第七章热辐射基本定及物体的辐射特性

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1、第七章第七章 热辐射基本定及物体的辐射特性热辐射基本定及物体的辐射特性动力工程系7-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念1.1.热辐射特点热辐射特点(1)(1)定义定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；能量；(2)(2)特点特点：a a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 0 K K，就会就会不停地向周围空间发出热辐射；不停地向周围空间发出热辐射；b b 可以在真空中可以在真空中传播；传播；c c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d d 具有强烈的方具有强烈的方向性；向性；e e 辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关

2、；f f 发射辐发射辐射取决于温度的射取决于温度的4 4次方。次方。2.2.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，而所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区我们所感兴趣的，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 C =f 式中：式中：f f 频率，频率，s-1;s-1;波长，波长，mm电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱图图7-17-1 当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图种现

3、象，即吸收、反射和穿透，如图7-27-2所示。所示。3.3.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7.2 7.2 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：透明体：透明体：反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种图图7-3 镜反射镜反射图图7-4 漫反射漫反射1.1.黑体概念黑体概念 黑体：黑体：是指能吸收投入到是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，是一种科学假

4、想的物体，现实生活中是不存物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。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辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。射的所有波长的能量总和。(W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力EE：单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定包含某一给定波长波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。量。(W/m3)；2.2.热辐射能量的表

5、示方法热辐射能量的表示方法E E、E E关系关系:显然，显然，E E和和EE之间具有如下关系：之间具有如下关系：黑体一般采用下标黑体一般采用下标b b表示，如黑体的辐射力表示，如黑体的辐射力为为E Eb b，黑体的黑体的光谱辐射力光谱辐射力为为E Ebb3.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，3.742103.74210-16-16 W W m m2 2；c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.4388101.438810-2-2 W W K K；(1

6、)Planck(1)Planck定律定律(第一个定律第一个定律)：图图7-6 Planck 7-6 Planck 定律的图示定律的图示(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律(第二个定律第二个定律)：式中，式中，=5.6710-8 w/(m2=5.6710-8 w/(m2 K4)K4)，是是Stefan-Stefan-BoltzmannBoltzmann常数。常数。图图7-67-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。长和温度的依变关系。m m与与T T 的关系由的关系由WienWien位移位移定律给

7、出：定律给出：(3)(3)黑体辐射函数黑体辐射函数黑体在波长黑体在波长1 1和和2 2区段内所发射的辐射力，区段内所发射的辐射力，如图如图7-77-7所示：所示：图图7-7 7-7 特定波长区段内的黑体辐射力特定波长区段内的黑体辐射力黑体辐射函数黑体辐射函数:定定义义：球球面面面面积积除除以以球球半半径径的的平平方方称称为为立立体体角角，单单位位：srsr(球球面面度度)，如如图图7-87-8和和7-97-9所示：所示：(4)(4)立体角立体角图图7-8 7-8 立体角定义图立体角定义图图图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何关系定义：定义：单位时间内，物体在垂直发射方

8、向的单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，长的能量，参见图参见图7-107-10。(5)(5)定向辐射强度定向辐射强度L L(,)：(6)Lambert(6)Lambert 定律定律(黑体辐射的第三个基本定律黑体辐射的第三个基本定律)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 呈呈余弦规律变化，见图余弦规律变化，见图7-117-11，因此，因此，LambertLambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。图图7-10 7-10 定向辐射强定向辐射强 度的定义图度的定义图图图7-11 Lam

9、bert7-11 Lambert定律图示定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:E: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 发射率发射率前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐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；射的能力最强，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，：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

10、际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比: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。WavelengthDirection(angle from the surface normal)因此，我们需要定义因此，我们需要定义方向光谱发射率方向光谱发射率，对于，对于某一指定的方向某一指定的方向(,)和波长和波长 对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向向总发射率总发射率，即即实际物体的定向辐射强度与黑实际物体的定向辐射强度与

11、黑体的定向辐射强度之比：体的定向辐射强度之比：对于指定波长，而在方向上平均的情况，对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了则定义了半球光谱发射率半球光谱发射率，即即实际物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与黑体的光谱辐射力之比这样，前面定义的这样，前面定义的半球总发射率半球总发射率则可以写为：则可以写为：半球总发射率是对所有方向和所有波长半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均下的平均 对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力E Eb b，光谱辐射力光谱辐射力E Eb b 和定向和定向辐射强度辐射强度L L，分别引入了三个修正系数，即，发射分别引入了三个修正系数，即，发

