热辐射基本定律和辐射基本特性分解PPT课件

第1页/共75页传热学第八章 热辐射基本定律和辐射特性第2页/共75页8-1 热辐射现象的基本概念1. 热辐射特点热辐射特点(1)(1) 定义定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)(2) 特点特点：a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 0K，就会不停地向周，就会不停地向周围空间发出热辐射；围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c 伴随能量形伴随能量形式的转变；式的转变；d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长辐射能与温度和波长均有关；均有关；f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。(3) (3) 辐射传热辐射传热热力学能热力学能热力学能热力学能辐射能辐射能第3页/共75页 电磁波谱第4页/共75页2. 电磁波谱(2). 热辐射的波长范围 理论上 ：0 整个波谱； 日常生活, 工业上常见的温度范围（太阳辐射） ：0.1100 m， 包括部分紫外线、可见光、部分红外线；(1). 传播速率与波长，频率间的关系cf第5页/共75页QQQQ一、吸收比、反射比和穿透比一、吸收比、反射比和穿透比 吸收比吸收比反射比反射比穿透比穿透比8-1 1QQQQQQ1第6页/共75页, 对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：1, 01, 0（ 2 ）镜反射和漫反射镜反射和漫反射第7页/共75页二、黑体模型二、黑体模型 能吸收投入到其表面上的所有热辐射能的物体，是能吸收投入到其表面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实中并不存在。一种科学假想的物体，现实中并不存在。111透明体：透明体：黑体：黑体：白体或镜体：白体或镜体：煤烟、炭黑、粗糙的钢板煤烟、炭黑、粗糙的钢板0.9以上第8页/共75页 白雪 ： （接近黑体）； 白布，黑布吸收比基本相同； 玻璃可透过可见光，对红外线几乎不透过。 94. 0例如黑体，白体不同于黑色物体，白色物体。区别黑体吸收和发射辐射能的能力最强第9页/共75页辐射力辐射力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。有波长的能量总和。 (W/m2)；三、辐射力和光谱辐射力三、辐射力和光谱辐射力0dEE光谱辐射力光谱辐射力E： 单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长包含某一给定波长)，物体的单位，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。表面积向半球空间发射的能量。(W/m3)；第10页/共75页2Ar2ddcAr2dsin d= sin d drrr 热传导和对流换热均与面积有关，热辐射是表面向空间发出热传导和对流换热均与面积有关，热辐射是表面向空间发出辐射，辐射换热无需换热面直接接触从而产生立体角问题。辐射，辐射换热无需换热面直接接触从而产生立体角问题。第11页/共75页 单位时间、单位可见辐射面积向单位时间、单位可见辐射面积向（，）方向的单位立体角内发）方向的单位立体角内发射的所有波长的总辐射能射的所有波长的总辐射能。 定向辐射强度定向辐射强度I( , )能流能流d( , )( , )d cosdIA /22cos d dEI 第12页/共75页251b/1CTCEeC1= 3.74310-16 W m2 ;C2 = 1.43910-2 m K。 黑体的辐射力按波长的分布规律黑体的辐射力按波长的分布规律第13页/共75页33max2.8976 102.9 10m KT2541bb/()00dd1CTCEETe黑体的所有波长辐射力总和黑体的所有波长辐射力总和第14页/共75页12bE2121bbdEE21bb00ddEE12bE21121221bbb00bb 0b 0bbbddEEEFFFEEE第15页/共75页251/0b0b 044dd1CTCEeFTT25/0d1TCTCTTfTe1221bbb 0b 0EFFE第16页/共75页,II 常量常量d( , )( , )d cosdIA d( )cosddIA 给出了黑体表面发出的辐射能在所面对的半球空间不同方给出了黑体表面发出的辐射能在所面对的半球空间不同方向上的分布规律向上的分布规律 表明：服从兰贝特定律的辐射从单位辐射面积发出的辐射表明：服从兰贝特定律的辐射从单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同方向单位立体角内的辐射能量的数值并不能，落到空间不同方向单位立体角内的辐射能量的数值并不相等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦，故相等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦，故兰贝特定律又称余弦定律。兰贝特定律又称余弦定律。 