輻射方向上，在單位立體角內所發射的在波長 附近的單位波長范圍內(單位波長間隔)的能量。3.黑體輻射的三個基本定律及相關性質 式中， 波長，m ；T 黑體溫度，K ； c1 第一輻射常數，3.74210-16 Wm2； c2 第二輻射常數，1.438810-2 WK； (1)Planck定律(第一個定律)：圖8-7是根據上式描

7、繪的黑體單色輻射力隨波長和溫度的依變關系。 (2)維恩定律m與T 的關系由Wien位移定律給出，維恩定律是描述黑體最大單色輻射力的波長與溫度的關系。圖8-7 Planck 定律的圖示(3)Stefan-Boltzmann定律(第二個定律)：式中，= 5.6710-8 w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常數。 它是描述黑體全輻射力隨溫度變化的規律，該定律的修正形式是計算物體間輻射換熱的基礎。(4)黑體輻射函數：黑體在某一波段內的輻射能占其在輻射力中的比例。如黑體在波長1和2區段內所發射的輻射力，如圖7-7所示：圖8-8 特定波長區段內的黑體輻射力 圖8-9 定向輻射強度的定義圖

8、(5) Lambert 定律(黑體輻射的第三個定律)它說明黑體的定向輻射力隨天頂角呈余弦規律變化，Lambert定律也稱為余弦定律。它是描述定向輻射力在空間不同方向的分布規律。黑體輻射函數 : 黑體的波段輻射力占同溫度下黑體輻射力的百分比.(根據 值可以從表8-1中查出黑體輻射函數)圖8-10 Lambert定律圖示沿半球方向積分上式，可獲得半球輻射力E:由蘭貝特定律知：黑體單位面積發出的輻射能（輻射力）在空間不同方位立體角內的分布是不均勻的，法線方向最大，切線方向為零；物體發射（反射）的輻射強度與方向無關的性質稱為漫輻射（漫反射）；既是漫輻射又是漫反射的表面稱為漫射表面；黑體表面和漫射表面輻

9、射的定向輻射強度與方向 無關，在半球空間各個方向上的輻射強度是相等的。通常把服從蘭貝特定律的表面稱為漫射表面，該表面的定向輻射強度于方向無關。因此對于漫輻射表面，發(輻射)射力是任意方向的輻射強度的 倍。例題P212例【81】P214例【82】和P215例【83】北方深秋季節的清晨，樹葉葉面上常常結霜。試問樹葉上、下表面的哪一面上容易結霜？為什么？ 窗玻璃對紅外線幾乎是不透過的，但為什么隔著玻璃曬太陽卻使人感到暖和？何謂黑體？何謂漫射表面？其特點是什么？如圖所示為真空輻射爐，球心處有一黑體加熱元件，試指出，A、B、C三處中何處定向輻射強度最大？何處輻射熱流（輻射力）最大？假設A、B、C三處對球

10、心的立體角相同。一個100W的鎢絲燈泡，工作時鎢絲的溫度為2778K，鎢絲表面的半球黑度為0.3，計算鎢絲的面積并求其發光效率。假設不考慮環境對燈泡的輻射影響。 8-3 實際固體和液體的輻射特性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最強，包括所有方向和所有波長；真實物體表面的發射能力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:上面公式只是針對方向和波長（光譜）平均的情況，但實際上，真實表面的發射能力是隨方向和波長（光譜）變化的。即實際物體的輻射能力具有方向性和光譜性。WavelengthDire

11、ction (angle from the surface normal)因此，我們需要定義定向單色發射率，對于某一指定的方向(, ) 和波長定向發射率：對上面公式在所有波長范圍內積分，可得到指定方向總發射率，即實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比：對于指定波長，而在方向上平均的情況，則定義了半球單色發射率，即實際物體的單色輻射力與黑體的單色輻射力之比。這樣，前面定義的半球總發射率則可以寫為：半球總發射率是對所有方向和全部波長下的平均！ 對應于黑體的輻射力Eb，單色輻射力Eb和定向輻射強度L ，分別引入了三個修正系數，即，發射率，單色發射率( )和定向發射率( )，其表達式和物理意義

12、如下發射率：實際物體的輻射力與黑體輻射力之比單色發射率( )：實際物體的單色輻射力與黑體的單色輻射力之比定向發射率( )：實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比漫發射的概念：表面的定向發射率 () 與方向無關，即定向輻射強度與方向無關，滿足上述規律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近似。圖8-11 幾種金屬導體在不同方向上的定向發射率( )(t=150)圖8-12 幾種非導電體材料在不同方向上的定向發射率( )(t=093.3)實際物體的輻射特性：(1)實際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見圖8-13；(2) 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；

