热辐射的基本概念_黑体、白体、镜体、透明体
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传热学-第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性
图8-6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。
λm与T 的关系由Wien位移
定律给出，
m T2.89 17 3 0 m 6K
图8-6 Planck 定律的图示
8
(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：
E b 0 E b d 0 e c 2 c ( 1 T ) 5 1 dT 4
为了将Kirchhoff 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，见表8-2。
33
表8-2 Kirchhoff 定律的不同表达式
层次
光谱，定向 光谱，半球
数学表达式
成立条件
Leabharlann Baidu
( ,, ,T ) ( ,, ,T )无条件，为天顶角
(,T)(,T) 漫射表面
E Ed 0
黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，
黑体的光谱辐射力为Ebλ
7
3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质
(1)Planck定律(第一个定律)：
Eb ec2c(1T)51
式中，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；
向发射率( )，其表达式和物理意义如下
传热学-辐射2
λmT = 2.8976×10−3 m⋅ K
图7-6 Planck 定律的图示
(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律) (2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)： 定律
Eb =
∫0
∞
E b λ d λ = ∫0
∞
c1λ − 5 ec
2
(λT )
−1
dλ = σT 4
Semi-transparent medium
首先介绍几个概念： 首先介绍几个概念： 1. 2. 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 选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此， 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 化，这叫选择性吸收 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用A表 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数， 示，即
E E ε= = Eb σ T 4
上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上， 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。
Wavelength
对应于黑体的辐射力E 光谱辐射力E λ和定向辐射强度L， 对应于黑体的辐射力 b，光谱辐射力 bλ和定向辐射强度 ， 分别引入了三个修正系数， 分别引入了三个修正系数，即，发射率ε，光谱发射率ε(λ )和定 和定 向发射率ε(θ )，其表达式和物理意义如下 ， 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 力与黑体的光谱辐射 力之比： 力之比：
热辐射基本定律及物体的辐射特性
二、普朗克定律
1900年，普朗克（M.Planck）在量子假设的
基础上，从理论上确定了黑体辐射的光谱分布规律，
也就是普朗克定律。
Eb f(T,)
Eb
C15
eC2 /T 1
C1—普朗克第一常数，C1= 3.742×10-16 Wm2 ;
C2—普朗克第二常数， C2 = 1.439×10-2 mK。
根据黑体辐射曲线可以 得以下规律：
m T a x 2 .89 17 3 0 6 2 .9 1 3 0 mK
上式被称为维恩位移定律。 计算温度分别为300K和5800K时最大光谱辐射力所 对应的波长max。
T30 K0 m , a x 2 .9 3 1 0 3 K 0 m 0 K 9 .6μ 7m T58K 0m ,0a x 2 .9 5 18 3 0 K m 0 K 0 0 .5 μm
如果仅考虑某特定
p
Fra Baidu bibliotek
波长的辐射，那么相应
可见辐射
的量被称为定向光谱辐
面积
射强度 L(,) 。
dA
(4) 定向辐射力
是指单位时间、单位辐射面积向空间指定方向
所在的单位立体角内发射的全波段辐射能量。用
符号 E 表示。
E
d()
dAd
因此可得：
E L()cos
E 2Ed
热辐射基础
内能→辐射能→ →辐射能→内能 A 物体（发射） B 物体（吸收） ； ➢辐射传热量是物体间相互辐射与吸收的动态平衡(当物 体 间处于热平衡时，净辐射换热量等于零，但是相互间 的辐 射与吸收仍在进行)。注意热辐射与辐射传热的概念
4.物体表面对热辐射的作用
物体对热辐射的吸收、反射与穿透：
可见光、声波、热射线
[小结] 黑体辐射力的基本定律
Planck定律: 给出了特定波长下的辐射力； Stefan-Boltzmann定律: 给出了一切波长下的总辐射力； Lambert定律：描述了辐射能量按空间方向分布的规律； Wien位移定律： 给出了单色辐射力峰值波长λm与温度T 的
关系
三、黑体的吸收特性
吸收比是表示物体吸收入射辐射的能力。
