1、第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性1第七章第七章 热辐射基本定律及热辐射基本定律及 物体的辐射特性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27-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念1.热辐射特点热辐射特点(1)(1)定义定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量；：由热运动产生的，以电磁波形式传递能量；(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 0 K，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
2、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。2.电磁波谱电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图电磁辐射包含了多种形式，如图7-17-1所示，而我们所感兴趣所示，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的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.11000.1100mm。电磁波的传播速度：电磁波的传播速度：c=f 式中：式中：f 频率，频率，s-1;波长，波长，m第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性3电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱图7-1第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性4当热辐射投射到物体表面上时，一般当热辐射
3、投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图透，如图7-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ3.3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 图图7.27.2物体对热辐射的物体对热辐射的吸收、反射和穿透吸收、反射和穿透吸收比、反射比、透射比体现了能量的守衡体现了能量的守衡第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性5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：对于黑体：对于黑体：镜体或白体：镜体或白体：1111,01,0透明体：透明体：反射又分镜面反射和漫反射两种反射又分镜面反射和漫
4、反射两种图图7-3 镜面反射镜面反射图图7-4 漫反射漫反射第七章 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71.1.黑体概念黑体概念黑体：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，上的所有热辐射能的物体，（吸收比（吸收比=1的物体），是的物体），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。图图7-5 7-5 黑体模型黑体模型7-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律第七章 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
5、律及物体的辐射特性9辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积单位时间内，物体的单位表面积向半球空间向半球空间发射的所有发射的所有波长的能量总和。波长的能量总和。(W/m2)；单色单色(或光谱或光谱)辐射力辐射力E E：单位时间内，对某一给定波长，物体的单位表面积向半单位时间内，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。球空间发射的能量。(W/m2)；2.2.热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法E、E关系关系:显然，显然，E和和E之间具有如下关系：之间具有如下关系：dEE0黑体一般采用下标黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的黑体的单色
6、单色(或光谱或光谱)辐射力辐射力为为Eb第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性103.黑体辐射的三个基本定律及相关性质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 Wm 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)(1)普朗克定律普朗克定律(第一个定律第一个定律)：图图7-67-6是根据上式描绘的黑体单是根据上式描绘的黑体单色辐射力随波长和温度的依变色辐射力
7、随波长和温度的依变关系。关系。mm与与T T 的关系由维恩（的关系由维恩（WienWien）定律给出，定律给出，2897mTm K图图7-6 Planck 定律的图示定律的图示2/()W m m第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性11(2)(2)斯忒藩斯忒藩-珀耳兹曼（珀耳兹曼（Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann）定律）定律(第二第二个定律个定律)：25041()01cbbTcE ddeET式中，式中，=5.67=5.671010-8-8 W/(m W/(m2 2 K K4 4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。
8、40240()1005.67/(),.bTECCWmK黑体辐射系数又称为四次方定律又称为四次方定律.2/W m第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性121)(512TcbecE第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性13图图7-8 7-8 立体角定义图立体角定义图定义：定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：，单位：sr(球面度球面度)，如图，如图7-8和和7-9所示所示（半球的立体角为（半球的立体角为2）ddsindd2rAc(3)(3)立体角立体角第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性14图图7-9 7-9 计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几
9、何关系第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性15定义：定义：单位时间内，物体在单位面积上，在单位立体角内单位时间内，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。发射的一切波长的能量。(4)定向辐射力定向辐射力EdQ()d dEA2EE d2/()W m sr第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性16定义：定义：单位时间内，物体在单位时间内，物体在垂直发射方向垂直发射方向的单位面积上，的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图7-107-10。d()()d codsQLA(5)(5)定向辐射强度定向辐射强度L L(,)：图图7-1
10、0 7-10 定向辐射强度定向辐射强度 的定义图的定义图(6)兰贝特兰贝特（Lambert）定律）定律(黑黑体辐射的第体辐射的第 三个基本定律三个基本定律)dQ()cosd dELA它说明黑体的定向辐射力随天顶角它说明黑体的定向辐射力随天顶角 呈余弦规律变化，见图呈余弦规律变化，见图7-11，因，因此，此，Lambert定律也称为余弦定定律也称为余弦定律。律。2/()W m sr黑体的定向辐射强黑体的定向辐射强度与方向无关。度与方向无关。第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性17图图7-11 Lambert7-11 Lambert定律图示定律图示LLEdcos2沿半球方向积分上式，可获得半球辐
11、射强度沿半球方向积分上式，可获得半球辐射强度E:E:(dsindd)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20 7-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性1 发射率发射率v前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热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；辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；v真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；v因此，定义了发射率因此，定义了发射率(也称为黑度也称为黑度)：相同温度
12、下，：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实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:4TEEEb第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性21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。的发射能力是随方向和光谱变化的。WavelengthDirection(angle from the surface normal)第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性22bbLLLL)()()()(对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力，光谱辐射力Eb 和定向辐射强度和定向辐
