传热学-第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性(精)

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传热学8热辐射基本定律

式中：Ac—半球体表面被立体角切割的面积， r—球体的半径。
✓在工业上的一般高温范围内（2000K），λmax在红
外线区段。太阳辐射（5800k）λm则位于可见光区段。
✓实际物体的单色辐射力按波长分布的规律与普朗克
定律不同，但定性上是一致的。
✓如加热金属，500℃以下，金属发出的基本是红外线，没有
可见光，金属呈原色，600℃以上，金属相继呈现暗红、红、
黄，超过1300℃开始发白。
黑体模型
黑体在热辐射分析中的特殊重要性
➢在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大。 ➢在研究了黑体辐射的基础上，我们处理其他物体辐射的思路是：把其他物体辐射与黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的修正系数。
§8-2 黑体辐射的基本定律
1 辐射力及单色辐射力的定义
（1）辐射力E： ➢单位时间内物体的单位表面积向半球空间
例题8-2、8-3 P214
（3）兰贝特定律
➢辐射力（定义）没有指明在半球空间不同方向上的能量分布。 ➢为了说明辐射能量在空间不同方向上的分布规律，引入定向辐射强度的概念 ➢（1）定向辐射强度
➢① 先引入立体角的概念
平面角：θ=s/r [rad]（弧度）式中：弧长s、半径r。立体角：ω=Ac/r2
特例
➢α=1的物体叫做绝对黑体。 ➢ρ=1的物体叫做绝对白体。 ➢τ=1的物体叫做绝对透明体。显然黑体、白体和透明体都是假定的理想物体。
黑体模型
➢黑体的吸收比α=1，意味着黑体能全部吸收各种波长的辐射能。 ➢自然界中并不存在黑体，但可以用人工的方法制造。 ➢在空腔壁（温度均匀）上开一个小孔，由于空腔较大，投射的辐射能经小孔射入孔腔后，经多次反射吸收后才会出去。反射的能量与投入的能量相比很小，小孔面积越小，吸收比就越→1。若小孔面积/孔腔面积小于0.6％，内壁吸收率为0.6时，小孔的吸收比可大于0.996。 ➢就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。

传热学-8 辐射传热

8-3 实际物体和灰体的辐射
三基尔霍夫定律两板相距很近，从一块板发出的辐射
21
E
E Eb
T
Eb Tb
全部落到另一块板上。
Eb
板1为黑体表面：Eb、Tb
板2为无透射的任意表面：ε、α、T
1 Eb
当系统处于热平衡时，有
T Tb
Eb E
E
Eb
平行平板辐射换热
基尔霍夫定律的表达式之一。该式说明，在热力
可见光（λ＝0.38～0.76μm）; 红外线（λ＝0.76～1000μm ; 微波（λ＝1mm～1m ）; 计及太阳辐射（5800K）的热射线: λ＝0.1～100μm 工业领域温度范围（<2000K）的热射线: λ＝0.76～20μm
电磁辐射波谱
8-1 热辐射的基本概念
二吸收比、反射比和透射比投入辐射：单位时间内投射到单位面积物体表面上的全波长范围内的辐射能。G w/m2
光谱辐射力随波长的变化
光谱发射力随波长的变化
8-3 实际物体和灰体的辐射
与黑体类似，灰体也是一种假想的理想物体。对于大部分工程热辐射问题来讲，温度范围300～2000K 之间，光谱能量主要在红外区域，灰体假设带来的误差是可以接受的。即对于大部分红外波段的工程热辐射问题，可以将物体视为灰体。
引入漫射表面（体）的假设可忽略实际物体发射辐射能的空间分布特性，引入灰体的假设可忽略实际物体选择性吸收投入辐射的特性。
8-4 角系数
一角系数
角系数：表面1发射的辐射能落到
表面2上去的百分数，用符号X1,2 表示。
X1,2
表面1对表面2的投入辐射表面1的有效辐射
角系数的应用是有一定限制条件的，即漫射面、等温、物性均匀。

