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2024/7/311高等辐射传热学教材2024/7/312绪 论2024/7/3132004.6.212004.9.292004.10.4太空船2024/7/314Ansari X Prize Ansari X Prize 评奖评奖条件：条件：航天器必须搭乘一名航天器必须搭乘一名航天员和两名乘客航天员和两名乘客（或同重物体）飞上（或同重物体）飞上100100公里外的空间、停公里外的空间、停留一定时间再安全返留一定时间再安全返回地球，并能在两周回地球，并能在两周内重复一次。内重复一次。总额：总额：10001000万美元万美元有效期：有效期：1998.4-1998.4-2005.12005.1空天航天器2024/7/315运载火箭2024/7/316燃烧 锅炉及锅炉房设备2024/7/317只要温度高于只要温度高于绝对零度（零度（0K0K是基是基态，非，非激激发态，不，不发射），任何物体都随射），任何物体都随时间向周向周围空空间发射射电磁波。磁波。辐射是物射是物质的的固有属性。固有属性。热辐射指波射指波长0.1100m0.1100m(有的指有的指0.0011000 m)0.0011000 m)的的电磁波，它磁波，它是与是与热和光有关的波段。和光有关的波段。辐射2024/7/318热辐射在工程技术中的重要性、特点v太阳能、高温设备、核、航空航天、太阳能、高温设备、核、航空航天、发动机尾焰、红外隐身等发动机尾焰、红外隐身等v与导热对流不同点与导热对流不同点12辐射能的传递不辐射能的传递不需要介质，真空需要介质，真空中唯一的传递能中唯一的传递能量的方式。量的方式。2024/7/319辐射问题固有的复杂性v数学描述数学描述v方程中物性值难以准确测量，原因是影方程中物性值难以准确测量，原因是影响因素太多响因素太多v辐射的微观机理至今未清辐射的微观机理至今未清2024/7/3110辐射问题固有的复杂性数学描述v导热导热导热、对流的热平衡仅考虑该位置紧邻导热、对流的热平衡仅考虑该位置紧邻处的情况。处的情况。2024/7/3111辐射问题固有的复杂性数学描述v辐射传热辐射传热到到达达每每单单位位面面积积dA上上的的总总辐辐射能为射能为上上述述热热平平衡衡有有着着积积分分方方程程的的形形式式，当当与与导导热热对对流流耦耦合合时时，温温度度的的不不同同次次幂幂，而而且且是是积积分分-微微分方程组。分方程组。2024/7/3112辐射问题固有的复杂性v方程中物性值难以准确测量，原因是影方程中物性值难以准确测量，原因是影响因素太多响因素太多表表面面的的粗粗糙糙度度、材材料料的的纯纯度度、涂涂层层厚厚度度、薄薄涂涂层层基基体体的的影影响响、温温度度、辐辐射射波波长长、辐辐射射离离开开表表面面的的角角度度、吸吸收收系系数、散射系数等数、散射系数等吸收率、发射率、反射率吸收率、发射率、反射率2024/7/3113辐射问题固有的复杂性v辐射的微观机理至今未清辐射的微观机理至今未清2024/7/3114电磁波谱辐射能的射能的传递如何考如何考虑：经典的典的电磁磁波理波理论和量子力学。和量子力学。v波动性波动性wavesv光子光子photonsv真空中光速真空中光速v可见光：可见光：0.40.7m2024/7/3115电磁辐射波谱及产生机理2024/7/3116教材vRobert Siegel,John R.Howell.Thermal radiation heat transfer.4th edition,Taylor&Francis,2002v曹玉璋，黄素逸，陆大有，陶文铨，朱曹玉璋，黄素逸，陆大有，陶文铨，朱芙英，胡桅林译，刘才铨校芙英，胡桅林译，刘才铨校.R 西格尔，西格尔，JR 豪威尔著。豪威尔著。热辐射传热。科学出版热辐射传热。科学出版社，社，1990v余其铮编著，辐射换热原理，哈尔滨工余其铮编著，辐射换热原理，哈尔滨工业大学出版社，业大学出版社，20002024/7/3117第一章黑体辐射2024/7/3118黑体的定义和特点,Blackbody一种理想的物体，它允一种理想的物体，它允许所有的入射所有的入射辐射射进入其内，并吸收所有的入射的入其内，并吸收所有的入射的辐射能。射能。v黑体是理想的吸收体黑体是理想的吸收体v黑体是理想的发射体黑体是理想的发射体v黑体的辐射各向同性，方向光谱辐射强度处处黑体的辐射各向同性，方向光谱辐射强度处处相同相同v黑体在各个方向、各个波长下都是理想的发射黑体在各个方向、各个波长下都是理想的发射体和吸收体体和吸收体v黑体对真空的总辐射能量仅是温度的函数，环黑体对真空的总辐射能量仅是温度的函数，环境温度不影响黑体的辐射行为境温度不影响黑体的辐射行为2024/7/3119黑体特性讨论图2012.2.1 Mathematical definitionsSolid angleThe arc length dlRadius rThe solid angle dThe zenith angle The azimuthal angle 2112.2.1 Mathematical definitionsSolid angleThe solid angle d22Solid angleThe hemispherical solid angle Where h refers to integrating over the hemisphere.sr:the unit steradian.2024/7/3123立体角示意图2024/7/3124黑体的发射特性黑体的辐射强度定义Blackbody radiation intensity:Blackbody radiation intensity:每每单位位时间在波在波长附近的每附近的每单位波位波长间隔内，隔内，垂直垂直于于(,)(,)方向方向的每的每单位投影面位投影面积，发射到射到以以(,)(,)方向方向为中心的中心的单位立体角内的能位立体角内的能量。