频谱分布特性
方向性分布特性
第二节 黑体辐射和吸收的基本性质
一、物体辐射的表征能力 二、黑体辐射的基本定律 三、黑体的吸收特性
一、物体辐射能力的表征
1) 总辐射力 E： 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。 (W/m2)；（亦称为半球 辐射力，注意单位）
E d / dA (W/m2)
[W /(m2 sr)]
✓立体角：球面面积除以球半径的平方称为立体角，sr(球面度)，
Ac r2
d
dAc r2
sin
d d
4.物体表面对热辐射的作用
物体对热辐射的吸收、反射与穿透：
可见光、声波、热射线
[小结] 黑体辐射力的基本定律
Planck定律: 给出了特定波长下的辐射力； Stefan-Boltzmann定律: 给出了一切波长下的总辐射力； Lambert定律：描述了辐射能量按空间方向分布的规律； Wien位移定律： 给出了单色辐射力峰值波长λm与温度T 的
关系
三、黑体的吸收特性
吸收比是表示物体吸收入射辐射的能力。
频谱分布特性
方向性分布特性
第二节 黑体辐射和吸收的基本性质
一、物体辐射的表征能力 二、黑体辐射的基本定律 三、黑体的吸收特性
一、物体辐射能力的表征
1) 总辐射力 E： 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。 (W/m2)；（亦称为半球 辐射力，注意单位）
E d / dA (W/m2)
[W /(m2 sr)]
✓立体角：球面面积除以球半径的平方称为立体角，sr(球面度)，
Ac r2
d
dAc r2
sin
d d
热辐射及辐射换热
第六章 热辐射及辐射换热
§6-1 热辐射的基本概念
1. 热辐射特点 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量； (1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量； 特点： 任何物体，只要温度高于0 ， (2) 特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周 围空间发出热辐射； 可以在真空中传播； 围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形 式的转变； 具有强烈的方向性； 式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长 均有关； 发射辐射取决于温度的4次方 次方。 均有关；f 发射辐射取决于温度的 次方。 2. 电磁波谱 电磁辐射包含了多种形式，如图6.5- 所示， 电磁辐射包含了多种形式，如图6.5-1所示，而我们所感兴 6.5 趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1~100μm。 趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1~100μm。 电磁波的传播速度： 电磁波的传播速度： c = fλ 式中：f — 频率，s-1; λ— 波长，µm 频率， 波长， 式中：
E E ε= = Eb σ T 4
上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上， 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。
Direction (angle from the surface normal)
§6-1 热辐射的基本概念
1. 热辐射特点 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量； (1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量； 特点： 任何物体，只要温度高于0 ， (2) 特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周 围空间发出热辐射； 可以在真空中传播； 围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形 式的转变； 具有强烈的方向性； 式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长 均有关； 发射辐射取决于温度的4次方 次方。 均有关；f 发射辐射取决于温度的 次方。 2. 电磁波谱 电磁辐射包含了多种形式，如图6.5- 所示， 电磁辐射包含了多种形式，如图6.5-1所示，而我们所感兴 6.5 趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1~100μm。 趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1~100μm。 电磁波的传播速度： 电磁波的传播速度： c = fλ 式中：f — 频率，s-1; λ— 波长，µm 频率， 波长， 式中：
E E ε= = Eb σ T 4
上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上， 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。
Direction (angle from the surface normal)
热辐射及辐射换热
Eλ (λ , T ) = Ebλ (λ , T )
这样，前面定义的半球总发射率则可以写为： 这样，前面定义的半球总发射率则可以写为：
(T ) = ∫ ε
∞
0
ε λ (λ , T ) Eλ ,blackbody (λ , T ) dλ
∫
∞
0
Eλ ,blackbody (λ , T ) dλ