传热学-第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性

定向辐射强度L(, )：定义：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长的能量，参见图8-10。 d( , ) L( , ) dA cos d (6) Lambert 定律(黑体辐射的第三个基本定律)
d( , ) L cos dA d
第八章热辐射基本定律和辐射特性 24
本节中，还有几点需要注意
1. 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； 2. 服从Lambert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Lambert定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律，这有许多原因；
3. 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物体本身有关，而不涉及外
界条件。
第八章热辐射基本定律和辐射特性 25
§8-4
实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系
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情况又是如何呢？本节将对其作出解答。
1

0
( , T1 ) b ( , T2 ) Eb (T2 )d

0
b ( , T2 ) Eb (T2 )d

0
( , T1 ) Eb (T2 )d

0
Eb (T2 )d
T24 f (T1 , T2 , 表面1的性质)
图8-19给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。
第八章热辐射基本定律和辐射特性
21
对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度L，分别引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率( )和定向发射率( )，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: 实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：

热辐射基本定律及物体的辐射特性

第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性 1
§8-1 热辐射的基本概念
1热辐射的本质与特征辐射是电磁波传递能量的现象。（1 ）本质与特征辐射是电磁波传递能量的现象。按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率的电磁波，磁波的不同原因可以得到不同频率的电磁波，例如高频振荡电路产生的无线电波，此外还有可见光、红外线、紫外线、射线、生的无线电波，此外还有可见光、红外线、紫外线、 X 射线、及 γ 射线等各种电磁波。热辐射是由于热的原因而产生的电磁辐射。射线等各种电磁波。热辐射是由于热的原因而产生的电磁辐射。热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。辐射是物体的固有特性，只要物体的温度高于零度（0k）出来的。辐射是物体的固有特性，只要物体的温度高于零度（0k）物体总是不断的把热能转变为辐射能，向外发出热辐射。同时，，物体总是不断的把热能转变为辐射能，向外发出热辐射。同时，物体亦不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，物体亦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。射能重新转变成热能。辐射换热就是物体之间相互辐射和吸收的总效果。当物体与环境处于热平衡时，其辐射换热量为零，效果。当物体与环境处于热平衡时，其辐射换热量为零，但其表面上的热辐射仍在不停的进行。上的热辐射仍在不停的进行。
图7-3 镜反射
第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性
图7-4 漫反射
7
辐射能投射到气体上时，情况与投射到固体或液体上不同。气辐射能投射到气体上时，情况与投射到固体或液体上不同。体对辐射能几乎没有反射能力，ρ=0 体对辐射能几乎没有反射能力，ρ=0 ，从而 α+τ=1 α+τ=1 即吸收性大的气体，其穿透比就差。即吸收性大的气体，其穿透比就差。由上所述，由上所述，对于固体和液体呈现的吸收和反射特性不涉及物体的内因此物体表面状况对辐射特性的影响至关重要。而对于气体，部。因此物体表面状况对辐射特性的影响至关重要。而对于气体，辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状况则无关紧要。辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状况则无关紧要。（2）特殊情况 α=1的物体叫做绝对黑体。 α=1的物体叫做绝对黑体。 ρ=1的物体叫做绝对白体。 ρ=1的物体叫做绝对白体。 τ=1的物体叫做绝对透明体。 τ=1的物体叫做绝对透明体。显然黑体、白体和透明体都是假定的理想物体。显然黑体、白体和透明体都是假定的理想物体。 3黑体模型及黑体在热辐射分析中的特殊性