量。与与现代光学上，或物理学上的代光学上，或物理学上的亮度亮度L的定的定义相相同，物理学上的同，物理学上的辐射射强度描述点度描述点辐射源，射源，为：2024/7/3125黑体表面的光谱辐射强度定义图2024/7/3126黑体辐射力(power)Blackbody radiation power:Blackbody radiation power:每单位每单位时间内在波长时间内在波长附近的每单位波长间附近的每单位波长间隔内，隔内，从每单位面积的黑体表面从每单位面积的黑体表面，发，发射到以射到以(,)(,)方向为中心的方向为中心的单位立单位立体角体角内的能量。内的能量。称为黑体表面的方向称为黑体表面的方向光谱辐射力光谱辐射力2024/7/3127黑体辐射强度与角度无关因因为为是是在在投投影影面面积积的的基基础础上上定定义义的的，所以黑体辐射强度与发射方向无关。所以黑体辐射强度与发射方向无关。2024/7/3128推导过程2024/7/3129黑体辐射角分布图2024/7/3130黑体辐射强度与角度无关黑体辐射强度与发射方向无关黑体辐射强度与发射方向无关理解理解2024/7/3131Lambert定律与与无关无关Lambert cos定律，符合的称为定律，符合的称为漫射表面漫射表面对对黑黑体体，因因为为是是理理想想体体（作作为为比比较较基基准准），从辐射强度和辐射力的定义知，从辐射强度和辐射力的定义知2024/7/3132黑体的半球光谱辐射力方向光谱辐射力方向光谱辐射力对表面上方的半球壳的对表面上方的半球壳的全部立体角进行积分所得的光谱辐射力，全部立体角进行积分所得的光谱辐射力，称为称为半球光谱辐射力半球光谱辐射力黑黑体体的的半半球球辐辐射射力力是是辐辐射射强强度度的的倍倍，或或者者是是垂直于表面的方向辐射力的垂直于表面的方向辐射力的倍。倍。2024/7/3133Plancks law，黑体半球光谱辐射力下标下标0表示真空，或表示真空，或n=1的介质，常省略的介质，常省略2024/7/3134黑体在不同温度下的半球光谱辐射力分布图太阳太阳5780K2024/7/3135黑体半球辐射力的光谱分布2024/7/3136Wien位移定律黑体半球光谱辐射力达最大值时的波黑体半球光谱辐射力达最大值时的波长称为长称为2024/7/3137黑体总辐射强度和半球总辐射力Stefan-Boltzmann常数常数2024/7/3138例题1已已知知一一黑黑体体表表面面沿沿法法向向发发射射的的辐辐射射总总能能量量在在每每单单位位立立体体角角每每单单位位表表面面积积为为10000w/(m2.sr)，求该表面的温度？，求该表面的温度？解：半球总辐射力与法向总辐射强度解：半球总辐射力与法向总辐射强度的关系式为的关系式为所以，表面温度为所以，表面温度为2024/7/3139例题2已已 知知 一一 黑黑 体体 表表 面面 半半 球球 总总 辐辐 射射 力力 为为20kw/m2，求求该该表表面面的的温温度度？另另外外具具有有最大光谱辐射强度的波长是多少？最大光谱辐射强度的波长是多少？解：根据解：根据Stefan-Boltzmann定律，黑体定律，黑体的半球总辐射力与温度的关系式为的半球总辐射力与温度的关系式为所以，表面温度为所以，表面温度为根据根据Wien定律有定律有2024/7/3140例题3已已知知一一表表面面温温度度为为1000C的的黑黑体体向向真真空空发发射射。求求在在光光谱谱6m的的辐辐射射强强度度，以以及及天天顶顶角角60度度方方向向的的方方向向光光谱谱辐辐射射力力和和半半球光谱辐射力？球光谱辐射力？解：解：Planck定律定律Stefan-Boltzmann定律定律2024/7/3141黑体在波长间隔内的辐射份额函数 份额函数份额函数可直接查表，不需复杂可直接查表，不需复杂的数值积分计算的数值积分计算2024/7/3142黑体辐射力在0到T范围内的份额图2024/7/3143黑体在介质中（非真空）辐射2024/7/3144黑体的实验室制备2024/7/3145定义半球半球总：指对全部光谱（波长）的积分总：指对全部光谱（波长）的积分率：率：-ivity固有属性固有属性性：性：-ance方向方向(,)，光谱，光谱2024/7/3146黑体辐射量图解一2024/7/3147黑体辐射量图解一2024/7/3148黑体辐射量图解一2024/7/3149黑体辐射量图解二2024/7/3150黑体辐射量图解二2024/7/3151黑体辐射量图解二2024/7/3152概念复习2024/7/3153思考题1 一一黑黑体体T=2778K，一一位位实实验验者者想想用用辐辐射射探探测测器器来来测测量量该该黑黑体体的的总总辐辐射射力力。该该探探测测器器能能吸吸收收=0.85m光光谱谱内内的的所所有有辐辐射射，但但探探测测不不到到这这一一区区域域外外的的能能量量。试试问问实实验验者者对对该该探探测测结结果果如如何何修修正正？如如果果探探测测器器可可在在其其灵灵敏敏区区的的一一端扩展端扩展0.5 m,问应在哪一段扩展？问应在哪一段扩展？2024/7/3154第二章非黑、非透明表面辐射性质的定义2024/7/31552-1 引言半球半球总：指对全部光谱（波长）的积分总：指对全部光谱（波长）的积分率：率：-ivity固有属性固有属性性：性：-ance方向方向(,)，光谱，光谱2024/7/31562-2 发射率2-2-1 方向光方向光谱发射率射率=真实物体在某一方向某一波长内发射的真实物体在某一方向某一波长内发射的能量能量/黑体在同一方向同一波长内发射的黑体在同一方向同一波长内发射的能量能量2024/7/31572-2-2 方向总发射率物体：物体：黑体：黑体：2024/7/31582-2-3 半球光谱发射率2024/7/31592-2-4 半球总发射率2024/7/3160发射率例题一个表面温度一个表面温度为1000K1000K，其，其发射率射率(,)(,)与与 无关，但与无关，但与的关系如下的关系如下图所示，所示，求表面的半球求表面的半球总发射率和半球射率和半球总辐射力。