Eactual emitted (T ) = E b (T )
θ呈余弦规律变化，见图 呈余弦规律变化，见图6-11，因 ，
此， Lambert定律也称为余弦定 定律也称为余弦定 律。 图6-10 定向辐射强度 的定义图
沿半球方向积分上式， 沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:
E=
∫ = 2π L cos θ d = L π
Lambert定律图示 图6-11 Lambert定律图示
图6-15 几种金属导体在不同方向上的定向发射率 ε(θ )(t=150℃) ℃
图6-16 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率 ε(θ )(t=0~93.3℃) ℃
前面讲过，黑体、灰体、 前面讲过，黑体、灰体、白体等都是 理想物体， 理想物体，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， 不完全与这些理想物体相同，比如， (1) 实际物体的辐射力与黑体和灰体 的辐射力的差别见图6 14； 的辐射力的差别见图6-14；(2) 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) 实际物体的定 向辐射强度也不严格遵守Lambert Lambert定 向辐射强度也不严格遵守 Lambert 定 等等。 律，等等。所有这些差别全部归于上 面的系数，因此， 面的系数，因此，他们一般需要实验 来确定，形式也可能很复杂。 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漫发射面。 上一般都将真实表面假设为漫发射面。 图6.5-14 实际物体、黑 实际物体、 体和灰体的辐射能量光谱
《传热学》辐射传热
第三章辐射传热一、名词解释1．热辐射：由于物体内部微观粒子的热运动状态改变，而将部分内能转换成电磁波的能量发射出去的过程。2．吸收比：投射到物体表面的热辐射中被物体所吸收的比例。3．反射比：投射到物体表面的热辐射中被物体表面所反射的比例。4．穿透比：投射到物体表面的热辐射中穿透物体的比例。5．黑体：吸收比α 1的物体。6．白体：反射比ρl的物体漫射表面7．透明体：透射比η 1的物体8．灰体：光谱吸收比与波长无关的理想物体。9．黑度：实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值，即物体发射能力接近黑体的程度。10．辐射力：单位时间内物体的单位辐射面积向外界半球空间发射的全部波长的辐射能。11．漫反射表面：如果不论外界辐射是以一束射线沿某一方向投入还是从整个半球空间均匀投入，物体表面在半球空间范围内各方向上都有均匀的反射辐射度Lr，则该表面称为漫反射表面。12．角系数：从表面1发出的辐射能直接落到表面2上的百分数。13．有效辐射：单位时间内从单位面积离开的总辐射能，即发射辐射和反射辐射之和。14．投入辐射：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能。15．定向辐射度：单位时间内，单位可见辐射面积在某一方向p的单位立体角内所发出的总辐射能发射辐射和反射辐射，称为在该方向的定向辐射度。16．漫射表面：如该表面既是漫发射表面，又是漫反射表面，则该表面称为漫射表面。17．定向辐射力：单位辐射面积在单位时间内向某一方向单位立体角内发射的辐射能。18．表面辐射热阻：由表面的辐射特性所引起的热阻。19．遮热板：在两个辐射传热表面之间插入一块或多块薄板以削弱辐射传热。20．重辐射面：辐射传热系统中表面温度未定而净辐射传热量为零的表面。二、填空题1．热辐射是由于产生的电磁波辐射。热辐射波长的单位是，在工业范围内，热辐射的波段主要集中于区段。热的原因，μm，红外2．太阳与地球间的热量传递属于传热方式。辐射3．黑体是指的物体，白体是指的物体，透明体是指的物体。灰体是的物体。（吸收比为0，反射比为0，投射比为0，光谱吸收比与波长无关的）4．基尔霍夫定律表明，善于辐射的物体也善于，在同温度下，黑体具有的辐射力，实际物体的吸收率永远1。（吸收，最大，小于）5．有效辐射是之和。（发射辐射和反射辐射）6．一个由两个表面所构成的封闭系统中，若已知A10.5A2X120.6，则X21 。（0.3）7．将任意形状气体的辐射折合成一个假想的当量半球，半球内气体与所研究的气体具有，球内气体对球心的辐射效果等于，该当量半球的半径称为。相同的温度、压力和成份，所研究的气体对指定地点的辐射，平均射线行程8．物体的光谱辐射力与同温度下之比，称为物体的光谱发射率。黑体的光谱辐射力9．角系数具有、、的特性。（相对性、完整性、分解性）10．表面辐射热阻应用于辐射传热计算，其值可用数学式表示为。（灰漫表面或灰表面即可，A1）11．气体辐射具有2个特点：①；②。（气体的辐射和吸收对波长具有明显的选择性，气体的辐射和吸收在整个容积中进行）12．基尔霍夫定律指出了物体的与之间的关系。（辐射力，吸收碧）13．辐射传热的空间热阻主要与有关。（两个表面之间的角系数及辐射换热面积）14．辐射减弱系数是指射线经过单位长度时的能量与的能量之比。（被气体所吸收，投射）15．辐射传热的表面热阻主要与有关。（表面黑度和辐射换热面积）16．普朗克定律揭示了黑体光谱辐射力按变化的分布规律。（波长与热力学温度）17．热辐射能量投射到物体表面上时，占投入辐射的百分比称为投射比。（穿透物体的辐射能）18．在热平衡条件下，任
热辐射基础知识
f − 频率，������−1； ������ − 波长，单位m，常用单位为������������，1������������ = 10−6������
② 电磁波的波谱