《传热学》第8章热辐射基本定律和辐射特性

Eb
光辐射能力随着波长的 c15 c 2 / T 增加，先是增加，然后 e 1 又减少
λ— 波长，m ； T — 黑体温度，K ； c1 — 第一辐射常数，3.74.4388×10-2 WK；
8
第8章热辐射基本定律和辐射特性
射能力和吸收能力都是最大的。
6
第8章热辐射基本定律和辐射特性
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

d 45o IdA b cos 2 d 2 7000 W / m 2 sr 2 103 m 2 1 4.00103 sr 1.9810 2 W 2 16

7000 W / m 2 sr 103 m 2 3.46103 sr 2.8010 2 W
光谱辐射力最大处的波长λm亦随温度不同而变化： mT 2.8976103 m K 2.9 103 m 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
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 Q Q Q
4
第8章热辐射基本定律和辐射特性
固体和液体：α+ρ=1

传热学热辐射基本定律和辐射特性课件

工业辐射加热与冷却
工业辐射加热
利用辐射方式将热量传递给物料，实现高效、均匀的加热效果。
工业辐射冷却
利用辐射方式将热量传递给冷却介质，实现高效、快速的冷却效
果。
工业辐射干燥
利用辐射方式将热量传递给物料，实现快速、均匀的干燥效果。
05
热辐射研究展望
新型热辐射材料研究
总结词
随着科技的发展，新型热辐射材料的研究成为传热学领域的重要方向。
详细描述
通过研究热辐射与大气、水体和地表的相互作用，可以深入了解地球系统的能量平衡和蔼候变化机制。同时，这种研究也为可再生能源的利用和环境保护提供了理论支持。
热辐射在新能源领域的应用研究
总结词
热辐射在新能源领域的应用研究具有广阔的前景。
详细描述
利用热辐射进行光热转换，可以实现太阳能的利用和转化。此外，热辐射在高温核聚变、磁流体发电和地热能利用等领域也有着重要的应用价值。通过深入研究热辐射在这些新能源领域的应用，有望为解决能源危机和环境污染问题提供新的解决方案。
意义。
吸取率
总结词
详细描述
吸取率是物体吸取热辐射能量的能力，它决定了物体对热辐射的吸取程度。
吸取率表示物体在特定温度下吸取的热量与入射到物体上的总热量之比。物体的吸取率与其发射率和反射率有关。
总结词
详细描述
吸取率的值介于0和1之间，完全吸取的物体吸取率为1，完全不吸取的物体吸取率为 0。
了解物体的吸取率对于设计热辐射系统、控制热能传递和优化热能利用具有重要意义。
普朗克辐射定律
总结词
普朗克辐射定律描述了黑体光谱辐射的能量散布。
详细描述
普朗克辐射定律指出，黑体的光谱辐射强度与波长、温度有关。在任意波长下，黑体的光谱辐射强度与温度成正比。该定律是量子力学的基础之一，适用于所有温度下的黑体辐射。

第八章-热辐射基本定律和辐射基本特性分解

8-3 灰体和基尔霍夫定律
一、实际物体的辐射特性和发射率
▲光谱辐射力随波长呈现不规则的变化；
实际物体辐射特性：
▲辐射力并不严格地同热力学温度四次方成正比；
▲定向辐射强度在不同方向上有变化谱发射率( )
—修正光谱辐射力Eb
定向发射率( )
—修正定向辐射强度I
★发射率（黑度）ε—— 实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力的比值。
固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上属于表面效应：金属的表面层厚度小于1m；绝大多数非金属的表面层厚度小于1mm。
二、黑体模型
能吸收投入到其表面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实中并不存在。
黑体：白体或镜体：
1
1
透明体：
1
煤烟、炭黑、粗糙的钢板 0.9以上
黑体吸收和发射辐射能的能力最强
热辐射是热量传递的基本方式之一，以热辐射方式进行的热量交换称为辐射换热。
传热学
第八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
1. 热辐射特点
(1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；
(2) 特点：a 任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周
围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形
可见光波段的辐射能量比例为 0.545 8－0.099 32 = 0.446 5
0.76 m ~ 40 m红外波段的辐射能量比例
1.0－0.545 8 = 0.454 2
计算表明： (1) 大气层外太阳辐射中可见光的能量比例接近45％，而
40 m以内的红外辐射也占大约45％。 (2) 太阳辐射温度下，40m以上的红外辐射能量几乎为零。

