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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,*,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,1,第七章 熱輻射基本定律及 物體的輻射特性,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,2,7-1,熱輻射的基本概念,1.,熱輻射特點(diǎn),(1),定義,：由熱運(yùn)動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量；,(2),特點(diǎn),：,a,任何物體，只要溫度高于,0,K,，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；,b,可以在真空中傳播；,c,伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；,d,具有強(qiáng)烈的方向性；,e,輻射能與溫度和波長均有關(guān)；,f,發(fā)射輻射取決于溫度的,4,次方。,2.,電
2、磁波譜,電磁輻射包含了多種形式，如圖,7-1,所示，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為,0.1100,m,。,電磁波的傳播速度：,c=f,式中：,f,頻率，,s,-1,;,波長，,m,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,3,電 磁 輻 射 波 譜,圖,7-1,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,4,當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖,7-2,所示。,3.,物體對熱輻射的吸收、反射和穿透,圖,7.2,物體對熱輻射的吸收、反射和穿透,吸收比、反射比、透射比,體現(xiàn)了能量的守衡,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,5,對于大多數(shù)的固
3、體和液體：,對于不含顆粒的氣體：,對于黑體：,鏡體或白體：,透明體：,反射又分鏡面反射和漫反射兩種,圖,7-3,鏡面反射,圖,7-4,漫反射,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,6,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,7,1.,黑體概念,黑體：,是指能吸收投入到其面,上的所有熱輻射能的物體，（吸收比,=1,的物體），是,一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生,活中是不存在的。但卻可以人,工制造出近似的人工黑體。,圖,7-5,黑體模型,7-2,黑體輻射的基本定律,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,8,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,9,輻射力,E,：,單位時(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積,向半
4、球空間,發(fā)射的所有波長的能量總和。,(W/m,2,),；,單色,(,或光譜,),輻射力,E,：,單位時(shí)間內(nèi)，對某一給定波長，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。,(W/m,2,),；,2.,熱輻射能量的表示方法,E,、,E,關(guān)系,:,顯然，,E,和,E,之間具有如下關(guān)系：,黑體一般采用下標(biāo),b,表示，如黑體的輻射力為,E,b,，黑體的,單色,(,或光譜,),輻射力,為,E,b,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,10,3.,黑體輻射的三個(gè)基本定律及相關(guān)性質(zhì),式中，,波長，,m,；,T,黑體溫度，,K,；,c,1,第一輻射常數(shù)，,3.742,10,-16,W,m,2,；,c,2,第二輻射常
5、數(shù)，,1.4388,10,-2,W,K,；,(1),普朗克定律,(,第一個(gè)定律,),：,圖,7-6,是根據(jù)上式描繪的黑體單色輻射力隨波長和溫度的依變關(guān)系。,m,與,T,的關(guān)系由維恩（,Wien,）定律給出，,圖,7-6 Planck,定律的圖示,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,11,(2),斯忒藩,-,珀耳茲曼（,Stefan-Boltzmann,）定律,(,第二個(gè)定律,),：,式中，,=5.67,10,-8,W/(m,2,K,4,),，是,Stefan-Boltzmann,常數(shù)。,又稱為四次方定律,.,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,12,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特
6、性,13,圖,7-8,立體角定義圖,定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：,sr(,球面度,),，如圖,7-8,和,7-9,所示,（半球的立體角為,2,）,(3),立體角,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,14,圖,7-9,計(jì)算微元立體角的幾何關(guān)系,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,15,定義：,單位時(shí)間內(nèi)，物體在單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長的能量。,(4),定向輻射力,E,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,16,定義：,單位時(shí)間內(nèi)，物體在,垂直發(fā)射方向,的單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長的能量，參見圖,7-10,。,(5),定向輻射強(qiáng)度,L,(
7、,),：,圖,7-10,定向輻射強(qiáng)度,的定義圖,(6),蘭貝特（,Lambert,）定律,(,黑體輻射的第 三個(gè)基本定律,),它說明黑體的定向輻射力隨天頂角,呈余弦規(guī)律變化，見圖,7-11,，因此，,Lambert,定律也稱為余弦定律。,黑體的定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)。,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,17,圖,7-11 Lambert,定律圖示,沿半球方向積分上式，可獲得半球輻射強(qiáng)度,E:,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,18,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,19,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,20,7-3,實(shí)際固體和液體的輻射特性,1,發(fā)射率,前面定義了黑體
8、的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長；,真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；,因此，定義了發(fā)射率,(,也稱為黑度,),：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比,:,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,21,上面公式只是針對方向和光譜平均的情況，但實(shí)際上，真實(shí)表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。,Wavelength,Direction(angle from the surface normal),第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,22,對應(yīng)于黑體的輻射力,E,b,，光譜輻射力,E,b,和定向輻射強(qiáng)度,L,，分別引入了三個(gè)修正系
9、數(shù)，即，發(fā)射率,，光譜發(fā)射率,(,),和定向發(fā)射率,(,),，其表達(dá)式和物理意義如下,實(shí)際物體的輻射力與黑體輻射力之比,:,實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比,(,光譜輻射力,),實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比：,(,定向發(fā)射率,),第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,23,漫發(fā)射,的概念：表面的方向發(fā)射率,(,),與方向無關(guān)，即定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)，滿足上述規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面，這是對大多數(shù)實(shí)際表面的一種很好的近似。,圖,7-15,幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率,(,)(t=150),第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,24,圖,7-16,幾種非導(dǎo)電