电磁波的波长包括从零到无穷大的范围（如图1-1所示）。理论上物体热辐射的电磁波波长可以 包括整个波谱，然而在工业上所遇到的温度范围内，即2000K以下，有实际意义的热辐射波长 位于0.8~100������������之间，且大部分能量位于红外线区段的0.76~20������������范围内，而在可见光区段， 即波长为0.38~0.76 ������������ 的区段，热辐射能量的比重不大。显然，当热辐射的波长大于0.76 ������������ 时， 人们的眼睛将看不见。如果我们把温度范围扩大到太阳辐射，情况就会有变化。太阳是温度约 为5800K的热源，其温度比一般工业上遇到的温度高出很多。对于太阳辐射，主要能量集中在 0.2~2������������的波长范围，其中可见光区段占有很大比重。所以如果把太阳辐射包括在内，热辐射 的波长区段为0.1~100������������。
▪2020/2/8
图2-1 物体对热辐射的 吸收、反射和穿透
▪6
黑体、白体和透明体
2. 黑体：
试验表明物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。在探 索热辐射规律的过程中，黑体（black body）这种理想物体的概念具有重大意义。
② 电磁波的波谱
电磁波的波长包括从零到无穷大的范围（如图1-1所示）。理论上物体热辐射的电磁波波长可以 包括整个波谱，然而在工业上所遇到的温度范围内，即2000K以下，有实际意义的热辐射波长 位于0.8~100������������之间，且大部分能量位于红外线区段的0.76~20������������范围内，而在可见光区段， 即波长为0.38~0.76 ������������ 的区段，热辐射能量的比重不大。显然，当热辐射的波长大于0.76 ������������ 时， 人们的眼睛将看不见。如果我们把温度范围扩大到太阳辐射，情况就会有变化。太阳是温度约 为5800K的热源，其温度比一般工业上遇到的温度高出很多。对于太阳辐射，主要能量集中在 0.2~2������������的波长范围，其中可见光区段占有很大比重。所以如果把太阳辐射包括在内，热辐射 的波长区段为0.1~100������������。
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图2-1 物体对热辐射的 吸收、反射和穿透
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黑体、白体和透明体
2. 黑体：
试验表明物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。在探 索热辐射规律的过程中，黑体（black body）这种理想物体的概念具有重大意义。
热辐射的基本概念1
⒈实际物体的辐射能力不服从斯蒂芬－波尔 兹曼定律
自然界一切物体的辐射能力均小于同温度下黑体的 辐射能力； 引入相对辐射能力：ε=E/ E0，又称黑度，发射率 影响因素：①ε它与物体温度和表面性质（表面温 度、表面状况等）有关； ②ε恒小于1。
1.3.1 实际物体与黑体的区别与联系
⒉实际物体的单色辐射能力随温度和波长的 变化不符合普朗克定律
1.4.2 烟气的黑度：
⒉烟气的黑度εg： εg=（εCO2 +εH2O）· （1-Δε）
Δε-烟气中光谱重叠的校正量， Δε≈2-5%； 烟气中如存在SO2，通常可计算在CO2组分中。
1.4.3 烟气的吸收率αg ：
当TW≠Tg时，εg ≠ αg，其关系可用下式表示：
CO 2
* CO 2
被该物体吸收的辐射为： q E 0 2 d
假定该物体和包壳处于热平衡状态，则：qe=qα 或 由T1=T2，则E0λ,1= E0λ,2，带入上式有：ελ=αλ
E d E
0 1
0 2
d
1.3.2 克希霍夫（Kirchhoff）定律
说明：①对于许多物质，人们发现αλ（或ελ）与投射辐
1.4.1 气体辐射与吸收的特点:
⒊气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的
气体的辐射和吸收与气体的形状和体积有关。 气体的辐射和吸收取决于气层厚度、气体的温度 和分压。 定义平均辐射长度L=3.5V/A ，又称有效气层厚度
自然界一切物体的辐射能力均小于同温度下黑体的 辐射能力； 引入相对辐射能力：ε=E/ E0，又称黑度，发射率 影响因素：①ε它与物体温度和表面性质（表面温 度、表面状况等）有关； ②ε恒小于1。
1.3.1 实际物体与黑体的区别与联系
⒉实际物体的单色辐射能力随温度和波长的 变化不符合普朗克定律
1.4.2 烟气的黑度：
⒉烟气的黑度εg： εg=（εCO2 +εH2O）· （1-Δε）
Δε-烟气中光谱重叠的校正量， Δε≈2-5%； 烟气中如存在SO2，通常可计算在CO2组分中。
1.4.3 烟气的吸收率αg ：
当TW≠Tg时，εg ≠ αg，其关系可用下式表示：
CO 2
* CO 2
被该物体吸收的辐射为： q E 0 2 d
假定该物体和包壳处于热平衡状态，则：qe=qα 或 由T1=T2，则E0λ,1= E0λ,2，带入上式有：ελ=αλ
E d E
0 1
0 2
d
1.3.2 克希霍夫（Kirchhoff）定律
说明：①对于许多物质，人们发现αλ（或ελ）与投射辐
1.4.1 气体辐射与吸收的特点:
⒊气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的
气体的辐射和吸收与气体的形状和体积有关。 气体的辐射和吸收取决于气层厚度、气体的温度 和分压。 定义平均辐射长度L=3.5V/A ，又称有效气层厚度
传热学第五章热辐射的基本概念及基本定律
2010-5-6 第五章 热辐射的基本概念及基本定律 11
α + ρ +τ = 1 物体的吸收比 吸收比, α—物体的吸收比,表示物体所吸收的 能量占投入辐射能量的份额; 能量占投入辐射能量的份额; 物体的反射比 反射比, ρ—物体的反射比,表示物体所反射的 能量占投入辐射能量的份额; 能量占投入辐射能量的份额; τ—物体的透射比,表示物体所穿透的 物体的透射比, 透射比 能量占投入辐射能量的份额. 能量占投入辐射能量的份额.