第八章热辐射的基本定律_传热学

发射的一切波长的能量
d () I () dA cos d
单位：W/m2· sr
2) Lambert定律：
黑体表面具有漫辐射性质，在半球空间各个方向辐射强度相等
I 1 I 2 ...... I n
E I cos I n cos En cos
如果已知黑体温度，则可以求得最大单色辐射力 Eb， max 所对应的波长 max
25
讨论：黑体温度在3800K以下时，其峰值波长处在红外线区域。因此，在一般工程中所遇到的辐射换热，基本上属于红外辐射。
思考：金属在加热过程中，随着温度的升高，金属颜色呈暗红、红、黄、白，请解释这一现象。
Fb 0－T
T E c1 b d T d T f T 5 0 T C2 5 b b T exp 1 T
30
根据黑体辐射函数，可以计算出给定温度下λ1－λ2波段内的黑体辐射力为：
Eb 1－ 2 Eb Fb 0－ 2T Fb 0－1T
f (T )
23
三、维恩位移定律
黑体的峰值波长 max 与热力学温度T之间的函数关系
Eb
c15 ec
2
( T )
1
根据普朗克定律，将Eb 对波长求极值，可得： maxT 2897.6m.K
随着温度T的升高，最大单色辐射力 Eb，所对应的峰值波长 max max 逐渐向短波方向移动
• 实际物体的辐射力并不严格遵从四次方定律,怎么办？认为E∝T4 由此引起的误差修正归入用实验方法确定的中因此除了与物性有关，还与物体本身的温度有关
39
2 实际物体的光谱辐射力E
E Eb

《传热学》第8章-热辐射基本定律及物体的辐射特性

2. 斯忒藩—玻耳兹曼定律
v 斯忒藩（J. Stefan）—玻耳兹曼（D. Boltzmann）定律确定了黑体的辐射力Eb与热力学温度T之间的关系
v 斯忒藩在1879年从实验中得出，后来玻耳兹曼于1884年运
用热力学理论进行了证明。
斯忒藩—玻耳兹曼常数，又称为黑体
辐射常数
Eb = σT 4
σ= 5.67×10-8
光谱辐射力: 只对某一波长辐射能的辐射力, Eλ ,单位为W/m3。
∞
∫ E =
E
0
λ
dλ
定向辐射力: 单位时间内，单位面积物体表面向某个方向发射的单位立体角内的辐射能 , Eθ,单位是W/(m2⋅Sr)。
∫ E = Ω=2π Eθ dΩ
∫ E = L(θ) cosθdΩ Ω =2π
2
8-2 黑体辐射的基本定律
∫ ∫ Fb(λ1−λ2 ) =
Eb(λ1 −λ2 ) Eb
=
λ2 0
Ebλ dλ
−
Eb
λ1 0
Ebλ dλ
Eb
=
Fb (0−λ2 ) −
Fb (0−λ1 )
[ ] E = b(λ1 −λ2 ) Fb(0−λ2T ) − Fb (0−λ1T ) Eb
例题
v 试计算太阳辐射中可见光所占的比例。
解：太阳可认为是表面温度为T = 5762 K的黑体，可见光的波长范围是0.38～0.76µm ，即λ1 = 0.38 µm , λ2 = 0.76 µm , 于是
∞
2 Ebλ dλ Eb
Fb(0−2) =0.02 .6341
= 0.45Fb(0−2) + 0.1(1− Fb(0−2) )
0.1

