《传热学》第8章-热辐射基本定律和辐射特性

7
第8章 热辐射基本定律和辐射特性
8.2.2 普朗克定律
普朗克定律揭示了黑体辐射能按波长分布的规律
1. 光谱辐射力 定义：单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的
在包含波长λ在内的单位波长内的能量，Ebλ，单位W/(m2·μm) 2. 普朗克定律 黑体的光辐射力随波长的变化关系为：
腔壁面保持均匀的温度，这种带有小孔的温度均匀的空腔就是黑体模型 特点：
1) 在一定的小孔面积和腔体总面积之比下，材料本身的吸收比越大，黑
体模型的有效吸收比越大；反之亦然。
2) 等温空腔内部的辐射是均匀且各向同性的，在相同物体中，黑体的辐
射能力和吸收能力都是最大的。
2020-06-28
6
第8章 热辐射基本定律和辐射特性
m T 2 .8 9 1 3 m 7 0 K 6 2 .9 1 3 m 0 K
随着温度的增高，最大光辐射力的波长会减
小，曲线峰值向左移动。
波长与温度成反比的规律称为维恩位移定律
3. 普朗克定律与斯忒藩-玻耳兹曼定律的关系
光辐射力曲线下的面积就是该温度下黑
体的辐射力
E
0
Ebd
0 ec2c /1 T 51d
8.2 黑体热辐射的基本定律
三个定律分别从不同角度揭示在一定的温度下，单位表面黑体辐射能的
多少及其随空间方向与随波长分布的规律。
8.2.1 斯忒藩-波尔兹曼定律
为了定量分析热辐射能量大小，引入辐射力的概念
辐射力：单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去
的全部波长范围内的能量,记为E,其单位为W/m2。
表面状况对辐射特性影响很重要
极短距离内把辐射能量吸收完(1μm-1mm)，不允许热穿透。
气体：α+τ=1
内部状况对辐射特性影响很重要
对辐射能没有反射能力，只能吸收或穿透。
(2) 固体表面的两种反射
辐射能的 反射方式
镜面反射：物体表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时 漫反射：物体表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时
热辐射研Leabharlann Baidu的波长区段为：
0.1~100μm
2020-06-28
3
第8章 热辐射基本定律和辐射特性
不同波长热辐射的用途：
1) 以25μm为界分为近红外线和远红外线，对物体进行远红外线加热。
2) 1mm~1m的电磁波为微波，能穿透塑料玻璃和陶瓷，会被水吸收产生
内热源，对物体均匀加热。(转，蚂蚁)
3) 大于1m的电磁波广泛用于无线电技术。
3. 物体表面对电磁波的作用
(1) 吸收比、反射比与穿透比之间的一般关系
热辐射投射到物体表面时，分为三部分
吸收能量—Qα—吸收率—α 反射能量—Qρ—反射率—ρ 穿透能量—Qτ—穿透率—τ
1
Q Q Q Q
Q Q Q 1 QQQ
2020-06-28
4
第8章 热辐射基本定律和辐射特性
固体和液体：α+ρ=1
注意：热辐射不断把热能变为辐射能，为了达到能量守恒定律，还需要 不断吸收周围物体投射到它表面的热辐射，并变为热能。 辐射传热指物体之间的相互辐射和吸收的总效果。 辐射传热量为零，但是热辐射仍在不断进行。
2020-06-28
2
第8章 热辐射基本定律和辐射特性
8.1.2 从电磁波的角度描述热辐射的特性
2020-06-28
5
第8章 热辐射基本定律和辐射特性
8.1.3 黑体模型及其重要性
绝对黑体：吸收比为1的物体 镜体：反射比为1的物体 绝对透明体：穿透比为1的物体
由理想情况到 复杂情况分析
黑体模型：
自然界不存在黑体，但是可以通过人工方法制造出类似黑体的模型。
选择吸收比较大的材料制造一个空腔，并在壁面上开一个小孔，并使空
2020-06-28
9
第8章 热辐射基本定律和辐射特性
4. 黑体辐射能按波段的分布
为了确定在某个特定的波段范围内黑体的辐射能，需要对Ebλ进行积分
Eb0 0 Ebd
这份能量在黑体辐射力中所占的百分数为：
F b 0 0E T b 4 d0 e c 1 c 2/T T 1 51 d T fT
Eb
c15
ec2/T 1
光辐射能力随着波长的 增加，先是增加，然后
又减少
λ— 波长，m ； T — 黑体温度，K ；
c1 — 第一辐射常数，3.742×10-16 Wm2； c2 — 第二辐射常数，1.4388×10-2 WK；
2020-06-28
8
第8章 热辐射基本定律和辐射特性
光谱辐射力最大处的波长λm亦随温度不同而 变化：
第8章 热辐射基本定律和辐射特性
8.1 热辐射现象的基本概念 8.2 黑体热辐射的基本定律 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 8.5 太阳与环境辐射
2020-06-28
1
第8章 热辐射基本定律和辐射特性
8.1 热辐射现象的基本概念 8.1.1 热辐射的定义及区别导热对流的特点
黑体辐射力与热力学温度的关系由斯忒藩-波耳兹曼定律确定：
Eb T4 C01T004
σ=5.67*10-8W/(m2K4)为黑体辐射常数， C0=5.67W/(m2K4)称为黑体辐射系数， 下角码b表示黑体
以上公式称为辐射四次方定律，是辐射传热计算基础；
该公式表明：随着温度上升，辐射力急剧增大。
2020-06-28
1. 传播速率与波长、频率间的关系 热辐射具有一般辐射的共性：
1) 热辐射以光速在空间中传播；
2) 电磁波的速率、波长和频率之间的关系为
c=fλ
c=3*108m/s为电磁波传播速度，f为频率，λ为波长。
2. 电磁波的波谱
2000k以下热辐射: 0.8~100μm 可见光波长：0.38~0.76 μm 太阳辐射能量：0.2~2 μm
黑体辐射函数
任意两个波长λ2、λ1之间黑体的辐射能为
E b 1 2 F b 1 2 E b F b 0 2 F b 0 1 E b
定义：由热运动产生的，以电磁波的形式传递能量的一种现象。它是物 体内部微观粒子的热运动状态发生改变时激发出来的。
特点：1) 任何物体，只要温度高于绝对温度0 K，就会不停地向周围空 间发出热辐射；2) 热辐射的能量传递不需要任何介质，且在真空 中传递效率最高；3) 伴随电磁能和热能之间的能量形式的转变； 4) 热辐射具有强烈的方向性；5) 辐射能与温度和波长均有关； 6) 热辐射的热量取决于绝对温度的4次方。