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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,十六,章,热辐射和辐射换热,第一,节,节,热辐,射,射的,基,基本,概,概念,一、,辐,辐射,和,和热,辐,辐射,辐射,：,：从宏,观,观的,角,角度,、,、辐,射,射是连续,的,的电,磁,磁波传递,能,能量,的,的过,程,程；,从,从微,观,观的,角,角度,，,，辐,射,射是不连,续,续的,量,量子传递,能,能量,的,的过,程,程。,因,因此,，,，物,体,体向,外,外界以电,磁,磁波,的,的形,式,式发射携,带,带,能,能,量,量,的,的,量,量,子,子的,过,过,程,程,称,称,为,为,辐,辐,射,射。,辐,射,射,能,能,：,：通,过,过,辐,辐,射,射,所,所,传,传,递,递,的,的,能,能,量,量,称,称,为,为辐,射,射,能,能(,也,也,把,把,辐,辐,射,射,这,这,个,个,术,术,语,语,用,用,来,来,表,表,明,明,辐,辐,射,射,能,能,本,本,身,身,),。,热,辐,辐,射,射,：,：通,常,常,把,把,物,物,质,质,由,由,于,于,自,自,身,身与,温,温,度,度,有,有,关,关,的,的,原,原,因,因而,激,激,发,发,产,产,生,生,的,的,电,电,磁,磁,波,波,传,传,播,播,称,称,为,为热,辐,辐,射,射。,任,何,何,物,物,体,体,在,在,绝,绝,对,对,零,零,度,度,以,物质可对外发射,从零到无穷大,的任何波长的电磁波，激发方式不同，所产生的电磁波波长就不相同，它们投射到物体上产生的效应也不同。,热射线：,0.1m100m；,可见光：,0.38m0.76m,热,辐,辐,射,射,是,是,电,电,磁,磁,波,波,多,多,种,种,辐,辐,射,射,形,形,式,式,的,的,一,一,种,种,，,，,所,所,有,有,电,电,磁,磁,辐,辐,射,射,都,都,以,以光,速,速进,行,行,传,传,播,播,，,，,其,其,值,值等,于,于,辐,辐,射,射,波,波,长,长,与,与,频,频,率,率,的,的,乘,乘,积,积：,c,(,16,-1),式,中,中c,光,光,速,速,；,；,波,波,长,长,；,；,频,频,率,率,。,。,热,辐,辐,射,射,的,的,传,传,播,播,是,是,以,以,不,不,连,连,续,续,的,的,量,量,子,子,形,形,式,式,进,进,行,行,的,的,，,，每,个,个,量,量,子,子,的,的,能,能,量,量为,：,：,E,h,(,16,-2),式,中,中,h,普,普,朗,朗,克,克,常,常,数,数,，,，,其,其,值,值,为,为,6.6256,10,-34,J,S,。,辐,射,射,换,换,热,热,：,：物,体,体,之,之,间,间,相,相,互,互,辐,辐,射,射,和,和,相,相,互,互,吸,吸,收,收,过,过,程,程,的,的,总,总,效,效,果,果,，,，,称,称,为,为,辐,辐,射,射,换,换,热,热,。,。,特,点,点：,1,、,、不,依,依,靠,靠,物,物,体,体,间,间,相,相,互,互,接,接,触,触而,进,进,行,行,热,热,量,量,传,传,递,递,，,，,只,只,要,要,彼,彼,此,此,可,可,见,见,的,的,物,物,体,体,就,就,能,能,互,互,相,相,进,进,行,行,热,热,辐,辐,射,射,。,。,2,、,、,辐,辐,射,射,换,换,热,热,过,过,程,程,伴,伴,随,随,着,着能,量,量,形,形,式,式,的,的,两,两,次,次,转,转,化,化，,即,即,物,物,体,体,的,的,部,部,分,分,内,内,能,能,转,转,化,化,为,为,辐,辐,射,射,能,能,发,发,射,射,出,出,去,去,，,，,当,当,射,射,及,及,另,另,一,一,物,物,体,体,表,表,面,面,而,而,被,被,吸,吸,收,收,时,时,，,，,辐,辐,射,射,能,能,又,又,转,转,化,化,为,为,该,该,物,物,体,体,的,的,内,内,能,能,。