第8章热辐射的基本定律PPT课件

47
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End 演讲人：XXXXXX 时间：XX年XX月XX日
25
2－2 斯蒂芬－玻尔兹曼定律
传热学
斯蒂芬－玻尔兹曼定律表达式：
Eb Ebd
C1 5 C2
d
bT4
0
0eT1
W2 /m
Eb Cb(1T00)4 W/2m 黑体辐射常数
黑体辐射系数
26
传热学
工程上常计算某一波段范围内黑体的辐射能及其在辐射力中所占的百分数。
2
E b(12) Ebd E E b(02) b(01) 1
辐射力与定向辐射力的关系
E Ed 2
辐射力与定向辐射强度的关系辐射力与单色辐射强度的关系
E I cosd 2
E Icosdd 2 0
15
传热学
光谱辐射力（单色辐射力）：单位时间内，物体的每单位面积，在波长λ附近的单位波长间隔内，向半球空间所发射全波长的能量。
E
单位：W/(m2.μm)
Fb(0T)
Eb(0) Eb
0EbbTd40Tb(T)c51(ecT2
d(T)f(T)
1)
黑体辐射函数 f (T) 见表8-1
27
传热学
表8-1 ，黑体辐射函数表
F
b(0T ) 表示波长从0~ 的辐射能
占到了百分之多少！
28
传热学
例题8-3
已知某太阳能集热器的透光玻璃在波长 1
=0.35微米到 2 =2.7微米范围内的穿透比为

《传热学》教学课件—第8章热辐射的基本概念

0
x5
c1 / b
exp 2 x
dx 1
f
T
即 Fb0~T f T
13
[辐射函数的应用举例]：某太阳能集热器透光玻璃 λ<0.35μm或λ>2.7μm， =0；1 0.35μm<λ<2.7μm， =02.85
计算总透射率，设太阳为黑体，T=5762K [解]
1T 0.3557622017mK ，查辐射函数表8-1得 Fb01T 6.96% 2T 2.7576215557mK ，查表得 Fb02T 97.17% 1 2 波长范围内的太阳辐射能占总太阳辐射能的百分比为 97.17%-6.96%=90.21% 总透射率τ=90.21%×0.85=76.68%
第八章热辐射的基本概念
热辐射的基本概念与基本定律
1
第一节基本概念
1. 热辐射的本质和特点本质：电磁波，由物质微观粒子的热运动激发出来的电磁波，
投射到物体表面可以产生热效应；
电磁波谱图
热射线
射线、伦琴射线、紫外线
太阳辐射
可见光
红外线
无线电波
103
102
101
1
0.38 0.76
10
5
3. 辐射强度和辐射力 1). 辐射强度
a). 立体角定义：锥形区域所张开的空间角度。量度：以立体角的角端为中心作一半径为 r的球面，球面上被立体角所切割的面积除以半径r的平方即得立体角的量度。即
rsin d
dA1
d
dA2 r
d
d
dA2 r2
r
sind
r2
rd
sindd
sr
6
b). 可见发射面积：发射面在垂直于发射方向的平面上的投影面积

传热学-第八章热辐射特性

§ 8-3 固体和液体的辐射特性
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；
因此，定义了发射率 (也称为黑度) ：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:
E E 4 Eb T
c2 T
5
0
1
d T
0
内所发射的辐射力：
Eb 1 2 Fb 0 2 Fb 0 1 Eb
图8-7 特定波长区段内的黑体辐射力
11

立体角
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 r sin d d 2 sin d d 2 r r
0.76 0.38
Eb dλ=0.45Fb0.380.76 Eb

E 0.380.76 E
§8-4
实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系
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情况又是如何呢？
Semi-transparent medium
吸收比为
吸收的总能量 1 投入的总能量

0
( , T1 ) ( , T2 ) Eb (T2 )d

0
( , T2 ) Eb (T2 )d
f (T1 , T2 , 表面1的性质，表面2的性质)
32
如果投入辐射来自黑体，由于 b ( , T2 ) 1 ，则上式可为
第八章热辐射基本定律和辐射特性
1
§8-1 热辐射的基本概念