余弦定律说明，余弦定律说明，第17页/共75页EI 大多数工程材料表面辐射近似服从兰贝特定律，服从兰贝特大多数工程材料表面辐射近似服从兰贝特定律，服从兰贝特定律的表面称为定律的表面称为漫射表面漫射表面 漫射表面的辐射力是定向辐射强度的漫射表面的辐射力是定向辐射强度的倍倍 归纳归纳 黑体的辐射力由斯成藩黑体的辐射力由斯成藩-玻耳兹曼玻耳兹曼 定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方；定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方； 黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律，按空间方向黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律，按空间方向的分布服从兰贝特定律；的分布服从兰贝特定律； 黑体光谱辐射力有峰值，与此峰值相对应的波长黑体光谱辐射力有峰值，与此峰值相对应的波长m由维恩由维恩位移定律确定，随着温度的升高位移定律确定，随着温度的升高m向波长短的方向移动。向波长短的方向移动。 例例8-1 /22cos d dEI 第18页/共75页 例例8-1 太阳是一个直径大约太阳是一个直径大约1.39109 m，表面温度达，表面温度达5 762 K的炽热火球，它的总辐射功率达到的炽热火球，它的总辐射功率达到3.81026 W，达到地球范围，达到地球范围的辐射能量仅占其中的的辐射能量仅占其中的22亿分之一。试计算亿分之一。试计算5 762 K温度下黑体温度下黑体辐射中可见光（辐射中可见光（0.38 0.76 m）和一定范围内红外辐射（）和一定范围内红外辐射（0.76 40 m）能量的比例。）能量的比例。 解：计算从零至给定波长各段辐射能量的比例解：计算从零至给定波长各段辐射能量的比例 10.38 m 5 762 K2 189.6 m KT20.76 m 5 762 K4 379.1 m K T340 m 5 762 K230 480 m K T查查黑体辐射函数表黑体辐射函数表(表表8-1)得得100.099 32TF200.5458TF301.0TF第19页/共75页可见光波段的辐射能量比例为可见光波段的辐射能量比例为 0.545 80.099 32 = 0.446 5 0.76 m 40 m红外波段的辐射能量比例红外波段的辐射能量比例 1.00.545 8 = 0.454 2 计算表明：计算表明： (1) 大气层外太阳辐射中可见光的能量比例接近大气层外太阳辐射中可见光的能量比例接近45，而，而40 m以内的红外辐射也占大约以内的红外辐射也占大约45。 (2) 太阳辐射温度下，太阳辐射温度下，40 m以上的红外辐射能量几乎为零。以上的红外辐射能量几乎为零。 第20页/共75页8-3 灰体和基尔霍夫定律灰体和基尔霍夫定律实际物体实际物体辐射特性：辐射特性：光谱辐射力随波长呈现不规则的变化；光谱辐射力随波长呈现不规则的变化；辐射力并不严格地同热力学温度四次方成正比；辐射力并不严格地同热力学温度四次方成正比；定向辐射强度在不同方向上有变化。定向辐射强度在不同方向上有变化。发射率发射率 修正黑体的辐射力修正黑体的辐射力Eb光谱发射率光谱发射率 ( ) 修正光谱辐射力修正光谱辐射力Eb 定向发射率定向发射率 ( ) 修正定向辐射强度修正定向辐射强度I第21页/共75页发射率（黑度）发射率（黑度） 实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力的比值实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力的比值。实际物体的光谱辐射力与同温度下黑体光谱辐射力的比值。实际物体的光谱辐射力与同温度下黑体光谱辐射力的比值。实际物体的实际物体的光谱发射率（单色黑度）光谱发射率（单色黑度） bEE b04bdEEET 光谱光谱发射率发射率描述实际物体的辐射力随波长不规则变化的特性；描述实际物体的辐射力随波长不规则变化的特性； 发射率发射率。bEE第22页/共75页044b100TEETC实际物体的辐射力实际物体的辐射力 表表8-2 一些材料的法向发射率一些材料的法向发射率 实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比bbI()I()()I ()I 第23页/共75页1、将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复、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；杂，很难理论确定；2、实际物体的定向发射率并不完全符合兰贝特定律，但、实际物体的定向发射率并不完全符合兰贝特定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从兰贝特定律；仍然近似地认为大多数工程材料服从兰贝特定律；3、发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界、发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。条件。讨论讨论第24页/共75页第25页/共75页（1）投入辐射）投入辐射 ： 单位时间内从外界辐射到物体单位表面积单位时间内从外界辐射到物体单位表面积 上的能量。上的能量。（2）选择性吸收：）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射的吸收能力也根据其波 长不同而变化长不同而变化选择性吸收。选择性吸收。二、灰体二、灰体)(投入辐射投入的能量吸收的能量1光谱吸收比光谱吸收比 （3）光谱吸收比：）光谱吸收比： 物体对某一特定波长的辐射能物体对某一特定波长的辐射能 所吸收的百分数所吸收的百分数(单色吸收比单色吸收比)。能量投入的某一特定波长的能量吸收的某一特定波长的),(1T第26页/共75页 实际物体的光谱吸收比随投入辐射的波长而异，因而物体实际物体的光谱吸收比随投入辐射的波长而异，因而物体的吸收比比发射率更为复杂。给辐射换热计算带来很大困难。的吸收比比发射率更为复杂。给辐射换热计算带来很大困难。