,。,3、辐射换热,过,二、辐射能的,吸,吸收、反射和,透,透射,根据能量守恒,原,原则：,G,G,G,G,G,/GG,/GG,/G1,其中：G,/G、G,/G、G,/G,分别称为该物,体,体对投射辐射,的,的,吸收率，反射,率,率和透射率,依次用符号,、,、表示,，,，即有：,1,(,16,-3a),单色辐射：在某个特定波,长,长下的辐射称,为,为单色辐射，如果投射能,量,量是单色辐射,，,，上述关系也,同,同样适用。,(,16,-3b),式中:,、,、,分别为单色吸收率、,单,单色反射率和,单,单色透射率。,、和,、,、,是物体表面的辐,射,射特性，,与,物体的性质,、,温度及表面状,况,况有关。、,还,还和投射能量,的,的波长分布有,关,关。,固体和液体不允许热辐射,透,透过。透射率,，即,。即：吸收能力大的,物,物体其反射本,领,领就小；反之吸收能,力,力小的物体其,反,反射本领就大,。,气体对辐射能,几,几乎没有反射,能,能力，可认为反射率，即,。显然，吸,收,收性大的气体,，,，其穿透性就,差,差。多原子气,体,体才具有吸收,能,能力。,固体和液体物体表面状况对这些特性的,影,影响是至关重,要,要的。,辐射能投射到,物,物体表面后的,反,反射现象，也,和,和可见光一样,有,有镜面反射和漫,反,反射两种情况。当,表,表面不平整尺,寸,寸（表面粗糙,度,度）小于投射,辐,辐射的波长时,，,，形成镜面反,射,射，此时入射,角,角等于反射角,。,。当表面不平,整,整尺寸（表面,粗,粗糙度）大于,投,投射辐射的波,长,长时，入射射,线,线被反射后沿,各,各个方向均匀,分,分布、形成漫,反,反射。一般工,程,程材料的表面,大,大都形成漫反,射,射。,自然界所有物,体,体的吸收率,，,，反射率和,透,透射率的数,值,值都在0到1的范围内变化,，,，每个量的数,值,值又因具体条,件,件不同而千差,万,万别。为了使,问,问题简化，可,以,以从理想物体入手进行研究,。,。,黑体：如,果,物体能全部吸,收,收外来辐射线,，,，则称为黑体,，,，即；,白体：如,果,物体全部,反,反射外来,射,射线，则,不,不论镜面,反,反射或漫,反,反射均称,为,为白体，,即,即,；,；,透明体：如,果,物体能被,外,外来射线,所,所全部透,射,射，则称,为,为透明体,，,，即,。,自然界中,并,并不存在,绝,绝对的黑,体,体、白体,和,和透明体,，,，它们只,是,是实际物,体,体热辐射,性,性能的理想模型。但也存在接近,理,理想模型的实际,物,物体，如吸收力,很,很强的煤烟炱和,黑,黑丝绒等，0.97；高度,磨,磨光的纯金,.,黑体、白体和透,明,明体都是对全波长射线而言的。,不能按物体的颜,色,色来判断（可见光只是全波,长,长射线中的一小,部,部分），白颜色,的,的的物体不一定,是,是白体。例如雪,对,对可见光吸收率,很,很小，但对全波,长,长射线其吸收率,0.98，,非,非常接近黑体；,白,白布和黑布对可,见,见光的吸收率不,同,同，但对红外线,的,的吸收率基本相,同,同，普通玻璃能,透,透过可见光，对,3m的红,外,外线几乎是不透,明,明体。,因此，物体对外来辐射,的,的吸收和反射能,力,力是和物体的性,质,质、表面状况、,所,所处温度和发射,物,物体的温度有关。,三、辐射强度和,辐,辐射力,辐射强度,是物体表面朝向,某,某给定方向，对,垂,垂直于该方向的,单,单位面积，在单,位,位时间单位立体,角,角内所发射全波,长,长的能量，用符,号,号,表示，它的单位,是,是,W(m,Sr),。