热辐射基本定律和辐射特性课件

8.2
8.2.1 关于热辐射：
黑体热辐射的基本定律
斯忒藩-玻耳兹曼定律
① 物体表面向空间发射、吸收辐射能——半球空间；
② 物体热辐射各种波长的辐射能，但强度不同。
辐射力
E
：
W m
2
单位时间、单位面积上辐射的总能量。注意：包括全部波长、半球空间所有方向。黑体辐射力：
T E b T C 0 100
（ 0.38 0.76μm）
（ 0.76 1000μm）
P364例题8-4 如图所示，有一个微元黑体面积dAb=10-3m2，与该黑体表面相距 0.5m 处另有三个微元面积dA1、dA2、dA3，面积均为 10-3m2，该三个微元面积的空间方位如图中所示。试计算从dAb发出分别落在dA1、dA2与dA3对dAb所张的立体角中的辐射能量。解：① 立体角：

：物体对投入辐射所吸收的百分比。

取决于两因素：
① 吸收物体的特性：种类、表面温度、表面状况；
② 投入辐射的特性：波长范围、能量分布。
1. 光谱吸收比
实验表面：实际物体对不同波长的辐射能，其吸收不同。

光谱吸收比
指对所有波长的辐射能吸收的平均值。

：物体吸收某一特定波长辐射能的百分比。

0
Eb d σT
4
f T
0
内的辐射能所占的百分比。
1 2 波长范围内辐射能：
Eb 1 ~ 2 Fb 1 2 Eb Fb 0 2 Fb 0 1 Eb

8.2.3
兰贝特定律
1. 立体角：电磁波沿直线传播，在同一锥体内，不同面积上的辐射能相同。

传热学第八章热辐射基本定律和辐射特性资料

（服从兰贝特定律的辐射，E 与 I 存在倍数关系）
河海大学常州校区热能与动力工程系—传热学
2020年9月14日9时1分杨祥花
注意：
• 黑体表面为漫辐射表面 • 漫辐射表面：辐射强度在空间各个方向上都相等
• 只有漫辐射表面：Ι是常数
河海大学常州校区热能与动力工程系—传热学
2020年9月14日9时1分杨祥花
2020年9月14日9时1分杨祥花
• 关于物体的颜色
我们所看到的物体颜色是由于从该表面发出的单色光线（辐射）投入到了我们的眼睛。
•
而从表面发出的辐射可能是自身发射的，也可能是反射投入
其表面上的可见光。
• 如果物体全部吸收各种可见光，它就呈黑色；
• 如果物体全部反射各种可见光，它就呈白色；
• 如果物体只反射了一种波长的可见光，则它就呈现该反射的辐射线的颜色。
在可见光部分呈白色）不一定是白体；黑颜色物体不一定是黑体
• 例如：雪对可见光是良好的反射体，所以肉眼看到是白色的，但对红外线几乎能全部吸收α= 0.985 ， ε= 0.8
• 白布和黑布对可见光吸收率不同，但对红外线的吸收率基本相同
• 玻璃只透过可见光，对λ> 3 µ m的红外线不透明
河海大学常州校区热能与动力工程系—传热学
（8-19）
则
E 1 Eb T 4
0
E d
1
T
4
0 Eb d
E
Eb
T
4
C0
(T 100
)4
W
m2
（8-18）
河海大学常州校区热能与动力工程系—传热学
2020年9月14日9时1分杨祥花
2、定义定向发射率（定向黑度）