如果物体光谱吸收比与波长无关，则不管投入辐射分布如何，如果物体光谱吸收比与波长无关，则不管投入辐射分布如何，吸收比只决定于物体自身状况，是同一常数。吸收比只决定于物体自身状况，是同一常数。第27页/共75页 热辐射分析中，把光谱吸收比与波长无关的物体称为热辐射分析中，把光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体灰体。2灰体灰体( )( , )TT = 常数常数灰体的光谱辐射特性不随波长而变化。灰体的光谱辐射特性不随波长而变化。 第28页/共75页第29页/共75页1859年，年，Kirchhoff 提出了提出了Kirchhoff 定律。定律。bbbEEEEEE Kirchhoff 定律揭示了实际物体辐射力定律揭示了实际物体辐射力E与吸收比与吸收比关系：关系： 。三、三、 基尔霍夫基尔霍夫 定律定律考虑处于平衡状态下的两物体：考虑处于平衡状态下的两物体：T1（黑体黑体）和和T2，对物体，对物体2立能量方程立能量方程 或或 显然，这个比值与物性无关，仅与温度有关。显然，这个比值与物性无关，仅与温度有关。第30页/共75页讨论讨论（2）基尔霍夫定律的不同表达式）基尔霍夫定律的不同表达式整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；投射辐射源必须是同温度下的黑体。投射辐射源必须是同温度下的黑体。（1）基尔霍夫定律使用条件：）基尔霍夫定律使用条件：（光谱吸收比与波长无关的物体）（光谱吸收比与波长无关的物体）（3）对于灰体）对于灰体),(),(TT),(),(TT)()(TT对漫反射物体，辐射特性与方向无关，基氏定律表达为对漫反射物体，辐射特性与方向无关，基氏定律表达为对漫反射灰体，辐射特性与方向、波长均无关，基氏定律表达为对漫反射灰体，辐射特性与方向、波长均无关，基氏定律表达为一般物体辐射特性与方向、波长、温度有关，基氏定律表达为一般物体辐射特性与方向、波长、温度有关，基氏定律表达为第31页/共75页 工程材料在工程材料在2000K时，一般均能按漫灰体处理。时，一般均能按漫灰体处理。研究太阳研究太阳辐射时一般物体不能简化为灰体。辐射时一般物体不能简化为灰体。 （5）颜色对可见光的吸收比有较大影响，对红外辐射的吸）颜色对可见光的吸收比有较大影响，对红外辐射的吸收比影响不大。收比影响不大。（4）由于在大多数情况下物体可作为灰体，则由基尔霍夫）由于在大多数情况下物体可作为灰体，则由基尔霍夫定律，善于辐射的物体必善于吸收，反之亦然。同温度下黑定律，善于辐射的物体必善于吸收，反之亦然。同温度下黑体的辐射力最大。体的辐射力最大。白漆对太阳辐射的吸收比为白漆对太阳辐射的吸收比为0.12、黑漆、黑漆0.96；两者对红外线的吸收比均为两者对红外线的吸收比均为0.9左右左右.例例8-2 因光谱吸收比与投射辐射波长无关，即只取决于本身情况因光谱吸收比与投射辐射波长无关，即只取决于本身情况而与外界条件无关，所以不论投射辐射源是否为黑体，也不论而与外界条件无关，所以不论投射辐射源是否为黑体，也不论辐射源是否与灰体本身处于平衡状态，辐射源是否与灰体本身处于平衡状态，灰体的吸收率恒等于同灰体的吸收率恒等于同温度下本身的发射率。温度下本身的发射率。灰体定义灰体定义 ，吸收率等于同温度下发射率，故，吸收率等于同温度下发射率，故( )( , )TT ( )( , )TT 第32页/共75页 例例8-2 温度等于温度等于800 K的一个漫射表面的光谱发射率随波长的一个漫射表面的光谱发射率随波长的变化如图所示。求该表面的发射率和总辐射力。的变化如图所示。求该表面的发射率和总辐射力。 解：由于光谱发射率呈阶梯状分布，解：由于光谱发射率呈阶梯状分布，故表面的半球总发射率必须分作两段故表面的半球总发射率必须分作两段计算然后叠加。计算然后叠加。 bEE利用黑体辐射函数表求出两个波段份额利用黑体辐射函数表求出两个波段份额b0b( , )( , ) d( )T ETE T2m8m1b2b02mbddEEE102m228mFFF02 m = 1.972 %， F08 m = 76.92 % 所以所以 F2 m8 m = 74.95% 1221bb 0b 0FFF幻灯片幻灯片 66第33页/共75页该表面的发射率该表面的发射率= 0.80.019 72 + 0.30.749 5 = 0.240 6 表面总辐射力表面总辐射力E= Eb=0.240 65.67108 W/(m2 K4)( 800 K)4 5 588 W/m2 讨论：讨论： (1) 该表面的半球向总发射率约为该表面的半球向总发射率约为0.24，比两个波段的发射，比两个波段的发射率都小。所以不能简单认为表面的半球总发射率必定介于率都小。所以不能简单认为表面的半球总发射率必定介于 1和和 2之间。如果表面温度升至之间。如果表面温度升至2 000 K，情况将完全不同。表明实际，情况将完全不同。表明实际表面半球总发射率不仅与光谱发射率有关，也与表面温度相关。表面半球总发射率不仅与光谱发射率有关，也与表面温度相关。 (2)该表面显然该表面显然不是灰体不是灰体。就全波长而言，。就全波长而言， 它有约它有约75能量能量位于位于2 8 m之间，约之间，约2%在在02m，在该波长范围内发射率分在该波长范围内发射率分别为常数，但在别为常数，但在8 m外仍有大约外仍有大约23的辐射能量，发射率为零。的辐射能量，发射率为零。 (3) 用阶梯线逼近曲线是计算此类问题的常用方法。用阶梯线逼近曲线是计算此类问题的常用方法。 102m228mFF第34页/共75页第35页/共75页热辐射热辐射 c电磁波的传播速率，电磁波的传播速率，m/s，真空中，真空中 83 10 m/sc 约0.380.76m第36页/共75页，第37页/共75页当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即反射、吸收和穿透，如图7-2所示。