射力。解：解：2024/7/3161思考题2024/7/3162简答2024/7/31632-3 吸收率分母为：分母为：dA截获的入射辐射能量截获的入射辐射能量分子为：分子为：dA吸收的入射辐射能量吸收的入射辐射能量2-3-1 方向光谱吸收率：非吸收介质中方向光谱吸收率：非吸收介质中2024/7/31642-3-2 Kirchhoffs law将将dA放在一个等温的黑体封放在一个等温的黑体封闭腔内，腔内，处于于热力学平衡状力学平衡状态，则有：有：这是该定律最通用的形式。这是该定律最通用的形式。2024/7/31652-3-3 方向总吸收率2024/7/31662-3-4 方向总特性的Kirchihoff定律灰体灰体2024/7/31672-3-5 半球光谱吸收率当入射辐射强度与方向无当入射辐射强度与方向无关，或在所有方向均相同关，或在所有方向均相同漫射表面漫射表面2024/7/31682-3-6 半球总吸收率漫射灰体时漫射灰体时？2024/7/3169吸收率例题一表面温度为一表面温度为300K，求求从一黑体从一黑体1000K辐射源入射。辐射源入射。解：对漫入射解：对漫入射2024/7/31702-3-7 漫射灰表面漫射漫射：方向发射率和方向吸收率与方向无关。：方向发射率和方向吸收率与方向无关。灰灰：光谱发射率和光谱吸收率与波长无关。：光谱发射率和光谱吸收率与波长无关。漫射灰体漫射灰体：方向光谱值和半球总值是相等的。：方向光谱值和半球总值是相等的。2024/7/31712-4 反射率复杂性：两个方向复杂性：两个方向方向方向光谱反射率方向方向光谱反射率2024/7/31722-4-1 双向光谱反射率这个定义的反射率有量纲。这个定义的反射率有量纲。分母：被分母：被dA截获的每单位面积单位波长间隔的截获的每单位面积单位波长间隔的能量。能量。对所有的入射角积分时，我们得到反射辐射强度：对所有的入射角积分时，我们得到反射辐射强度：2024/7/31732-4-2 双向光谱反射率的互换性可证明可证明2024/7/3174互换性的证明v思考题思考题2024/7/31752-4-3 方向半球光谱反射率 2024/7/31762-4-4半球方向光谱反射率 2024/7/31772-4-5 方向光谱反射率的互换性对均匀入射，即入射辐射强度与方向无关对均匀入射，即入射辐射强度与方向无关时，可得：时，可得：2024/7/31782-4-6 半球半球光谱反射率 2024/7/31792-4-7 漫反射表面漫射反射表面LP 0-3-0，HP 1-0-1反射的光谱强度在所有的反射方向上反射的光谱强度在所有的反射方向上均相同，从而：双向光谱反射率与反均相同，从而：双向光谱反射率与反射方向无关。射方向无关。2024/7/31802-5 总反射率2-4节中的所有定义对光谱积分，其他内节中的所有定义对光谱积分，其他内涵相同。涵相同。双向总反射率双向总反射率方向半球总反射率方向半球总反射率半球方向总反射率半球方向总反射率半球总反射率（半球半球总反射率）半球总反射率（半球半球总反射率）2024/7/3181概念术语区别v方向，双向，半球方向，双向，半球v光谱，总光谱，总v漫射漫射v漫反射漫反射v均匀入射（均匀照射），又称漫射入射均匀入射（均匀照射），又称漫射入射v灰体灰体2024/7/31822-6 反射率、吸收率和发射率的关系考考虑光光谱能量：能量：考虑总能量：灰表面考虑总能量：灰表面2024/7/3183反射率、吸收率和发射率的关系半球入射：半球吸收、半球半球反射半球入射：半球吸收、半球半球反射半球半球总：漫射入射（或称均匀入射），半球半球总：漫射入射（或称均匀入射），灰表面灰表面2024/7/3184思考题 下面的下面的2例题例题2024/7/3185例题1太太阳阳辐辐射射入入射射到到位位于于地地球球大大气气层层外外轨轨道道的的一一表表面面上上。该该表表面面的的温温度度为为1000K，其其方方向向发发射射率率如如下下图图所所示示。如如果果入入射射能能量量的的方方向向与与表表面面法法线线成成25度度角角，试试求求反反射的能流密度是多少？射的能流密度是多少？2024/7/3186例题1图2024/7/3187例题2有有一一个个温温度度为为500K的的表表面面，其其法法向向的的光光谱谱发发射射率率可可近近似似用用下下图图表表示示。用用冷冷却却水水使使该该表表面面维维持持500K，然然后后用用加加热热到到温温度度为为Ti=1500K的的黑黑体体半半球球将将其其包包围围，试试问问表表面法向的反射强度为多少？面法向的反射强度为多少？答案：答案：35.3kw/(m2.sr)2024/7/3188例题2图2024/7/3189下面下面2例题。例题。作业2024/7/3190例3-6太太阳阳辐辐射射入入射射到到位位于于地地球球大大气气层层外外轨轨道道的的一一表表面面上上。该该表表面面的的温温度度为为1000K，其其方方向向发发射射率率如如图图所所示示。如如果果入入射射能能量量的的方方向向与与表表面面法法线线成成25度度角角，试试求求反反射射的能流密度是多少？的能流密度是多少？2024/7/3191例3-62024/7/3192例题3-7有有一一个个温温度度为为500K的的表表面面，其其法法向向的的光光谱谱发发射射率率可可近近似似用用下下图图表表示示。用用冷冷却却水水使使该该表表面面维维持持500K，然然后后用用加加热热到到温温度度为为Ti=1500K的的黑黑体体半半球球将将其其包包围围，试试问问表表面法向的反射强度为多少？面法向的反射强度为多少？