13、射强度L，分别引入了三个修正系数，即，发射率分别引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率，光谱发射率()和定和定向发射率向发射率()，其表达式和物理意义如下，其表达式和物理意义如下40)(TdEEEbb实际物体的辐射力与实际物体的辐射力与黑体辐射力之比黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比力之比(光谱辐射力光谱辐射力)bEE)(实际物体的定向辐射实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐强度与黑体的定向辐射强度之比：射强度之比：(定向发定向发射率射率)第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性23漫发射漫发射的概念：表面的方向发射率的概念：表面的
14、方向发射率 ()与方向无关，即与方向无关，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。射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。图图7-15 几种金属导体在不同方向上的定向发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率()(t=150)第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性24图图7-16 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率()(t=093.3)第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性25黑体、灰体等都是理想物体，实际物黑体、灰体等都是理想物体，实际物
15、体的辐射特性并不完全与这些理想物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同，比如，体相同，比如，(1)(1)实际物体的辐射实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图力与黑体和灰体的辐射力的差别见图7-147-14；(2)(2)实际物体的辐射力并不完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；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实际物体的定向辐射强度也不严格遵守守LambertLambert定律，等等。所有这些差定律，等等。所有这些差别全部归于上面的系数，因此，他们别全部归于上面的系数，因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能很一般需要实验来确定，形
16、式也可能很复杂。在工程上一般都将真实表面假复杂。在工程上一般都将真实表面假设为漫发射面。设为漫发射面。图图7-14 实际物体、黑体实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱和灰体的辐射能量光谱第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性26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定律的表面称为漫射表面。虽然实际物体的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定向
17、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；定律；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29第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性307-4 7-4 实际固体的吸收比和基尔
18、霍夫定律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 _第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性311.1.投入辐射投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能：单位
19、时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2.2.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：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，这叫选择性吸收化，这叫选择性吸收3.3.吸收比吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用 表表 示示，即，即)(投入辐射投入的能量吸收的能量首先介绍几个概念：首先介绍几个概念：第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性32(4)光谱吸收比光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数
20、，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变的百分数，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。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图图7-17和和7-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。波长的关系。图图7-17 金属导电体的光谱吸收比同波长的关系金属导电体的光谱吸收比同波长的关系第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性33图图7-18 7-18 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系灰体灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰
21、体。此时，不：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，吸收比管投入辐射的分布如何，吸收比 都是同一个常数。都是同一个常数。第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性34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的的吸收比为吸收比为)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性质表面
22、的性质，表面投入的总能量吸收的总能量TTfTETTETTbb第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性35在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一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，下二者之间具有什么样的联系，18591859年，年，Kirchhoff Kirchhoff 用热用热力学方法回答了这个问题，从而提出了力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff Kirchhoff 定律。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。最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图如图7-207-20所示，板所示，板1 1是黑
23、体，板是黑体，板2 2是任意物体，参数分别为是任意物体，参数分别为E Eb b,T T1 1 以及以及E E,T,T2 2，则当系统处于热平衡时，有，则当系统处于热平衡时，有 bbEEEE图图7-20 7-20 平行平板平行平板间的辐射换热间的辐射换热第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性36 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)
24、(2)物体的吸收率和发射率与温度有关，因此二者只有处物体的吸收率和发射率与温度有关，因此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。为了将为了将Kirchhoff Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、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，见表式，见表7-27-2。第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性37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
25、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表表7-2 Kirchhoff 7-2 Kirchhoff 定律的不同表达式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
26、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。第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性38第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性39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
27、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?第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性407.7.维恩位移定律的表达式维恩位移定律的表达式.试考虑一下它在自然科学试考虑一下它在自然科学 及工程应用中的作用及工程应用中的作用.8.8.四四个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用.