传热学(第二版)-热辐射的基本定律及辐射换热

4
式中， b—黑体辐射常数， b=5.6710-8 W/(m2· K4)； cb—黑体辐射系数， cb=5.67 W/(m2· K4)；
黑体波段辐射力：黑体在某一特定波长范围内的辐射能。
Eb ( 1 2 ) Eb ( 02 ) Eb ( 01 )
黑体辐射函数：在 0- 波长范围内黑体发出的辐射能在其辐射力中所占的份额。
If the medium is opaque, there is no transmission, then
τ＝0，α+ρ＝1 For gases, there is no reflection, then ρ＝0，α+τ＝1 黑体(Black-body)： α＝1 白体(White-body) ： ρ＝1；透明体(Transparent-body) ： τ＝1
紫外线(Ultraviolet)：<0.38m
可见光(Visible)：=0.38-0.76m 红外线(Infrared)：=0.76-1.4m(近红外线) =1.4-3.0m(中红外线) =3.0-1000m(远红外线) 工程实际中遇到的大部分物体 T<2000K，热辐射大部分能量的波长位于 =0.76-20m 。所以除特殊说明外，以后论及的热射线都是红外线。太阳辐射： =0.1-20m
I e,
d e I d dA1 cos
定向辐射力E (Directional emissive power) ：单位时间内，物体的每单位面积在某一方向 p 的单位立体角内所发出全波长的辐射能量，称为该方向的定向辐射力。
d e E E I cos d dA1
由于表面辐射能包含发射辐射和反射辐射，所以定向辐射(强)度又可以写成。

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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。 λ m与T 的关系由Wien位移定律给出，
mT 2.8976 103 m K
图8-6 Planck 定律的图示
8
(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：
Eb 0 Eb d 0

c15 ec
E

0
E d
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
c15 ec
2
( 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，1.4388×10-2 WK；
它说明黑体的定向辐射力随天顶角
d ( , ) L cos dA d
呈余弦规律变化，见图7-11，因
此， Lambert定律也称为余弦定律。
图8-10
定向辐射强度的定义图
13
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
图8-11
Lambert定律图示
第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性
1
§8-1 热辐射的基本概念
1. 热辐射特点
(1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；
(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；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。 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0.1~100μ m。电磁波的传播速度： c = fλ 式中：f — 频率，s-1; λ— 波长，μm
(4)立体角定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：
sr(球面度)，如图8-8和8-9所示：
dAc d 2 sin d d r
10
图8-8
立体角定义图
11
图8-9
计算微元立体角的几何关系
12
(5) 定向辐射强度L(, )：定义：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长的能量，参见图8-10。 d( , ) L( , ) dA cos d (6) Lambert 定律(黑体辐射的第三个基本定律)
2
3
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，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图7-2所示。
Q Q Q Q
Q Q Q 1 Q Q Q 1
图8.2物体对热辐射的吸收反射和穿透
15
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。
Direction (angle from the surface normal)
Wavelength
16
因此，我们需要定义方向光谱发射率，对于某一指定的方向 (, ) 和波长
ε ,θ , θ, , T
上的所有热辐射能的物体，是
一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。
图8-5
黑体模型
6
2.热辐射能量的表示方法辐射力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)；光谱辐射力Eλ ：单位时间内，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。 (W/m3)；显然， E和Eλ之间具有如下关系： E、Eλ关系:
Fb (1 2 ) E d 1 1 E d E d E d T T E d
b
1 2 2 1
2

4
b
0
b
1
4
0
b
0
b
Fb (02 ) Fb ( 01 ) f (2T ) f (1T )
2
( T )
1
d T 4
式中，σ= 5.67×10-8 w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。
(3)黑体辐射函数黑体在波长λ 1和λ 2区段
内所发射的辐射力，如图 8-7所示：
Eb

2
1
Eb d
图8-7 特定波长区段内的黑体辐射力
9
黑体辐射函数:
L ,actualemitted , θ, , T L ,blackbody , T
对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率，即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：
εθ
θ, , T

0
L ,actualemitted , θ, , T dλ
4
对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：
0, 1 0, 1
对于黑体：
镜体或白体：
1
1
透明体：反射又分镜反射和漫反射两种
1
图8-3 镜反射
图8-4 漫反射
5
§8-2 黑体辐射的基本定律
1.黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面
14
§ 8-3 实际固体和液体的辐射特性
1 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；因此，定义了发射率 (也称为黑度) ：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:

E E Eb T 4

0
L ,blackbody , T dλ
L(θ, T) Lb (T )
17
对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了半球光谱发射率，即实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比
Eλ
E , T ε , T E ,blackbody , T Eb , T