答案：答案：35.3kw/(m2.sr)2024/7/3193例题3-7图2024/7/3194第三章电磁理论预测辐射性质辐射性质与材料电磁性质参数关系辐射性质与材料电磁性质参数关系电磁波在介质中的传递理论电磁波在介质中的传递理论2024/7/31953-1 引言James Clerk Maxwell在在1864年年发表了一篇著表了一篇著名名论文，确立了文，确立了电场和磁和磁场相互之相互之间的关的关系，并系，并认识到到电磁波是以光速磁波是以光速传播的，光播的，光本身就是本身就是电磁波的一种形式。磁波的一种形式。波波动方法方法阐述光的述光的许多性多性质和和热辐射，目的射，目的找出材料的找出材料的辐射性射性质和光学及和光学及电学性学性质之之间的关系，即的关系，即证明材料的反射率、明材料的反射率、发射率射率和吸收率在某些情况下可以根据材料的和吸收率在某些情况下可以根据材料的电学、光学性学、光学性质进行行计算。算。这个理个理论在在100年前提出，在工程上没有得年前提出，在工程上没有得到广泛的到广泛的应用，主要原因是要表面用，主要原因是要表面绝对光光滑。揭示滑。揭示规律，指律，指导实验数据外推。数据外推。2024/7/31963-2 电磁方程Maxwell方程：没有方程：没有电荷荷积聚，各向同性，真空聚，各向同性，真空中。中。v 导磁率导磁率v 电容率电容率v 电阻率电阻率v 导电率导电率=1/电阻率电阻率2024/7/31973-3 介质内辐射波的传递一维场方程（平面波）：一维场方程（平面波）：电磁波沿电磁波沿方向传播，方向传播，方向单位矢量方向单位矢量n在等在等平面上：平面上：r.n=常数常数2024/7/31981-D传播：传播：2024/7/31992024/7/31100利用上面的关系式写出一维电磁场的利用上面的关系式写出一维电磁场的Maxwell方程为：方程为：(I)(II)(III)(IV)2024/7/31101下面推导电场强度和磁场强度各自的控制方程形式，便于求解2024/7/31102从而得：从而得：2024/7/311032024/7/31104同理从同理从Maxwell方程中可导得磁场控方程中可导得磁场控制方程为制方程为2024/7/31105对电场强度又从又从Maxwell方程方程(II)等可以导得：等可以导得：2024/7/31106在所有导电介质中，在所有导电介质中，很小，如海水中很小，如海水中在不良导体中，在不良导体中，在绝缘介质中，在绝缘介质中，从而，如介质的导电性有限，电场强度呈从而，如介质的导电性有限，电场强度呈指数很快衰减，在导体内部不能维持一指数很快衰减，在导体内部不能维持一个静电场。个静电场。在理想绝缘介质中，在理想绝缘介质中，E E可以存在，但与时可以存在，但与时间无关。间无关。这也说明了这也说明了E E场的横向性。场的横向性。2024/7/31107可以证明：E、H有横波分量，在传播方向没有变化的分量物理意物理意义是：沿是：沿n方向方向H相相对于于n或或t均均没有没有变化，所以可化，所以可设其其为0。同。同时也也说明了明了H场的横向性。的横向性。2024/7/311083-3-2 在理想绝缘介质中的传播理想理想绝缘介介质，即衰减系数，即衰减系数K=0，如真，如真空或其他空或其他绝缘体，体，2024/7/31109平面波的传播方程解假设平面波沿假设平面波沿x方向传播，在真方向传播，在真空中，电阻率无穷大，所以空中，电阻率无穷大，所以2024/7/31110f f函数描述波沿函数描述波沿x x正向传播，正向传播，g g函数描述波沿函数描述波沿x x反向传播。仅考虑正向。反向传播。仅考虑正向。波的传播速度。观察者随波一起运动，那波的传播速度。观察者随波一起运动，那么观察者总处于一个固定的么观察者总处于一个固定的 值。要值。要f f固固定，则其变量为常数：定，则其变量为常数：2024/7/31111与电场耦合的磁场的解与上述电场解相与电场耦合的磁场的解与上述电场解相似。平面波的电磁场解的波形如上图所似。平面波的电磁场解的波形如上图所示。示。2024/7/31112波动方程解的复数形式上式波上式波动方程解式可以用复数形式表示，假方程解式可以用复数形式表示，假设原点原点处(x=0)(x=0)波形随波形随时间变化关系化关系为：传播到传播到x x位置的波方程为：真实介质中是一衰位置的波方程为：真实介质中是一衰减波减波2024/7/31113介质中的波速介质中的波速真空中的波速真空中的波速单折射率单折射率n定义定义2024/7/311143-3-3 在有限导电率的各向同性介质中的传播：金属、半导体引入一个随距离按指数规律衰减的波：引入一个随距离按指数规律衰减的波：K为介质中的衰减系数为介质中的衰减系数2024/7/31115为复折射率，为复折射率，n、K为正实数为正实数代入控制方程：代入控制方程：实部虚部分别相等，得：实部虚部分别相等，得：2024/7/31116用复折射率代替单折射率，对理想绝缘介质导得的某用复折射率代替单折射率，对理想绝缘介质导得的某些关系式对导电介质将仍然成立。类比法。少数情况些关系式对导电介质将仍然成立。类比法。少数情况不成立。不成立。有用的关系式2024/7/311173-3-4 电磁波的能量Poynting Vector:v单位时间单位面积内通过的电磁波的能量单位时间单位面积内通过的电磁波的能量v对沿对沿x方向传播的平面电磁波，方向传播的平面电磁波，2024/7/31118介质吸收系数与光学上衰减系数关系|S|是一个光谱量，它是与前面讲的方向光谱辐是一个光谱量，它是与前面讲的方向光谱辐射强度的量成比例的。辐射强度中的衰减系数射强度的量成比例的。辐射强度中的衰减系数必定等于必定等于Ey中衰减项中衰减项 的平方。的平方。在后面我们使用吸收系数在后面我们使用吸收系数a去描述介质中吸收去描述介质中吸收引起的指数衰减，辐射强度的衰减为：引起的指数衰减，辐射强度的衰减为：这为从衰减系数的光学数据中求介质的光谱吸这为从衰减系数的光学数据中求介质的光谱吸收系数提供了一个手段。收系数提供了一个手段。