2010-5-6 第五章 热辐射的基本概念及基本定律 2
第一节 热辐射的本质和辐射换热特点
辐射: 辐射:物体以电磁波的形式释放能量的现 象. 热辐射: 热辐射:物体由于热的原因发生的辐射现 象. 热辐射是大部分物体固有的属性, 热辐射是大部分物体固有的属性,物体 之间可以依靠热辐射进行辐射换热. 之间可以依靠热辐射进行辐射换热. 辐射能依靠电磁波在真空或介质中传播, 辐射能依靠电磁波在真空或介质中传播, 传播速度等于光速. 传播速度等于光速. c=λν
2010-5-6 第五章 热辐射的基本概念及基本定律 3
电磁波波谱: 电磁波波谱:
λ=0.1～100m ～
热射线包括: 热射线包括: 包括 可见光:λ=0 38～ 76μm 可见光:λ=0.38～0.76μm 部分紫外线: 38μm 部分紫外线:λ<0.38μm 部分红外线: 76μm 部分红外线:λ>0.76μm
α + ρ +τ = 1 物体的吸收比 吸收比, α—物体的吸收比,表示物体所吸收的 能量占投入辐射能量的份额; 能量占投入辐射能量的份额; 物体的反射比 反射比, ρ—物体的反射比,表示物体所反射的 能量占投入辐射能量的份额; 能量占投入辐射能量的份额; τ—物体的透射比,表示物体所穿透的 物体的透射比, 透射比 能量占投入辐射能量的份额. 能量占投入辐射能量的份额.
2010-5-6 第五章 热辐射的基本概念及基本定律 2
第一节 热辐射的本质和辐射换热特点
辐射: 辐射:物体以电磁波的形式释放能量的现 象. 热辐射: 热辐射:物体由于热的原因发生的辐射现 象. 热辐射是大部分物体固有的属性, 热辐射是大部分物体固有的属性,物体 之间可以依靠热辐射进行辐射换热. 之间可以依靠热辐射进行辐射换热. 辐射能依靠电磁波在真空或介质中传播, 辐射能依靠电磁波在真空或介质中传播, 传播速度等于光速. 传播速度等于光速. c=λν
2010-5-6 第五章 热辐射的基本概念及基本定律 3
电磁波波谱: 电磁波波谱:
λ=0.1～100m ～
热射线包括: 热射线包括: 包括 可见光:λ=0 38～ 76μm 可见光:λ=0.38～0.76μm 部分紫外线: 38μm 部分紫外线:λ<0.38μm 部分红外线: 76μm 部分红外线:λ>0.76μm
热辐射基础知识
3. 斯蒂藩-玻耳兹曼定律： ① 人物介绍： 斯忒藩（ Josef Stefan，1835-1893） 澳大利亚物理学家。斯忒藩是斯洛 文尼亚人，1879年，他发现热体的总辐射和它的绝对温度的四次方成正 比。若温度提高一倍，辐射率则增加到16倍。这就是斯忒藩的四次方定 律，现已证明它在星体演化的研究上具有重大的意义。 1884年，玻耳兹 曼指出这条定律可以根据热力学原理推导出来，因此有时称之为斯忒藩 – 玻耳兹曼定律。
光学理论：给出了惠更斯-菲涅耳原理的更严格的数学形式，对德国的理论物理学的发展有重大影 响。著有《数学物理学讲义》4卷。他还讨论了电报信号沿圆形截面导线的扰动。
薄板直法线理论：1850年，在柏林大学执教的基尔霍夫发表了他关于板的重要论文《弹性圆板的 平衡与运动》（Ueber das Gleichgewicht und die elastischen Scheibe：Credles Journal， Bd.40,S.51-88）。 基尔霍夫的论文指出泊松的错误。这就是力学界著名的基尔霍夫薄板假设 。
▪.
