1、黑体的辐射特性黑体的辐射特性温度温度:波长波长:方向方向:4 TTE E cosIES-BS-B定律定律PlanckPlanck定律定律LambertLambert定律定律对于非黑体，其辐射特性要作适当修正对于非黑体，其辐射特性要作适当修正有一个面积为A1的小辐射源，为漫射表面，其发射的定向辐射强度是I1=1.2*105W/m2.sr。辐射探测器A2与A1的法线相垂直，二者的间距为l=0.2m，在A2与A1之间的中心位置处有一不透射的屏，防止A1的辐射到达A2。小表面Am是一个理想的漫反射镜，从热源发射的辐射可由Am反射到探测器。1、计算由A1发射而投射在Am上的辐射热流；2、假定1中的辐射热
2、流完全被Am漫反射，计算离开Am的定向辐射强度；3、计算离开Am的反射辐射投射到A2上的辐射热流。mmAIq11111cos212coshAmmmmmmAqE1srmWEImm2/5.95Am能够反射全部投射热流22cosmmmmmAIq22222coshAm第八章 热辐射基本定律和辐射特性8.3固体和液体的辐射特性8.4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系 前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射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；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；真实物体表面的发射能力低于
3、同温度下的黑体；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)：相同温度下，实：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际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:1 1 发射率发射率4TEEEb实际物体的辐射力：实际物体的辐射力：440()100bTEETc上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实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。表面的发射能力是随方向和光谱变化的。实际物体的光谱发射率实际物体的光谱发射率实际物体的光谱辐射力随波长作不规则变化，不符合普实际物体的光谱辐射力随波长作不规则变化，不符
4、合普朗克定律，但定性上是一致的朗克定律，但定性上是一致的黑体，T真实表面，TbEE)(实际物体的光谱辐射力与黑体的光实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：谱辐射力之比：40)(TdEEEbb光谱发射率光谱发射率与实际物体的发射率之间的关系与实际物体的发射率之间的关系实际物体的辐射力不是与温度严格地成四次方关系，实实际物体的辐射力不是与温度严格地成四次方关系，实用中用此关系，修正系数用中用此关系，修正系数与与T T有关。有关。8-158-15、已知材料、已知材料A A、B B的光谱发射率与波长的关的光谱发射率与波长的关系如图所示，试估计这两种材料的发射率随温系如图所示，试估计这两种材料的发
5、射率随温度变化的特性，并说明理由。度变化的特性，并说明理由。A的光谱发射率随波长增加而降低，即其善于发射短波辐射，所以其发射率随温度升高而升高，B的光谱发射率随波长增加而增加，即其善于发射长波辐射，所以其发射率随温度升高而降低。实际物体的单色辐射力随波长的变化如图，它只能通过辐射光谱的实测才能确定。实际物体的发射率可以用它的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比来表示40)(TdEEEbb灰体的概念：物体的辐射光谱是连续的，且曲线的变化关系灰体的概念：物体的辐射光谱是连续的，且曲线的变化关系与同温度下黑体的变化关系相似，即在所有波长下：与同温度下黑体的变化关系相似，即在所有波长下：),(TfEcon
6、stEEEEEEnbnbb2211)(符合这种规律的物体称为灰体符合这种规律的物体称为灰体对灰体而言，其单色黑度与波长无关，因此，灰体均满足对灰体而言，其单色黑度与波长无关，因此，灰体均满足)(实际物体的定向发射率实际物体的定向发射率黑体真实表面实际物体辐射按空间方向的分布，也不符合蓝贝特定律实际物体辐射按空间方向的分布，也不符合蓝贝特定律bbIIII)()()()(bbbbIdIIdIEE22cos)(cos)(实际物体的定向辐射强度与黑体的实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：定向辐射强度之比：8-198-19、一表面的定向发射率随角度的变化如图所、一表面的定向发射率随角度的变化
7、如图所示，确定该表面的发射率与法向发射率的比值。示，确定该表面的发射率与法向发射率的比值。5.0sincos3.0sincos7.02sincos)(cos)(402420202ddddd漫发射的概念：表面的方向发射率漫发射的概念：表面的方向发射率 ()与方向无关，即与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫发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。射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。)(nM定向发射率是个常数定向发射率是个常数,可用法向的可用法向的发射率来近似代替发射率来近似代替对于高度磨光的金属表面：对于高度
8、磨光的金属表面：M=1.0M=1.01.31.3非导体：非导体：M=0.95M=0.951.01.0前面讲过，前面讲过，黑体、灰体黑体、灰体等都是等都是理想物体理想物体，而实际物体的辐，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，射特性并不完全与这些理想物体相同，比如，(1)(1)实际物实际物体的光谱辐射力与黑体和灰体的不同，随温度和波长成不体的光谱辐射力与黑体和灰体的不同，随温度和波长成不规则变化；规则变化；(2)(2)实际物体的辐射力并不完全与热力学温度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；的四次方成正比；(3)(3)实际物体的定向辐射强度也不严格实际物体的定向辐射
9、强度也不严格遵守遵守LambertLambert定律，等等。所有这些差别全部归于上面的定律，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杂。在工程上一般都将真实表面假设为。物体表面的发射率取决于物质种类、表面温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。物体本身有关，而不涉及外界条件。影响物体发射率的因素影响物体发射率的因素2 2 吸收比吸收比当外界的辐射投入到物体表面
10、上时，该物体对投入辐射吸收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？的情况又是如何呢？(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物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变 化，称之为化，称之为选择性吸收选择性吸收(3)(3)吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用吸收比：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