2024/7/311193-5 反射定律和折射定律两介质交界面处电磁波的传播3-5-1 两理想绝缘体交界面上的反射和折射两理想绝缘体交界面上的反射和折射2024/7/31120I 入射平面内偏振(极化)的平面波波的振幅方向位于入射平面内或平行于入射波的振幅方向位于入射平面内或平行于入射平面。平面。取实部取实部2024/7/311212024/7/31122入射波在x,y,z方向的分量2024/7/31123对反射波2024/7/31124对折射波2024/7/31125BC交界面处的边界条件：平行于交界面的交界面处的边界条件：平行于交界面的场的强度分量相等。场的强度分量相等。2024/7/31126Snell 定律因为上式对任意的因为上式对任意的t,y均成立，所以只能是：均成立，所以只能是：2024/7/31127反射分量和折射分量该式中折射分量可以通过相耦合的磁场强度分量消去该式中折射分量可以通过相耦合的磁场强度分量消去对金属和对金属和绝缘体绝缘体2024/7/31128II 垂直入射平面内偏振(极化)的平面波能量正比于波的振幅的平方。所以反射率：能量正比于波的振幅的平方。所以反射率：下标下标S:specular，因为所有电磁理论，因为所有电磁理论预测的都是镜面的预测的都是镜面的2024/7/31129III 非偏振(极化)的平面波入射，反射率电磁场没有确定的方向，平行分量和垂直分电磁场没有确定的方向，平行分量和垂直分量相等。所以反射率：量相等。所以反射率：称：称：FresnelFresnels equations equation。它给出了非极。它给出了非极化（非偏振）入射波在理想绝缘介质交界化（非偏振）入射波在理想绝缘介质交界面上的反射率面上的反射率2024/7/311303-5-2 吸收介质表面的入射当波在无穷衰减介质介质中传播时，只要用当波在无穷衰减介质介质中传播时，只要用复折射率代替单折射率，控制方程相同。对复折射率代替单折射率，控制方程相同。对界面问题也一样。界面问题也一样。Snell定律定律注意：注意：sinsin是一个复数，是一个复数，不能简单解释不能简单解释为折射角了。除法向入射外，为折射角了。除法向入射外，n n也不再与传也不再与传播速度直接相关。播速度直接相关。仍为入射角。仍为入射角。2024/7/31131倾斜入射情况2024/7/31132v真空中投射到真空中投射到衰减介质衰减介质 上。折射上。折射后，波的等相位平面仍然垂直于波的传播方向，后，波的等相位平面仍然垂直于波的传播方向，这些等相位平面以相速度这些等相位平面以相速度 向前推进。向前推进。v介质中波的衰减正比于波在介质中的传播距离，介质中波的衰减正比于波在介质中的传播距离，所以等振幅的平面平行于交界面，即等所以等振幅的平面平行于交界面，即等x x平面。平面。这种等振幅平面与等相位平面不重合的波，称这种等振幅平面与等相位平面不重合的波，称为非统一波（为非统一波（inhomogeneous)inhomogeneous)vx x方向的衰减系数称做方向的衰减系数称做 。法向入射。法向入射2024/7/31133介质中的波动方程为：介质中的波动方程为：折射传播角折射传播角不等于不等于Snell定律中的定律中的，因为，因为复数。复数。2024/7/31134衰减介质中平面波的控制方程为衰减介质中平面波的控制方程为代入波的方程，将实部和虚部分别相等代入波的方程，将实部和虚部分别相等2024/7/31135并利用前面导得的并利用前面导得的这三个方程，可从这三个方程，可从n,K,算得算得,。这。这样就给出了衰减介质中波的传播描述。样就给出了衰减介质中波的传播描述。2024/7/31136用复折射率表示的反射定律对法向入射，用对法向入射，用 代替代替n:2024/7/31137对倾斜入射，与前同：对倾斜入射，与前同：注意到上式的复杂性：注意到上式的复杂性：cos为复数，所以为复数，所以求其共轭复数要交换。求其共轭复数要交换。2024/7/31138例：真空或空气中入射到具有n,K性质的衰减介质中即即2024/7/31139v代入反射率公式得代入反射率公式得2024/7/311403-6 应用电磁理论计算辐射性质应用限制：计算中的假设；量子效应，应用限制：计算中的假设；量子效应，即当波的振动频率与分子振动频率相同即当波的振动频率与分子振动频率相同数量级时，该理论本身也不成立。从而数量级时，该理论本身也不成立。从而只能计算比可见光波长长的长波。只能计算比可见光波长长的长波。2024/7/311413-6-1 理想绝缘材料的辐射性质 反射率反射率 消去折射角消去折射角2024/7/31142这个这个角称为角称为Brewsters angle。在这个。在这个角度下，反射的平面波全部为垂直偏角度下，反射的平面波全部为垂直偏振的波。振的波。2024/7/31143 思考题0.202,0.301,0.252;0.047,0.0202024/7/31144发射率v物体不透明物体不透明LP 0-3-0，HP 1-0-1积分是很繁琐的。而且缺乏光学性质数据积分是很繁琐的。而且缺乏光学性质数据 对对的解析表达式，所以常将的解析表达式，所以常将 当作当作。2024/7/311453-6-2 吸波材料玻璃玻璃对可可见光衰减很小，但光衰减很小，但对红外外线辐射衰减很大。射衰减很大。金属通常具有高的吸波性能。当考金属通常具有高的吸波性能。当考虑K时，从空气或，从空气或真空中入射真空中入射时其反射率公式其反射率公式为：2002原版教材原版教材2024/7/311463-6-3 金属的辐射特性，大K值2024/7/31147Hagen-Rubens方程方程v这就是这就是Hagen-Rubens方程。误差较大方程。