▪16
热辐射四大定律
▪
▪.
▪17
热辐射四大定律
▪
▪.
▪18
热辐射四大定律
▪
图3-4 维恩位移定律
▪.
▪19
热辐射四大定律
③ 维恩位移定律意义：
维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）。譬如 在宇宙中，不同恒星随表面温度的不同会显示出不同的颜色，温度较高的显蓝色，次之显白 色，濒临燃尽而膨胀的红巨星表面温度只有2000-3000K，因而显红色。太阳的表面温度是 5778K，根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为502nm，这近似处于可见光光谱范围 的中点，为黄光。 与太阳表面相比，通电的白炽灯的温度要低数千度，所以白炽灯的辐射光谱偏橙。至于处于 “红热”状态的电炉丝等物体，温度要更低，所以更加显红色。温度再下降，辐射波长便超 出了可见光范围，进入红外区，譬如人体释放的辐射就主要是红外线，军事上使用的红外线 夜视仪就是通过探测这种红外线来进行“夜视”的。
光学理论：给出了惠更斯-菲涅耳原理的更严格的数学形式，对德国的理论物理学的发展有重大影 响。著有《数学物理学讲义》4卷。他还讨论了电报信号沿圆形截面导线的扰动。
薄板直法线理论：1850年，在柏林大学执教的基尔霍夫发表了他关于板的重要论文《弹性圆板的 平衡与运动》（Ueber das Gleichgewicht und die elastischen Scheibe：Credles Journal， Bd.40,S.51-88）。 基尔霍夫的论文指出泊松的错误。这就是力学界著名的基尔霍夫薄板假设 。
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热辐射四大定律
③ 维恩位移定律意义：
维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）。譬如 在宇宙中，不同恒星随表面温度的不同会显示出不同的颜色，温度较高的显蓝色，次之显白 色，濒临燃尽而膨胀的红巨星表面温度只有2000-3000K，因而显红色。太阳的表面温度是 5778K，根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为502nm，这近似处于可见光光谱范围 的中点，为黄光。 与太阳表面相比，通电的白炽灯的温度要低数千度，所以白炽灯的辐射光谱偏橙。至于处于 “红热”状态的电炉丝等物体，温度要更低，所以更加显红色。温度再下降，辐射波长便超 出了可见光范围，进入红外区，譬如人体释放的辐射就主要是红外线，军事上使用的红外线 夜视仪就是通过探测这种红外线来进行“夜视”的。
辐射基本概念定律总结
所有波长的能量总和。也称为半球总辐射力，(W/m2)；
光谱辐射力Eλ ：单位时间，单位波长范围内(包含某一给定
波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。也称半球 光谱辐射力，(W/m3)；
显然， E和Eλ之间具有如下关系：
E
0 E d
定向辐射力EΩ：单位时间内，物体的单位表面积向某个方向
4
Ac l2
2.38 103W
发射的所有波长的能量总和。也称为半球总辐射力，(W/m2)；
3 黑体辐射的三个基本定律及其相关性质
(1)Planck定律：
Eb
c15
ec2 (T ) 1
式中，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，
(3)Lambert定律：
立体角的定义：球面面积除以球半径的平方称为立 体角，单位：sr(球面度)
dAc= rd rsin d ， 为 ~ +d 和 ~ +d之间的微元面积，
则微元立体角为
d
dAc r2
sin d d
定向辐射力：单位时间内，物体单位面积上，在单 位立体角内发射的所有波长的能量。
d( , ) I cos
dA d
它说明黑体的定向辐射力随纬度 角呈余弦规律变化，因此， Lambert定律也称为余弦定律。
光谱辐射力Eλ ：单位时间，单位波长范围内(包含某一给定
波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。也称半球 光谱辐射力，(W/m3)；
显然， E和Eλ之间具有如下关系：
E
0 E d
定向辐射力EΩ：单位时间内，物体的单位表面积向某个方向
4
Ac l2
2.38 103W
发射的所有波长的能量总和。也称为半球总辐射力，(W/m2)；
3 黑体辐射的三个基本定律及其相关性质
(1)Planck定律：
Eb
c15
ec2 (T ) 1
式中，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，
(3)Lambert定律：
立体角的定义：球面面积除以球半径的平方称为立 体角，单位：sr(球面度)
dAc= rd rsin d ， 为 ~ +d 和 ~ +d之间的微元面积，
则微元立体角为
d