13、(3) 實際物體的定向輻射強度也不嚴格遵守Lambert定律。 實際物體輻射力與黑體輻射力的差別全部歸于上面的修正系數。在工程上一般都將真實表面近似認為符合蘭貝特定律，即真實表面的定向發射率 () 與方向無關。圖8-13 實際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜注意：將不確定因素歸于修正系數，這是由于熱輻射非常復雜，很難理論確定，實際上是一種權宜之計；服從Lambert定律的表面稱為漫射表面。雖然實際物體的定向發射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地認為大多數工程材料服從Lambert定律。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有關，而不涉及

14、外界條件。8-4 實際物體的吸收比和基爾霍夫定律 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呢？Semi-transparent medium1.投入輻射：單位時間內投射到單位表面積上的總輻射能 2.選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，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。3.吸收比（吸收率）：物體對投入輻射所吸收的百分數，通 常用表示，即幾個概念：4. 單色吸收比：物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分數，也叫光譜吸收比。單色吸收比隨波長的變化體現了實際物體的選擇性吸收的特性。圖8-1

15、4和8-15分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸收比同波長的關系。圖8-14 金屬導電體的光譜吸收比同波長的關系圖8-15 非導電體材料的光譜吸收比同波長的關系灰體：單色（光譜）吸收比與波長無關的物體稱為灰體。此時，不管投入輻射的波長分布如何，吸收比都是同一個常數。物體的吸收比除了與自身表面性質和溫度有關外，還與投入輻射按波長的能量分布有關。設下標1、2分別代表所研究的物體和產生投入輻射的物體，則物體1對物體2的吸收比為：圖8-16給出了一些材料對黑體輻射的吸收比與溫度的關系。如果投入輻射來自黑體，由于 ，則上式可變為圖8-16 物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關系物體的選擇性吸收特性，即對有些

16、波長的投入輻射吸收多，而對另一些波長的輻射吸收少，由于吸收比與投入輻射波長有關的特性給工程中輻射換熱的計算帶來巨大麻煩，對此，一般有兩種處理方法?；殷w法，即將光譜吸收比 () 等效為常數，即 = () = const。并將()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題來講，灰體假設帶來的誤差是可以容忍的；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，每個小區域被稱為一個譜帶，在每個譜帶內應用灰體假設。發射輻射與吸收輻射二者之間具有什么樣的聯系？1859年，Rirchhoff 用熱力學方法回答了這個問題，從而提出了Rirchhoff 定律。如圖8

17、-17所示，板1是黑體，板2是任意物體，參數分別為Eb, T1 以及E, , T2，則當系統處于熱平衡時，有 圖8-17 平行平板間的輻射換熱基爾霍夫定律說明，在熱平衡條件下，任意物體表面對黑體投入輻射吸收比等于同溫度下該物體的發射率。 Jirchhoff 定律是在物體與黑體投入輻射處于熱平衡條件下獲得的。該式說明，在熱力學平衡狀態下，物體的全波段、半球吸收率等于它的全波段、半球發射率。但該式具有如下限制：整個系統處于熱平衡狀態；由于物體的吸收率和發射率與溫度有關，則二者只有處于同一溫度下的值才能相等；投射輻射源必須是黑體。然而在實際工程中遇到的是：投入輻射的既不是黑體，也不會處于熱平衡。那么

18、如何計算吸收率呢？第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性40為了將Jirchhoff 定律推向實際的工程應用，人們考察、推導了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達式，見表8-2。漫灰體的吸收率的計算：對于漫射的灰體來說，由灰體的性質知道：灰體的吸收率與波長無關，在一定溫度下它是一個常數；其次，物體的發射率是物性參數，與外界環境無關，即與投射輻射源的溫度無關。所以，不論物體與外界是否處于熱平衡，也不論投入輻射是否是黑體，都存在漫射體的吸收比等于同溫度下該物體的發射率。即漫灰體是無條件滿足基爾霍夫定律的，恒有層 次數學表達式成立條件單色（光譜），定向單色（光譜） ，半球定向，半球全波段，半球無條件，為天頂角漫射表面（輻射性質與方向無關 ）灰體表面（輻射性質與波長無關 ）對于黑體輻射處于熱平衡時的表面或漫灰表面表8-2 Jirchhoff 定律的不同表達式幾點說明：工程中的物體由于在一定角度內，其輻射強度與方向無關，而且在所研究的波長范圍內，光譜吸收比與波長無關，故可以近似認為是漫灰體，符合基爾霍夫定律。由Jirchhoff定律可知：物體的輻射力越大，其對黑體輻射的吸收比越大；另外，同溫度下黑體的輻射力最大。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性42漫射表面：指發射或反射的定向輻射強度或反射強度與空間方向無關的物體表面；灰體：指單色（光譜）吸收比與波長無關的物體。實際物體的輻射