误差较大2024/7/31148金属材料法向向空气或真空中辐射的法向发射率2024/7/31149金属材料法向向空气或真空中辐射的半球发射率2024/7/31150思考题2024/7/311513-7 辐射性质理论的推广Surface microgeometryA microcontoured surfaceSemiconductor and photonic devicesRadiation tunneling2024/7/31152第四章实际材料的辐射性质2024/7/311534-1 引言电磁磁理理论对光光学学上上光光滑滑表表面面辐射射性性质的的计算算结果果与与实际材材料料的的表表面面测量量结果果差差别较大大。实际测量量在在表表面面辐射射性性质研究必不可少。研究必不可少。实际材材料料热辐射射性性质随随波波长、温温度度、粗糙度、粗糙度、发射方向等的射方向等的变化。化。绝缘材料、半材料、半导体、金属、涂体、金属、涂层。2024/7/311544-2 金属材料的辐射特性金属金属发射的射的总体特性体特性:纯净光滑的金属表面一般光滑的金属表面一般发射率和吸射率和吸收率均低，因而反射率收率均低，因而反射率较高。高。金属金属发射特性的影响因素射特性的影响因素:(1)发射方向射方向 (6)熔融金属熔融金属(2)波波长(3)表面温度表面温度(4)表面粗糙度表面粗糙度(5)表面表面杂质,表面涂表面涂层2024/7/311554-2 金属材料的辐射特性纯净光滑的金属表面一光滑的金属表面一般般发射率和吸收率均射率和吸收率均低，因而反射率低，因而反射率较高。高。金属具有低金属具有低发射率的例射率的例外：当外：当波波长变短短时，光光谱发射率可以增加射率可以增加到到0.5或更大，或者当或更大，或者当温度升高温度升高时发射率射率变得得较大。大。2024/7/311564-2-1 方向上的变化磨光金属表面除磨光金属表面除90度附近外，方向度附近外，方向发射率随射率随天天顶角增加而增大。已被角增加而增大。已被电磁理磁理论预测到。到。铂金属。金属。2024/7/311574-2-1 方向上的变化：磨光钛磨光金属表面除磨光金属表面除90度附近外，度附近外，方向方向发射率随射率随天天顶角增加而角增加而增大。增大。对短波可能有偏短波可能有偏差。右差。右图磨光磨光钛的方向光的方向光谱发射率。射率。2024/7/311584-2-2 波长的影响金属的光金属的光谱发射射率在率在红外区域外区域随波随波长的减小的减小而增加。而增加。图中中铜曲曲线是例是例外，其外，其发射率射率随波随波长相相对地地保持不保持不变。2024/7/311594-2-2 波长的影响在波在波长很短很短时，电磁理磁理论预测失效。失效。绝大多数金属在大多数金属在在靠近可在靠近可见光的光的某某处有一个最大有一个最大发射率，而后随射率，而后随着波着波长的的进一步一步减少，减少，发射率射率进一步降低，如右一步降低，如右图的的钨金属金属发射射率特性。率特性。2024/7/311604-2-3 表面温度的影响Hagen-Rubens关系式：关系式：在大多数情况下，纯在大多数情况下，纯金属的光谱发射率金属的光谱发射率象电阻率一样随温象电阻率一样随温度的增加而增大。度的增加而增大。在短波，温度的影在短波，温度的影响正相反，光谱发响正相反，光谱发射率随温度的增加射率随温度的增加而减小。而减小。不同温度下钨金属的半球光谱发射率不同温度下钨金属的半球光谱发射率 计算值与实验值比较计算值与实验值比较2024/7/311614-2-3 表面温度的影响在大多数情况下，纯在大多数情况下，纯金属的光谱发射率金属的光谱发射率象电阻率一样随温象电阻率一样随温度的增加而增大。度的增加而增大。原因是，随着温度的原因是，随着温度的增加，黑体辐射曲增加，黑体辐射曲线的最大值向短波线的最大值向短波方向移动，因此，方向移动，因此，在较高的光谱发射在较高的光谱发射率区相应地有更多率区相应地有更多的辐射被发射出去，的辐射被发射出去，这样导致总发射率这样导致总发射率的增加。的增加。绝缘材料氧化镁发射率绝缘材料氧化镁发射率随温度的增加而降低。随温度的增加而降低。2024/7/311624-2-3 表面温度的影响：低温工程在深冷低温工程中，在深冷低温工程中，缺乏辐射特性的实缺乏辐射特性的实验数据。尤其缺乏验数据。尤其缺乏长波下在此温度下长波下在此温度下的发射特性。的发射特性。右图为一些理论预测右图为一些理论预测和实验结果对比，和实验结果对比，铜金银的发射率实铜金银的发射率实验值并未减小到理验值并未减小到理论预测的这样小。论预测的这样小。2024/7/311634-2-4 表面粗糙度的影响表面粗糙和表面表面粗糙和表面杂质或涂或涂层，是造成，是造成与与电磁理磁理论计算算结果偏离的主要原因。果偏离的主要原因。光学粗糙度定光学粗糙度定义：o/，特征粗糙度，特征粗糙度，均方根均方根rms值。值。光学上光滑表面：光学上光滑表面：o/1光学上奇异表面：光学上奇异表面：o/12024/7/31164波长与粗糙度的比较2024/7/311654-2-4 表面粗糙度影响的理论计算应用分析方程用分析方程计算算辐射性射性质的一个主的一个主要障碍是如何精确定要障碍是如何精确定义表面的特性，表面的特性，目前目前还没有一种普遍承没有一种普遍承认的、能准确的、能准确描述表面特性的方法。描述表面特性的方法。2024/7/311664-2-4光学上光滑表面：发射率对光滑表面，对光滑表面，由由(a)图看图看到，粗糙到，粗糙度变化度变化2到到16时，时，发射率变发射率变化了一个化了一个很小的值。很小的值。2024/7/311674-2-4光学上光滑表面：粗糙度对方向特性与法线成与法线成10度入度入射，镍表面，射，镍表面，纵坐标为测量纵坐标为测量发射率与磨光发射率与磨光表面的反射率表面的反射率之比值。反映之比值。反映的是粗糙度对的是粗糙度对方向特性的影方向特性的影响，而不是对响，而不是对反射率的影响。反射率的影响。2024/7/311684-2-5 表面杂质的影响杂质指任何指任何污染。最普遍的是外来材染。最普遍的是外来材料的沉料的沉积薄薄层。金属表面的金属表面的污染常使染常使发射率提高。射率提高。表面覆盖表面覆盖层的的结构构对基体的基体的辐射行射行为有很大影响。有很大影响。