12、射率率，光谱发射率，光谱发射率()和定向发射率和定向发射率()，其，其表达表达式和物理意义式和物理意义如下如下实际物体的辐射力与黑体辐射力之比实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：辐射力之比：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：辐射强度之比：漫发射漫发射的概念：的概念：表面的方向发射率表面的方向发射率 ()与方向无关与方向无关，即，即定向辐射强度与方向定向辐射强度与方向无关无关，满足上诉规律的表面称为漫发射面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。

13、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)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)前前面面讲讲过过，黑黑体体、灰灰体体、白白体体等等都都是是理理想想物物体体，而而实实际际物物体体的的辐辐射射特特性性并并不不完完全全与与这这些些理理想想物物体体相相同同，比比如如，(1)(1)实实际际物物体体的的辐辐射射力力与与黑黑体体和和灰灰体体的的辐辐射射力力的的差差别别见见图图7-147-14；(2)(2)实实际际物物体体的的辐辐射射

14、力力并并不不完完全全与与热热力力学学温温度度的的四四次次方方成成正正比比；(3)(3)实实际际物物体体的的定定向向辐辐射射强强度度也也不不严严格格遵遵守守LambertLambert定定律律，等等等等。所所有有这这些些差差别别全全部部归归于于上上面面的的系系数数，因因此此，他他们们一一般般需需要要实实验验来来确确定定，形形式式也也可可能能很很复复杂杂。在在工工程程上上一一般般都都将将真真实实表表面面假假设为漫发射面。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

15、是由于热辐射非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；常复杂，很难理论确定，实际上是一种权宜之计；2.2.服从服从LambertLambert定律的表面成为漫射表面。虽然实际定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合物体的定向发射率并不完全符合LambertLambert定律，但定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从仍然近似地认为大多数工程材料服从LambertLambert定律，定律，这有许多原因；这有许多原因；3.3.物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和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

16、与发射辐射的物体本表面状况。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。身有关，而不涉及外界条件。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 _1.1.投入辐射投入辐射：单位时间内投射

17、到单位表面积上的：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能总辐射能 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：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化，这叫选择性吸收长的不同而变化，这叫选择性吸收首先介绍几个概念：首先介绍几个概念：7-4 7-4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律3.3.吸收比吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用常用 表示表示，即，即4 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：物体对某一特定

18、波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波收的百分数，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。长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。图图7-177-17和和7-187-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。收比同波长的关系。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体。：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入

19、辐射的分布如何，吸收比此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比 都是同都是同一个常数。一个常数。根据前面的定义可知，根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面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性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关布有关。设下标。设下标1 1、2 2分别代表所研究的物体和产生分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体投入辐射的物体，则物体1 1的吸收比为的吸收比为图图7-187-18给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。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，由于如果投入辐射来自黑体，由于 ，

20、则上式可变为，则上式可变为图图7-19 7-19 物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系(1)(1)灰体法灰体法，即将光谱吸收比，即将光谱吸收比 ()等效为常等效为常数，即数，即 =()=const)=const。并将并将()与波长与波长无关的物体称为灰体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，灰体假设带来的误差是可以容忍的；来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；(2)(2)谱带模型法谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区

21、域，每个小区域被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称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。设。发射辐射与吸收辐射二者之间的联系发射辐射与吸收辐射二者之间的联系：最简单的推导是用两块无限大平板间最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图的热力学平衡方法。如图7-207-20所示，板所示，板1 1时黑体，板时黑体，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，则当系统处于热平衡时，有有 图图7-20 7-20 平行平板间的辐射换热平行平板间的辐射换热 此即此即Ki

22、rchhoff Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，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。但该式具有如下发射率。但该式具有如下限制限制：(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)(2)如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；只有处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，定律推

23、向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律该定律不同层次上的表达式，见表不同层次上的表达式，见表7-27-2。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：漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合与空间方向无关，即符合LambertLambert定律的定律的物体表面；物体表面；(2)(2)灰体：灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，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。样，只是减小了一个相同的比例。