dAc r2
sin d d
定向辐射力：单位时间内，物体单位面积上，在单 位立体角内发射的所有波长的能量。
d( , ) I cos
dA d
它说明黑体的定向辐射力随纬度 角呈余弦规律变化，因此， Lambert定律也称为余弦定律。
第五章热辐射的基本概念及基本定律
21
在相同的温度下， 在相同的温度下 ， 以黑体的辐射力 Eb最大,则实际物体的辐射力 为 最大, 实际物体的辐射力E为
E = εEb
ε—物体的发射率（或黑度） —物体的发射率（或黑度） Eb—同温度下黑体的辐射力,W/m2 同温度下黑体的辐射力,
Leabharlann Baidu
2012-4-18
第五章 热辐射的基本概念及基本定律
单色辐射力E 单色辐射力Eλ: 物体在单位时间内单 位表面积向半球空间所有方向发射的某一 波长λ的辐射能,单位为 波长λ的辐射能,单位为W/m3。 根据定义,辐射力与单色辐射力之间 根据定义, 的关系为
E = ∫ Eλ dλ
0 ∞
dE Eλ = dλ
2012-4-18
第五章 热辐射的基本概念及基本定律
G—该表面接受到的投入辐射。 该表面接受到的投入辐射。 该表面接受到的投入辐射 有效辐射在辐射换热的分析和计算中 非常重要。 非常重要。 【例5-1】 】
2012-4-18 第五章 热辐射的基本概念及基本定律
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24
第四节
黑体辐射基本定律
一、黑体模型 二、普朗克定律 三、维恩位移定律 四、斯蒂芬—玻尔兹曼定律 斯蒂芬 玻尔兹曼定律 五、波段辐射力
2012-4-18 17
第五章 热辐射的基本概念及基本定律
֠注意： 注意： 1.有些物体对热射线的透过具有选择 1.有些物体对热射线的透过具有选择 性。 例如玻璃,对于波长λ＞4μm的红外线 例如玻璃,对于波长λ 4μm的红外线 是不透明的, 是不透明的,而对于可见光和紫外线则是透 热体。 热体。 2.对热射线而言的黑白概念与日常的 2.对热射线而言的黑白概念与日常的 不同(对热射线而言的黑白概念是对整个热 不同 对热射线而言的黑白概念是对整个热 射线范围而言的， 射线范围而言的，可见光只是其中的一部 分)。 。
热辐射现象基本概念、特点与应用
热辐射现象的基本 概念、特点和应用
热辐射现象的基本概念、特点和应用
（1）热辐射的定义和特点
热辐射在机理上与导热、对流有根本的不同。 导热与对流是由于物质微观粒子的热运量和物体的宏观运动 所造成的能量转移。 热辐射是由于物质的电磁运动所引起的能量的传递。
2 热辐射现象的基本概念、特点和应用
辐射是电磁波传递能量的现象。 电磁辐射的波长范围很广，从长达数百米的无线电波到小于1014米的宇宙射线。 由于热的原因而产生的电磁辐射称为热辐射。
辐射换热：以热辐射的方式进行的热量交换。
5 热辐射现象的基本概念、特点和应用
➢ 只要物体的温度高于0K，物体总是不断地把热能变化辐射 能，向外发出热辐射。 ➢ 同时，物体也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射， 并把吸收的辐射能重新转变成热能。 ➢ 辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。 ➢ 一个物体如果与另一个物体相互能够看得见，那么它们之间 就会发生辐射热交换。 ➢ 热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播。
14 热辐射现象的基本概念、特点和应用
若小孔占内壁面积小于0.6%，当 内壁吸收比为0.6时，小孔的吸收比 可大于0.996。
黑体将所有投射在它上面的一切波 长和所有方向上的辐射能全部吸收， 在所有物体之中，它吸收热辐射的能 力最强。
15 热辐射现象的基本概念、特点和应用
（1）辐射力 ① 总辐射力
热辐射现象的基本概念、特点和应用
（1）热辐射的定义和特点
热辐射在机理上与导热、对流有根本的不同。 导热与对流是由于物质微观粒子的热运量和物体的宏观运动 所造成的能量转移。 热辐射是由于物质的电磁运动所引起的能量的传递。
2 热辐射现象的基本概念、特点和应用
辐射是电磁波传递能量的现象。 电磁辐射的波长范围很广，从长达数百米的无线电波到小于1014米的宇宙射线。 由于热的原因而产生的电磁辐射称为热辐射。
辐射换热：以热辐射的方式进行的热量交换。
5 热辐射现象的基本概念、特点和应用
➢ 只要物体的温度高于0K，物体总是不断地把热能变化辐射 能，向外发出热辐射。 ➢ 同时，物体也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射， 并把吸收的辐射能重新转变成热能。 ➢ 辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。 ➢ 一个物体如果与另一个物体相互能够看得见，那么它们之间 就会发生辐射热交换。 ➢ 热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播。