11QQQQQQQQQQ3.3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透 图8.2 8.2 物体对热辐射的吸收、反射和穿透Q Q QQ第38页/共75页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：1111,01,0透明体：反射又分镜反射和漫反射两种图8-3 镜反射图8-4 漫反射第39页/共75页4.4.黑体黑体黑体：黑体：是指能吸收投入到其面是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。工制造出近似的人工黑体。图8-5 8-5 黑体模型第40页/共75页 白雪 ： （接近黑体）； 白布，黑布吸收比基本相同； 玻璃可透过可见光，对红外线几乎不透过。 94. 0例如黑体，白体不同于黑色物体，白色物体。区别黑体吸收和发射辐射能的能力最强第41页/共75页辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发单位时间内，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。射的所有波长的能量总和。 (W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力E E：单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内( (包含某一包含某一给定波长给定波长) )，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。 (W/m2 m)；1.1.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：dEE0黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为Eb8-2 黑体辐射的基本定律第42页/共75页2.黑体辐射的三个基本定律及相关性质 1)(512TcbecE式中，式中， 波长，波长，m m ； T T 黑体温度，黑体温度，K K ； c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2； c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.43881.43881010-2-2 W W K K； (1)Planck(1)Planck定律( (第一个定律) )：mm与T T 的关系由WienWien位移定律给出，KmTm3108976. 2),(TfEb第43页/共75页不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化： T一定时，00:0:max,bbmEE 一定时，bbEET,1251TCbeCE 随T的升高，Eb,max对应 的波长向短波迁移。第44页/共75页维恩位移定律光谱辐射力为 Eb,max时，和 T 之间的关系。可得:KmTm33109.2108976.2并且:355max,/10106. 1mWTEb0ddEb当温度不变时:推导推导1251TCbeCE第45页/共75页(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律( (第二个定律) )： 40)(51012TdecdEETcbb式中，式中，= 5.67= 5.6710-8 w/(m210-8 w/(m2 K4)K4)，是是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。第46页/共75页举举例例计算黑体表面温度为27 和627时的辐射力 Eb。解：黑体表面温度为27时：244101/459)10027327(67. 5)100(mWTCEb黑体表面温度为627时：2344202/102 .37)100273627(67. 5)100(mWTCEb分分析析81, 31212bbEETT说说明明高温和低温两种情况下，黑体的辐射能力有明显的差别。第47页/共75页(3)波段内黑体辐射力：dEEbb0实际问题：dEEbb2121)( 引入辐射比)(21bF)0()0(400)(122121211bbbbbbFFdETdEdEF其中： 为黑体辐射函数（表8-1） )0(bF 则波段内黑体辐射力：bbbbEFFE)0()0()(1221第48页/共75页(4)立体角srrA2球面度 对整个半球：srrA222 对微元立体角：srddrdAdsin2第49页/共75页图8-9 8-9 计算微元立体角的几何关系第50页/共75页定义：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8-108-10。 dcosd),(d),(AI(5) 定向辐射强度I I( ( , , ) )：图8-10 8-10 定向辐射强度 的定义图(6) Lambert 定律cosdd),(dIA它说明黑体的定向辐射力随天顶角 呈余弦规律变化，见图8-11，因此， Lambert定律也称为余弦定律。第51页/共75页图8-11 Lambert8-11 Lambert定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:E:2cosIdIE第52页/共75页 8-3 固体和液体的辐射特性 实际物体的辐射力 1. 实际物体的发射率（黑度） bEE2. 实际物体的辐射力：40)100(TCEEb反映了物体发射辐射能量的能力。说明说明第53页/共75页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。