单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,*,第七章 热辐射基本定律及 物体的辐射特性,1,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,第七章 热辐射基本定律及 物体的,7-1 热辐射的基本概念,1.热辐射特点,(1),定义,：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量；,(2),特点,：a 任何物体，只要温度高于,0,K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。,2.电磁波谱,电磁辐射包含了多种形式，如图7-1所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1100,m。,电磁波的传播速度：,c=f,式中：,f,频率，,s,-1,;,波长，,m,2,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,7-1 热辐射的基本概念1.热辐射特点2.电磁波谱电,电 磁 辐 射 波 谱,图7-1,3,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,电 磁 辐 射 波 谱图7-13第七章 热辐射基,当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图7-2所示。,3.,物体对热辐射的吸收、反射和穿透,图7.2物体对热辐射的吸收、反射和穿透,吸收比、反射比、透射比,体现了能量的守衡,4,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射,对于大多数的固体和液体：,对于不含颗粒的气体：,对于黑体：,镜体或白体：,透明体：,反射又分镜面反射和漫反射两种,图7-3 镜面反射,图7-4 漫反射,5,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,对于大多数的固体和液体：透明体：反射又分镜面反射和漫反射两种,6,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,6第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,1.黑体概念,黑体：,是指能吸收投入到其面,上的所有热辐射能的物体，（吸收比=1的物体），是,一种科学假想的物体，现实生,活中是不存在的。但却可以人,工制造出近似的人工黑体。,图7-5 黑体模型,7-2 黑体辐射的基本定律,7,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,1.黑体概念图7-5 黑体模型7-2 黑体辐射的基本定,8,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,8第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,辐射力,E,：,单位时间内，物体的单位表面积,向半球空间,发射的所有波长的能量总和。,(W/m,2,)；,单色(或光谱)辐射力,E,：,单位时间内，对某一给定波长，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。,(W/m,2,)；,2.热辐射能量的表示方法,E,、,E,关系:,显然，,E,和,E,之间具有如下关系：,黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为,E,b,，黑体的,单色(或光谱)辐射力,为,E,b,9,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,辐射力E：2.热辐射能量的表示方法E、E关系:显然，E和,3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质,式中，,波长，,m,；,T,黑体温度，,K,；,c,1,第一辐射常数，3.74210,-16,W,m,2,；,c,2,第二辐射常数，1.438810,-2,W,K；,(1)普朗克定律(第一个定律)：,图7-6是根据上式描绘的黑体单色辐射力随波长和温度的依变关系。,m与,T,的关系由维恩（Wien）定律给出，,图7-6 Planck 定律的图示,10,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质 式中，波长，m,(2)斯忒藩-珀耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律(第二个定律)：,式中，=5.6710,-8,W/(m,2,K,4,)，是Stefan-Boltzmann常数。,又称为四次方定律.,11,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,(2)斯忒藩-珀耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定,12,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,12第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,图7-8 立体角定义图,定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)，如图7-8和7-9所示,（半球的立体角为2）,(3)立体角,13,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,图7-8 立体角定义图定义：球面面积除以球半径的平方称为立,图7-9 计算微元立体角的几何关系,14,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,图7-9 计算微元立体角的几何关系14第七章 热辐射基本,定义：,单位时间内，物体在单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量。,(4)定向辐射力E,15,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,定义：单位时间内，物体在单位面积上，在单位立体角内发射的一切,定义：,单位时间内，物体在,垂直发射方向,的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图7-10。,(5)定向辐射强度,L,(,)：,图7-10 定向辐射强度,的定义图,(6)兰贝特（Lambert）定律(黑体辐射的第 三个基本定律),它说明黑体的定向辐射力随天顶角,呈余弦规律变化，见图7-11，因此，Lambert定律也称为余弦定律。,黑体的定向辐射强度与方向无关。,16,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体,图7-11 Lambert定律图示,沿半球方向积分上式，可获得半球辐射强度,E:,17,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,图7-11 Lambert定律图示沿半球方向积分上式，可获,18,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,18第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,19,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,19第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,7-3 实际固体和液体的辐射特性,1 发射率,前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；,真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；,因此，定义了发射率,(也称为黑度),：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:,20,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,7-3 实际固体和液体的辐射特性1 发射率20第七章,上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。,Wavelength,Direction(angle from the surface normal),21,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的发,对应于黑体的辐射力,E,b,，光谱辐射力,E,b,和定向辐射强度,L,，分别引入了三个修正系数，即，发射率,，光谱发射率,(,)和定向发射率,(,)，其表达式和物理意义如下,实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:,实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比,(光谱辐射力),实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：(定向发射率),22,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定,漫发射,的概念：表面的方向发射率,(,)与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上述规律的表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。,图7-15 几种金属导体在不同方向上的定向发射率,(,)(t=150),23,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,漫发射的概念：表面的方向发射率()与方向无关，即定向,图7-16 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率,(,)(t=093.3),24,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,图7-16 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率(,黑体、灰体等都是理想物体，实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同，比如，,(1),实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图7-14；,(2),实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；,(3),实际物体的定向辐射强度也不严格遵守Lambert定律，等等。所有这些差别全部归于上面的系数，因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能很复杂。在工程上一般都将真实表面假设为漫发射面。,图7-14 实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱,25,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,黑体、灰体等都是理想物体，实际物体的辐射特性并不完全与这些理,本节中，还有几点需要注意,将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难理论确定，实际上是一种权宜之计；,服从Lambert定律的表面称为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律；,物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。,26,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,本节中，还有几点需要注意26第七章 热辐射基本定律及物体的,27,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,27第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,28,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,28第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,29,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,29第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,7-4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？本节将对其作出解答。,Semi-transparent medium,Absorptivity,deals with what happens to _,while,emissivity,deals with,_,30,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,7-4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 上一节简单,1.,投入辐射,：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能,2.,选择性吸收,：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际,物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变,化，这叫选择性吸收,3.,吸收比,：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用,表,示,，即,首先介绍几个概念：,31,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,1.投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 首,(4),光谱吸收比,：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。,图7-17和7-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。,图7-17 金属导电体的光谱吸收比同波长的关系,32,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,(4)光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数,图7-18 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系,灰体,：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比,都是同一个常数。,33,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,图7-18 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系灰体：光谱,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,34,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,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,在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者之间具有什么样的联系，1859年，Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff 定律。,最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图7-20所示，板1是黑体，板2是任意物体，参数分别为,E,b,T,1,以及,E,T,2,，则当系统处于热平衡时，有,图7-20 平行平板间的辐射换热,35,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,在学习了发射辐射与吸收辐射