2024/7/311694-2-5 表面杂质的影响：氧化氧化使金氧化使金属表面属表面使使发射射率提高。率提高。2024/7/311704-2-5 表面杂质的影响：氧化氧化使氧化使钛金属的金属的发射率射率比比纯净材料的材料的几乎提几乎提高了一高了一倍。倍。0.06 微微 米米 氧氧 化化 层 厚厚2024/7/311714-2-5 表面杂质的影响：不锈钢氧化2024/7/311724-2-5 表面杂质的影响：铜氧化厚度2024/7/311734-2-5 表面杂质的影响：铜氧化随光谱2024/7/311744-2-5 表面杂质的影响：铝氧化2024/7/311754-2-5 表面覆盖层的影响影响很大，影响很大，图为涂有涂有硫化硫化铝的的铝的半球的半球光光谱发射射率，率，长波波段内，涂段内，涂层有无两有无两者差一倍。者差一倍。2024/7/311764-2-6 熔融金属总发射射率与率与温度温度的关的关系不系不大。大。2024/7/31177熔融金属发射率表2024/7/311784-3 非金属材料的辐射特性在中等温度下有在中等温度下有较高的高的发射率和吸收射率和吸收率。方向率。方向发射率随与表面法射率随与表面法线所成的所成的角度的增加而减少，与波角度的增加而减少，与波长的相关性的相关性较小。非金属的小。非金属的辐射特性与温度的相射特性与温度的相关性关性 也不大。也不大。2024/7/311794-3 非金属材料的辐射特性2024/7/311804-3 非金属材料的辐射特性非金属材料的非金属材料的辐射特性射特性测量数据量数据较少。在中少。在中等温度下有等温度下有较高的高的发射率和吸收率。射率和吸收率。非金属非金属发射特性的影响因素射特性的影响因素:(1)波波长:总体上看体上看变化不大化不大(2)表面温度表面温度:总体上看体上看变化不大化不大(3)表面粗糙度表面粗糙度:非非镜面面发射射(4)表面表面杂质(5)光光谱选择性表面性表面:太阳能太阳能(6)表面方向特性的改表面方向特性的改变:特殊用途特殊用途2024/7/31181涂层厚度要足够测量涂层材测量涂层材料的发射料的发射率，必须率，必须使涂层具使涂层具有足够的有足够的厚度，使厚度，使从基片发从基片发射的能量射的能量不穿透涂不穿透涂层。层。2024/7/311824-3-1 非金属材料光谱测量钢表面钢表面3 3种油漆涂层的半种油漆涂层的半球法向光谱反射率。球法向光谱反射率。1 1减去反射率等于法减去反射率等于法向光谱发射率。向光谱发射率。白油漆在短波下有高的白油漆在短波下有高的反射率，黑油漆在整反射率，黑油漆在整个波段反射率较低，个波段反射率较低，铝化油漆由于有更多铝化油漆由于有更多的金属涂层，所以反的金属涂层，所以反射率较高，并且这种射率较高，并且这种铝化油漆与波长关系铝化油漆与波长关系不大，可以看作不大，可以看作“灰灰”表面。表面。2024/7/311834-3-1 非金属材料光谱测量有些非金属材料，在有些非金属材料，在可见光的短波段，可见光的短波段，反射率可能显著降反射率可能显著降低。低。这一特点在研究特殊这一特点在研究特殊的非金属涂层对来的非金属涂层对来自高温源的反射辐自高温源的反射辐射的适应性时是很射的适应性时是很重要的，因为高温重要的，因为高温时能量处在短波段。时能量处在短波段。2024/7/311844-3-1 绝缘材料反射光谱特性在可见光段，在可见光段，某些材料的某些材料的低反射率对低反射率对吸收很重要。吸收很重要。如太阳能。如太阳能。2024/7/311854-3-2 非金属总辐射特性随温度变化随温度增加，有增随温度增加，有增高、有降低。高、有降低。氧化镁耐火材料的氧化镁耐火材料的发射率随温度的发射率随温度的升高而明显降低。升高而明显降低。石墨上的碳化硅涂石墨上的碳化硅涂层发射率随温度层发射率随温度的增加而升高，的增加而升高，部分原因可能是部分原因可能是因为基体石墨的因为基体石墨的发射率随温度增发射率随温度增加而升高。加而升高。2024/7/311864-3-2 非金属总辐射特性随温度变化氧化铝和氧化锆材氧化铝和氧化锆材料的发射率随温料的发射率随温度的升高而明显度的升高而明显降低。降低。2024/7/311874-3-2 非金属总辐射特性随温度变化白纸和白大理石，对白纸和白大理石，对低温下的黑体辐射低温下的黑体辐射源来说，是一个好源来说，是一个好的吸收体，但对于的吸收体，但对于数千温度下黑体发数千温度下黑体发射的光谱来说却是射的光谱来说却是一个差的吸收体，一个差的吸收体，即对太阳光能量是即对太阳光能量是一个好的反射体。一个好的反射体。沥青路面和灰石板可沥青路面和灰石板可以很好地吸收太阳以很好地吸收太阳能。能。2024/7/311884-3-3 表面粗糙度影响Snell定律，但一般而言，粗糙度使反射强度分布在定律，但一般而言，粗糙度使反射强度分布在镜反射方向附近的一个相当大的角度范围内，所镜反射方向附近的一个相当大的角度范围内，所以下图打字纸的表面光度并不是理想的。以下图打字纸的表面光度并不是理想的。2024/7/311894-3-3 表面粗糙度影响：非镜反射的3D说明一般而言，一般而言，绝缘材料的绝缘材料的发射率随粗发射率随粗糙度增加稍糙度增加稍有增加。有增加。2024/7/311904-3-3 表面粗糙度影响右图，有非镜反右图，有非镜反射的最大值。射的最大值。2024/7/311914-3-3 表面粗糙度影响图中月球表面强烈的反向图中月球表面强烈的反向散射，造成了月球的中散射，造成了月球的中心和边缘的亮度相同，心和边缘的亮度相同，同时造成了在十五满月同时造成了在十五满月时亮度达到最大。时亮度达到最大。2024/7/311924-3-4 半导体和超导体的性质硅半导体的法向光谱发射率，类似于磨光金硅半导体的法向光谱发射率，类似于磨光金属：发射率随波长的减小而增加，在较短属：发射率随波长的减小而增加，在较短波长出现一个最大值。但总体上比金属向波长出现一个最大值。但总体上比金属向长波方向移动了，比如图中最大值出现在长波方向移动了，比如图中最大值出现在红外区。