WavelengthDirection (angle from the surface normal)第54页/共75页T, T, T, T, T, blackbody, emitted actual, bEEEE对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了半球光谱发射率，即实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比E半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均值bbIIII)()()()(定向发射率是实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：第55页/共75页bbIIII)()()()( 对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb 和定向辐射强度I，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40)(TdEEEbb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：bEE)(实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：第56页/共75页漫发射的概念：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，满足上诉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8-15 几种金属导体在不同方向上的定向发射率 ( )(t=150)第57页/共75页图8-16 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率 ( )(t=093.3)第58页/共75页前面讲过，黑体、灰体、白体等都是理想物体，而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)(1)实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图8-148-14；(2)(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)(3) 实际物体的定向辐射强度也不严格遵守LambertLambert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8-14 实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱第59页/共75页本节中，还有几点需要注意本节中，还有几点需要注意1.1.将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，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；很难理论确定，实际上是一种权宜之计；2.2.服从服从LambertLambert定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合定向发射率并不完全符合LambertLambert定律，但仍然近似地认定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从为大多数工程材料服从LambertLambert定律，这有许多原因；定律，这有许多原因；3.3.物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。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。界条件。第60页/共75页8-4 8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系 上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的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。情况又是如何呢？本节将对其作出解答。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with what happens to _, while emissivity deals with _第61页/共75页1. 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. 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. 3. 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用 表 示，即)(投入辐射投入的能量吸收的能量首先介绍几个概念：第62页/共75页(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。能量投入的某一特定波长的能量吸收的某一特定波长的),(1T图8-17和8-18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8-17 金属导电体的光谱吸收比同波长的关系第63页/共75页图8-18 8-18 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。