10、體材料在不同方向上的定向發(fā)射率,(,)(t=093.3),第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,25,黑體、灰體等都是理想物體，實(shí)際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同，比如，,(1),實(shí)際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見圖,7-14,；,(2),實(shí)際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；,(3),實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守,Lambert,定律，等等。所有這些差別全部歸于上面的系數(shù)，因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)來確定，形式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將真實(shí)表面假設(shè)為漫發(fā)射面。,圖,7-14,實(shí)際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,
11、26,本節(jié)中，還有幾點(diǎn)需要注意,將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜，很難理論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)；,服從,Lambert,定律的表面稱為漫射表面。雖然實(shí)際物體的定向發(fā)射率并不完全符合,Lambert,定律，但仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從,Lambert,定律；,物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。這說明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,27,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,28,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,29,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,30,7-4,實(shí)際固體的
12、吸收比和基爾霍夫定律,上一節(jié)簡單介紹了實(shí)際物體的發(fā)射情況，那么當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時(shí)，該物體對投入輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對其作出解答。,Semi-transparent medium,Absorptivity,deals with what happens to _,while,emissivity,deals with,_,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,31,1.,投入輻射,：單位時(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能,2.,選擇性吸收,：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際,物體對投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長的不同而變,化，這叫選擇性吸收,3.,吸收比,：物體對投
13、入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用,表,示,，即,首先介紹幾個(gè)概念：,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,32,(4),光譜吸收比,：物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。,圖,7-17,和,7-18,分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系。,圖,7-17,金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長的關(guān)系,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,33,圖,7-18,非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系,灰體,：光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱為灰體。此時(shí)，不管投入輻射的分布如何，吸收比,都是同一個(gè)常數(shù)。,第七章 熱輻射基本定律及
14、物體的輻射特性,34,根據(jù)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)的溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長的能量分布有關(guān)。設(shè)下標(biāo),1,、,2,分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體,1,的吸收比為,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,35,在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來看一下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，,1859,年，,Kirchhoff,用熱力學(xué)方法回答了這個(gè)問題，從而提出了,Kirchhoff,定律。,最簡單的推導(dǎo)是用兩塊無限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。如圖,7-20,所示，板,1,是黑體，板,2,是任意物體，參數(shù)分別為,E,b,T,1,以及,E,T,2,，則當(dāng)系統(tǒng)處
15、于熱平衡時(shí)，有,圖,7-20,平行平板間的輻射換熱,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,36,此即,Kirchhoff,定律的表達(dá)式之一。該式說明，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有如下,限制,：,整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；,物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關(guān)，因此二者只有處于同一溫度下的值才能相等；,投射輻射源必須是同溫度下的黑體,。,為了將,Kirchhoff,定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們考察、推導(dǎo)了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達(dá)式，見表,7-2,。,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,37,層 次,數(shù)學(xué)表達(dá)式,成立條件,光譜，定向,光譜，半球,全波段
16、，半球,無條件，,為天頂角,漫射表面,與黑體處于熱平衡或?qū)?漫灰表面,表,7-2 Kirchhoff,定律的不同表達(dá)式,注：,漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空間方向無關(guān)，即符合,Lambert,定律的物體表面；,灰體：指光譜吸收比與波長無關(guān)的物體，其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個(gè)相同的比例。,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,38,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,39,思考題：,1.,什么是黑體,灰體,?,實(shí)際物體在什么樣的條件下可以看成是灰體,?,2.,光譜輻射力,輻射力和定向輻射強(qiáng)度的物理意義,.,它們之間有什么關(guān)系,?,3.,物體的發(fā)射率,吸收率,反射率,穿透率是怎樣定義的,?,發(fā)射率和反射率有何不同,?,4.,工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射波長范圍,.,近紅外,遠(yuǎn)紅外輻射概念,.,5.,漫射表面的概念,.,6.,物體的發(fā)射率取決于物體本身,而不涉及外部條件,.,因此,發(fā)射率可看成是物性,.,但是吸收率與外界條件有關(guān),.,為什么對于灰體,吸收率也可看成是物性,并等于發(fā)射率,?,第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性,40,7.,維恩位移定律的
物體的熱輻射特性