红外区。2024/7/311934-4 光谱选择表面工程意工程意义重大：重大：v如太阳能收集器。希望表面上维持最大如太阳能收集器。希望表面上维持最大可能的平衡温度，表面收集能量的能力可能的平衡温度，表面收集能量的能力最大，损失最小。最大，损失最小。v太空中的散热表面，希望保持该表面的太空中的散热表面，希望保持该表面的冷态。则要求对太阳的反射最大，同时冷态。则要求对太阳的反射最大，同时表面辐射发射也最大。表面辐射发射也最大。2024/7/311944-4-1 表面光谱特性的变更：光谱选择表面出现吸收率急剧出现吸收率急剧下降的波长称为下降的波长称为截止波长。截止波长。光光谱选择性表面：在太阳能峰性表面：在太阳能峰值附近的短波光附近的短波光谱区区有很大的吸收率，但在出有很大的吸收率，但在出现自身自身发射峰射峰值的的长波波光光谱区吸收率很小（即区吸收率很小（即发射率很小）。射率很小）。这样它的它的吸收就可能接近于黑体而吸收就可能接近于黑体而发射的能量却很小。射的能量却很小。2024/7/311954-4-1 表面光谱特性的变更：光谱选择表面制造方法之一：金属基片上涂覆非金属薄制造方法之一：金属基片上涂覆非金属薄层。薄薄层对于于长波波辐射基本上是透明的，光射基本上是透明的，光谱吸收率和吸收率和发射率都很低。但是，射率都很低。但是，对于短波，于短波，薄薄层辐射性射性质接近于非金属涂接近于非金属涂层，光，光谱吸吸收率和收率和发射率都很高。射率都很高。一个理想的太阳能收集器的光一个理想的太阳能收集器的光谱选择性表面性表面应该是：吸收最大的太阳能而是：吸收最大的太阳能而发射的能量射的能量最小。即在整个短波内吸收率最小。即在整个短波内吸收率为1，在，在长波区吸收率立即降低波区吸收率立即降低为0。2024/7/311964-4-1 光谱选择表面，理想表面例1例例：一一理理想想的的选择性性表表面面受受到到相相应于于平平均均太太阳阳常常数数为q qi i=1353w/m=1353w/m2 2的的法法向向入入射射辐射射通通量量的的照照射射。向向该表表面面传热或或从从该表表面面传出出热量量的的唯唯一一手手段段是是辐射射。试决决定定相相应于于截截止止波波长c c=1m=1m的的最最大大平平衡衡温温度度T Teqeq（从从太太阳阳到到达达的的能能量量可可以以假假设为光光谱分分布布与与5780K5780K的的黑体的光黑体的光谱分布成比例）。分布成比例）。2024/7/311974-4-1光谱选择表面，例12024/7/311984-4-1光谱选择表面，例1解：解：因因为为辐辐射射传传热热是是唯唯一一的的能能量量传传递递手手段段，所所以以吸吸收收的的辐辐射射能能必必定定等等于于发发射射的的辐辐射射能能。因因为为表表面面为为理理想想的的选选择择吸吸收收体体，所以其半球发射率和吸收率为所以其半球发射率和吸收率为()=()=1 0=c()=()=0 c=T2），），钨板的半球光板的半球光谱发射率如下射率如下页图所示。所示。试比比较钨金属板之金属板之间的的净辐射能量交射能量交换与灰平行板假与灰平行板假设情况下的能量交情况下的能量交换。2024/7/31267平行钨金属板发射率与光谱有关2024/7/31268平行钨金属板对表面表面1，每，每单位位时间、单位面位面积、波、波长间隔隔d的能流有：的能流有：2024/7/31269平行钨金属板2024/7/31270平行钨金属板对表面表面2，方程，方程类似，消去似，消去2024/7/31271平行钨金属板：灰体假设解对灰体表面，可得对灰体表面，可得为了强调发射率可能是温度的函数，加了温度为了强调发射率可能是温度的函数，加了温度下标。这儿温度恒定，可以直接求出发射率。下标。这儿温度恒定，可以直接求出发射率。2024/7/31272真实表面：近似法求解上式光光谱相关表面的解相关表面的解题方法方法:精确解需要精确解需要应用数用数值积分和分和谱线法。法。但目前更但目前更实用的是一些更加用的是一些更加简化的方化的方法：法：谱带近似法，半灰近似法等。近似法，半灰近似法等。2024/7/31273谱带（能带）近似法2024/7/31274谱带近似法图2024/7/31275谱带近似法上图中给出了所需钨的发射率，以及七个波长上图中给出了所需钨的发射率，以及七个波长间隔（谱带）内的算术平均值（第七个区间间隔（谱带）内的算术平均值（第七个区间是波长大于是波长大于20微米）。当温度为微米）。当温度为4000K和和2000K时，光谱辐射力的峰值分别落在时，光谱辐射力的峰值分别落在0.75微米和微米和1.5微米。对于较大的波长（例如大于微米。对于较大的波长（例如大于4微米）范围，对积分的作用很小，因此，微米）范围，对积分的作用很小，因此，在大波长中平均量的精度是不重要的。下表在大波长中平均量的精度是不重要的。下表是用七个区间求出的两表面间热交换量，也是用七个区间求出的两表面间热交换量，也是外界为了保持表面温度不变，而加入或移是外界为了保持表面温度不变，而加入或移走的热流（单位时间单位面积能量）走的热流（单位时间单位面积能量）2024/7/31276谱带近似法结果2024/7/31277灰和非灰表面计算的结果比较灰体假设灰体假设的误差约的误差约10%2024/7/31278第十一章在吸收、发射和散射介质中辐射基础部分基础部分2024/7/31279介质中的辐射传递内容包括：内容包括：vBouguer（布格尔）定律（布格尔）定律v吸收、发射和散射吸收、发射和散射v介质指气体、液体介质指气体、液体2024/7/3128011-1概论与特点从工程应用的角度，介质与固体表面从工程应用的角度，介质与固体表面的区别有三点的区别有三点v选择性显著，如大多数气体的辐射光谱选择性显著，如大多数气体的辐射光谱是不连续的是不连续的v要考虑
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