第64页/共75页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 1、2 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 1的吸收比为)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性质表面的性质，表面投入的总能量吸收的总能量TTfTETTETTbb第65页/共75页图8-18给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为1),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性质表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb第66页/共75页图8-19 8-19 物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系第67页/共75页 物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一般有般有两种两种处理方法，即处理方法，即(1)(1)灰体法灰体法，即将光谱吸收比，即将光谱吸收比 ( ( ) ) 等效为常数，即等效为常数，即 = = ( ( ) ) = const= const。并将。并将 ( ( ) )与波长无关的物体称为灰体与波长无关的物体称为灰体，与黑体类，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；体假设带来的误差是可以容忍的；(2)(2)谱带模型法谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。体假设。第68页/共75页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，18591859年，Kirchhoff Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff 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8-208-20所示，板1 1时黑体，板2 2是任意物体，参数分别为E Eb b, , T T1 1 以及E E, , , T, T2 2，则当系统处于热平衡时，有 bbEEEE图8-20 8-20 平行平板间的辐射换热第69页/共75页 此即此即Kirchhoff Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热力定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下具有如下限制限制：(1)(1)整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；(2)(2)如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；于同一温度下的值才能相等；(3)(3)投射辐射源必须是同温度下的黑体投射辐射源必须是同温度下的黑体。为了将Kirchhoff Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式，见表8-28-2。第70页/共75页层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向光谱，半球光谱，半球全波段，半球全波段，半球无条件，无条件， 为天顶角为天顶角漫射表面漫射表面与黑体处于热平衡或对与黑体处于热平衡或对漫灰表面漫灰表面),(),(TT),(),(TT)()(TT表8-2 Kirchhoff 8-2 Kirchhoff 定律的不同表达式注：注：(1)(1)漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合关，即符合LambertLambert定律的物体表面；定律的物体表面；(2)(2)灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。比例。第71页/共75页思考题：思考题：1.1.什么是黑体什么是黑体, , 灰体灰体? ? 实际物体在什么样的条件下可实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体以看成是灰体? ?2.2.光谱辐射力光谱辐射力, ,辐射力和定向辐射强度的物理意义辐射力和定向辐射强度的物理意义. . 它它们之间有什么关系们之间有什么关系? ?3.3.物体的发射率物体的发射率, , 吸收率吸收率, , 反射率反射率, , 穿透率是怎样定穿透率是怎样定义的义的? ? 发射率和反射率有何不同发射率和反射率有何不同? ?4.4.工业上有实际意义的热辐射波长范围工业上有实际意义的热辐射波长范围. . 近红外近红外, , 远远红外辐射概念红外辐射概念. .5.5.漫射表面的概念漫射表面的概念. .6.6.物体的发射率取决于物体本身物体的发射率取决于物体本身, , 而不涉及外部条件而不涉及外部条件. . 因此因此, , 发射率可看成是物性发射率可看成是物性. . 但是吸收率与外界条但是吸收率与外界条件有关件有关. . 为什么对于灰体为什么对于灰体, ,吸收率也可看成是物性吸收率也可看成是物性, , 并等于发射率并等于发射率? ?第72页/共75页7.7.维恩位移定律的表达式. . 试考虑一下它在自然科学 及工程应用中的作用. .8.8.四个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用. .第73页/共75页作业：第74页/共75页感谢您的观看！第75页/共75页