Sr是立体角,的,的单位称为球面,度,度。,若辐射强度仅指,某,某波长下波长,间,间隔d范围内,所,所发射的能量，,则,则称为,单色辐射强度,，用符号,I,表示，单位是,W(,m,mSr,),辐射力是物体参与辐射,的,的单位表面积在,单,单位时间内向半球空间辐射出去的0,波长范围内的,总,总能量，用符号E表示，单位是Wm,。,单色辐射力指若辐射力仅指,某,某波长下波长,间,间隔d范围内,所,所发射的能量。,用,用符号E,表示，单位是,W,(m,m),，,第二节,热辐射基本定律,黑体作为理想辐,射,射体，能够吸收,来,来自半球各个方,向,向各种波长的全,部,部能量。黑体吸收率最大,，,，辐射力亦最强，是一个理想化,的,的物体。此后凡与黑体辐,射,射有关的物理量,，,，均以右下角标“,b,”表示。,一、普朗克定律(黑体辐射按,波,波长分布的规律),普朗克定律即黑体单色辐射力E,b,与波长和物体表面绝对,温,温度T之间,的,的函,数,数关,系,系式,：,：,(,16,-9),其中,：,：,C,1,=3.743,10,8,w,m,4,/m,2,C,2,=1.4387,10,4,m,K,维,恩,恩,位,位,移,移,定,定,律,律,德,国,国,物,物,理,理,max,T2897.6mK,(,16,-10),二,、,、,斯,斯,蒂,蒂,芬,芬,玻,玻,尔,尔,兹,兹,曼,曼,定,定,律,律,上,式,式,说,说,明,明,：,：,黑,黑,体,体,的,的,单,单,位,位,表,表,面,面,积,积,上,上,在,在,单,单,位,位,时,时,间,间,内,内,发,发,出,出,的,的(,包,包,括,括,全,全,波,波,长,长,范,范,围,围,的,的),热,热,辐,辐,射,射,总,总,能,能,量,量,，,，,和,和,它,它,的,的绝,对,对,温,温,度,度,四,四,次,次,方,方,成,成,正,正,比,比。,这,这,就,就,是,是,斯,斯,蒂,蒂,芬,芬,-,玻,尔,尔,兹,兹,曼,曼,定,定,律,律,，,，,亦,亦,称,称四,次,次,方,方,定,定,律,律。,波,段,段,辐,辐,射,射,力,力:波,段,段,区,区,间,间,的,的,辐,辐,射,射,能,能,。,。,(,16,-12a),F,b(,）,）:,波,段,段,辐,辐,射,射,力,力,占,占,同,同,温,温,度,度,下,下,黑,黑,体,体,辐,辐,射,射,力,力E,b,的,百,百,分,分,数,数,。,。,(,16,-12b),例8-2,试,试,求,求,当,当,温,温,度,度,为,为2000K,时,时,黑,黑,体,体,最,最,大,大,的,的,单,单,色,色,辐,辐,射,射,力,力,所,所,对,对,应,应,的,的,波,波,长,长,；,；,此,此,时,时,可,可,见,见,光,光,与,与,红,红,外,外,线,线,在,在,总,总,辐,辐,射,射,中,中,所,解：应用式(,16,-10)，该黑体最大的辐射力所对应的波长,max,为：, ,max,2897.6/20001.4488m,可见光的波长范围为0.380.76m，红外线波长范围为0.761000m可分别算出各波长下的值并由表8-1查出对应的,F,b(0T),值。,0.38m T760mK F,b(00.38),0.1 10,-4,0.76m T1520mK F,b(00.76）,0.1610,-1,1000m T210,mK F,b(01000）,1.0,可见光在,总,总辐射中,所,所占的份,额,额,F,b(0.380.76),0.0160.110,-4,0.01599,1.599,红外线在,总,总辐射中,所,所占的份,额,额,F,b(0.76 1000),0.016,0.984,98.4,显然,，,，在这样,的,的温度下,，,，可见光,辐,辐射所占,份,份额是微,不,不足道的,。