14 热辐射现象的基本概念、特点和应用
若小孔占内壁面积小于0.6%，当 内壁吸收比为0.6时，小孔的吸收比 可大于0.996。
黑体将所有投射在它上面的一切波 长和所有方向上的辐射能全部吸收， 在所有物体之中，它吸收热辐射的能 力最强。
15 热辐射现象的基本概念、特点和应用
（1）辐射力 ① 总辐射力
热辐射
射力激剧增加。
1
图8-2 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：
0, 1 0, 1
气体对辐射能几乎没有反射能力：
2. 固体表面的两种反射 反射又分镜面反射和漫反射两种
图8-3 镜面反射
图8-4 漫反射
3. 理想物体——透明体、白体和镜体、黑体 不同物体的热辐射差别很大，热辐射的计算很困难。为使问题简 化，定义一些理想物体。 1) 透明体：
E E d
0
（8-5）
3）定向辐射强度
立体角的概念
图8-6 微元立体角与半球空间几何参数的关系
源自文库2 dA rd r sin d r sindd c
（8-6）
（8-7）
dAc d 2 sindd r
d I cos dAd
各种电磁波都以光速在空间传播，这是电磁辐射的共性，热辐射也不 例外。 电磁波的速率、波长和频率存在如下关系：
c f
式中：c — 电磁波的传播速率，在真空中 c 3 10 m / s ，在大气中的传播 速率略低； f — 电磁波的频率，s-1； — 波长，单位为m，常用单位为m（微米），1m = 10-6m。
8.2.2 斯忒藩-玻耳兹曼定律
黑体的辐射力与热力学温度（K）的关系：
第七章 热辐射基本定及物体的辐射特性
2. 电磁波谱
电磁辐射包含了多种形式，如图7-1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0.1~100μm。
电磁波的传播速度：
C = fλ
式中：f — 频率，s-1;
λ— 波长，μm
电
磁
辐
射
波
谱
图7-1
3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透
当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三
图7-6 Planck 定律的图示
图7-6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。λm与T 的关系由Wien位
移定律给出：
mT 2.8976 103 m K
(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：
Eb 0 Eb d 0
e
c2 ( T )
(6) Lambert 定律(黑体辐射的第三个基本定律)
d ( , ) L cos dA d
它说明黑体的定向辐射力随天顶角
呈余弦规律变化，见图7-11，因此，
Lambert定律也称为余弦定律。
图7-10
定向辐射强 度的定义图
沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:
E 2 L cosd L
2
1
0
1 T 4 Eb d
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热辐射的基本概念·黑体、白体、镜体、透明体
凤谷工业炉
吸收率α=1 的物体叫做绝对黑体，简称黑体 ; 反射率ρ=1 的漫反射的物体叫做绝对白体，简称白体；反射率ρ=1 的镜面反射的物体叫做镜体; 透过率τ-1 的物体叫做绝对透明体，简称透明体。这些都是假想的物体。对于红外辐射，绝
大多数固体和液体实际上都是不透明体，但玻璃和石英等对可见光则是透明体。
注意，所谓黑体或白体，是指物体表面能全部吸收或全部反射所投射的辐射能而言，所以黑体并不一定是黑色，白体并不一定是白色。看起来是白色的表面，也可能具有黑体的性质，这是因为 : 大部分热辐射的波长在 0.1~100μ m之间，而可见光辐射能的波长约有 0.38~0.76 μm之间。
这样，如果一个表面除可见光辐射范围外对其余所有的热辐射具有很高的吸收率，则它将几乎吸收全部的投射辐射，而反射的部分只有很小的份额，从这个意
义上说，该表面近似黑体，可是，它所反射的那很小的份额都处在可见光的波长范围内，因而该表面呈现白色。例如，冰雪对人眼来说是白色的，它对可见光
是极好的反射体，但它却能几乎全部吸收红外长波辐射( α=0.96) ，接近于黑体。
对红外辐射的吸收和反射具有重要影响的，不是物体表面的颜色，而是表面的粗糙度。不管什么颜色，平整磨光面的反射率要比粗糙面高很多倍，即其吸收率要比粗糙面小得很多。
气体无反射性，ρ=0；单原子气体，对称性双原子气体等不吸收热辐射线，透过率τ=1，可称为“透明体”，或“透明介质”。空气中有蒸汽、 CO2时，就变成有吸收性的介质。
实际固体的吸收率除了与表面性质有关外，还与投人辐射的波长有关，即物体的 . 单色吸收率αλ、随投射辐射的彼长而变。