11、投入的能量吸收的能量(4)(4)光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收光谱吸收比：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 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多，但事情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
12、选择性吸收的同时，也为其伤透了往往都具有双面性，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关的特性给工程中辐射换脑筋，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，一般有两种处理方法，即热的计算带来巨大麻烦，对此，一般有两种处理方法，即(1)(1)灰体法，即将光谱吸收比灰体法，即将光谱吸收比 ()等效为常数，即等效为常数，即 =()=)=constconst。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，与黑体类似，它也，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，灰体假设带来的误是一种理想物体
13、，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；差是可以容忍的；(2)(2)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小区域，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。每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。8-218-21、温度为、温度为310K310K的的4 4个表面置于太阳光的个表面置于太阳光的照射下，设此时各表照射下，设此时各表面的光谱吸收比随波面的光谱吸收比随波长的变化如附图所示。长的变化如附图所示。试分析，在计算与太试分析，在计算与太阳能的交换时，哪些阳能的交换时，哪些表面可以作
14、为灰体处表面可以作为灰体处理？为什么？理？为什么？物体的吸收比除与自身表面性质和温度有关外，还与投入物体的吸收比除与自身表面性质和温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标辐射按波长的能量分布有关。设下标1 1、2 2分别代表所研究分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体的物体和产生投入辐射的物体，则物体1 1的吸收比为的吸收比为)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图给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。图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
15、于如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为，则上式可变为1),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性质表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb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，具有什么样的联系，1859年，年，Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问用热力学方法回答了这个问题，提出了题，提出了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
16、两块无限大平板间的热力学平衡方法。板板1是黑体，板是黑体，板2是任意物体，参数分别为是任意物体，参数分别为Eb,T以及以及E,T，则当系，则当系统处于热平衡时，有统处于热平衡时，有 bbEEEE 此即此即Kirchhoff Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热平衡状态定律的表达式之一。该式说明，在热平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下限制：下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下限制：(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)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 Ki
17、rchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、推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导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式.层层 次数学数学表达达式成立条条件光谱谱，定向光谱谱，半球全波段，半球无条条件，为为天顶顶角漫射表面与与黑体处处于热热平衡或对对漫灰表面),(),(TT),(),(TT)()(TT(1)(1)漫射表面：指发射或反射的漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度定向辐射强度与空间与空间方向方向无关，即符合无关，即符合LambertLambert定律的物体表面；定律的物体表面；(2)(2)灰体：指灰体：指光谱吸收比光谱吸收
18、比与与波长波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形无关的物体，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比例。式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。某漫射表面温度某漫射表面温度T1T1300K300K，其单色吸收，其单色吸收率如图。把它放在壁温率如图。把它放在壁温T2=1200KT2=1200K的黑体的黑体空腔中，计算此表面的吸收率和发射率空腔中，计算此表面的吸收率和发射率69.0)1()()(d)(d)(),()50(2)50(15225021020211bbbbbbbFFEdTEdTETETET漫射表面温度漫射表面温度T1T1300K300K),(),(TT11.0)
19、1()()()()50(2)50(1151150111bbbbbFFTEdTEdTE一个无盖板的平板太阳集热器带有发射率为一个无盖板的平板太阳集热器带有发射率为0.10.1和吸收率为和吸收率为0.90.95 5的选择性吸收表面。在白天的某给定时间集热器表面温度的选择性吸收表面。在白天的某给定时间集热器表面温度120120，当时的太阳投射辐射为，当时的太阳投射辐射为750W/m2750W/m2，天空有效温度为，天空有效温度为-10-10，环境气温为环境气温为3030。假定在无风的天气条件下对流换热系数可由。假定在无风的天气条件下对流换热系数可由下式计算：下式计算：求在这些条件下可从集热器提取的有用热流密度，相应的集热求在这些条件下可从集热器提取的有用热流密度，相应的集热器效率是多少？器效率是多少？(天空辐射集中的光谱区与集热器表面发射的天空辐射集中的光谱区与集热器表面发射的光谱区大致相同光谱区大致相同)31)(22.0TThsuseskyskysunsunqqEGGcov1.0sky4skyskyTG4sTE)()(22.031TTTTqsscon23/444/516)()(mWTTTTGqsskyssunsunuse69.0sunuseGq00()()bbEEE dE dE bbEEEE22cos)(cos)()()(dIdIEIIbb