,。,四、克希,霍,霍夫定律,黑度：,把实际物,体,体的辐射,力,力E与同,温,温度下黑,体,体的辐射,力,力E,b,之比称,为,为该物,体,体的黑,度,度，用,符,符号,表,表示：,E/,b,(,16,-18a),单色黑,度,度,：,是实际,物,物体的,单,单色辐,射,射力与,同,同温度,下,下黑体,的,的单色,辐,辐射力,之,之比,。,E,/,b,或E,E,b,(,16,-18b),与,的关系,为,为,：,灰体是指物,体,体的单,色,色辐射,率,率即黑度与,波,波长无,关,关的物体。,灰体的辐射,力,力遵循斯蒂,芬,芬,-,玻尔兹曼定,律,律,EE,b,b,T,(,16,-19a),c,b,（T/100),4,(,16,-19b),实际物体的,辐,辐射力并非,严,严格遵守四,次,次方定律，但工程上,为,为方便仍用,式,式(,16,-19)来,计,计算，所引,起,起的误差都,归,归到实际物,质,质的黑度中,去,去修正。此,外,外，自然界,中,中并无绝对,灰,灰体，它仅,作为一种假,想,想物体。实,际,际物体在红,外,外波长范围,内,内，可以近,似,似地看作是,灰,灰体。,物体对于投,射,射能量吸收,的,的百分数是,该,该物体的吸,收,收率，实,际,际物体的吸,收,收率既决定,于,于投入射线,的,的方向和波,长,长，又决定,于,于物体本身,的,的材料、表,面,面温度及表,面,面状况。引,入,入灰体概念,后,后，认为灰体的吸收,率,率和单色吸,收,收率都与波,长,长无关，大小仅取,决,决于吸收表,面,面的状况。,实际物体在,吸,吸收与辐射,之,之间内在联,系,系,克希霍夫揭,示,示了与周围,环,环境处于热平衡状态下实际物体的,黑,黑度与吸收,率,率之间的关系,。,。,有两块相距很近而面积又很大的平行平板,。,。设平板I,为,为黑体表面,，,板的能量收支为,qE,b,qE,b,当系统处于,热,热平衡时,T,，q,，则,E,b,或,E/,b,推广到任意,物,物体：,E,/,E,/,E/,b,(,16,-21),即克希霍夫定,律,律的数学表,达,达式，它说明任何物体的,辐,辐射力与其,吸,吸收率之比,恒,恒等于同温,度,度下黑体的,辐,辐射力，并只和温,度,度有关。必,须,须指出，这,一,一关系是在热平衡的条,件,件下推导出来,，,，所以，在实际物体,和,和黑体构成,的,的系统中只,有,有符合热平衡条件时应用才正,确,确。,据黑度的概,念,念，克希霍,夫,夫定律还可,写,写作：,E/,b,(,16,-22a),对于特定,波,波长，同理,可,可有：,(,16,-22b),这是克希霍夫定,律,律的又一表,达,达式，它说明在,热,热平衡条件,下,下，任意物,体,体的吸收率,等,等于同温度,下,下该物体的,辐,辐射率,(,黑度,),。,对于灰体，,当,当温度一定,时,时，灰体的,吸,吸收率和黑,度,度也是一定,的,的，即灰体,能,能吸收投射,来,来的各种不,同,同波长的辐,射,射能,；同时灰体,向,向外发射能,量,量时，其黑,度,度也不随波,长,长改变,。根据克希,霍,霍夫定律，,灰,灰体有：,(,16,-23),灰体的吸收,率,率与黑度相,等,等而又与外,界,界条件无关,，,，也就无所谓是否,处,处于热平衡,的,的条件了。,在工业高温,下,下多数材料,的,的热辐射主,要,要处于红外,线,线波长范围,内,内，材料的,值随的变,化,化不大因此,允,允许把工程,材,材料作为灰,体,体处理。若,热,热辐射中可,见,见光所占的,份,份额较大，,则,则不能把材,料,料作灰体处,理,理，否则将,导,导致较大误,差,差。,
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