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
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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
§8-2 黑体辐射的基本定律
一、黑体与黑体模型
的份额分别称为吸收比、反射比 和透射比 。
G
G
G G
G G
1
3、镜反射和漫反射 视物体表面状况（平整程度）和投入辐射的波
长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。
(a)镜反射
(b)漫反射
漫反射是把来自任意方向、任意波长的投入辐
射以均匀的强度（不是“能量”）反射到半球空间所 有方向上去。注：除了经特殊处理的金属表面，大
黑体是吸收比等于1的理想物体。它具有同温度 下辐射能力最大的性质。
尽管在自然界并不存在黑体，但用人工的方法 可以制造出十分接近于黑体的模型。如：空腔上的 小孔。
空腔内壁的温度应均匀， 小孔的面积占总面积尽 量小。小孔内表面实际 的吸收比对此影响不大。 图中应是漫反射。
黑体辐射的基本规律可以归结为三个定律——普 朗克定律、斯忒藩-玻耳兹曼定律和兰贝特定律。下 面分别介绍。
热辐射是物体由于热的原因所产生的辐射。它 的作用：物体吸收辐射能后将其转变成自身的内能。 波长范围：0.1~100μm
紫 蓝 青绿 黄 橙赤 可见光的波长范围：0.38~0.76μm
二、辐射与导热、对流的区别
1. 传递方式不同 导热和对流需要媒介，辐射换热不需要中间介质。
2. 辐射换热过程存在能量形式的转换
3、定向辐射强度与定向辐射力
定向辐射强度与定向辐射力都是表示辐射在空
间方向上的分布情况。介绍它们之前，先介绍几个
的名词。
(1) 立体角
立体角是指球面上的面 积与球心所对应的空间
角度。立体角的单位叫
球面度，用Sr表示。
A r2
右图中微元面积dA2对球
心所张的微元立体角为：
ddrA22 sindd
d A 2 r d r s id n r 2 s id n d
三、辐射力与辐射强度
1、光谱辐射力 在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有
方向发射的从到+d波长的辐射能称为光谱辐射 力，用符号E表示，单位为W/m3。
2、辐射力 在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有
方向发射的全部波长范围内的辐射能称为辐射力， 用符号E表示，单位为W/m2。
E 0 Ed
热能→电磁能
电磁能→热能
3. 辐射表面具有方向性和选择性
辐射换热属于表面的物理过程，在换热表面的不 同方向强度不一定相同，且与波长分布有关。
三、吸收、反射和透射
1、投射辐射
周围物体在单位时间内投 射到物体单位表面积上的辐射 能。用G表示，单位W/m2 。
2、吸收比、反射比和透射比
被物体吸收、反射和透射的部分所占总投射辐射
部分工程材料均可视为漫射表面。
4、黑体、白体和透明体
吸收比 = 1的物体称为黑体。 反射比 = 1的物体称为白体（或镜体）。 透射比 = 1的物体称之为透明体。
黑体、白体和透明体都是理想物体，自然界中 并不存在，主要用它们作为研究辐射规律的参照物。 特别是黑体的概念，是整个热辐射研究和工程应用 的理论基础。
(1) 温度愈高，同一波 长下的光谱辐射力愈大；
(2) 在一定的温度下，黑体的光谱辐射力随波长连 续变化，并在某一波长下具有最大值； (3) 随着温度的升高，光谱辐射力取得最大值的波 长max愈来愈小，即在坐标中的位置向短波方向 移动。
维恩位移定律 根据黑体辐射曲线得到的规
律(3)，计算得到如下的关系：
(2) 可见辐射面积
n
是指从空间某方向所看到
的表面有效面积。如右图
中的可见辐射面积为：
dAcos
dA
p
可见辐射 面积
(3) 定向辐射强度
是指单位时间内在空间指定方向的单位立体角内
离开表面单位看见辐射面积的全波段辐射能量。
用符号 L( )表示。
L()dA dc (o d )sW/2(sm r)
n
d()
第八章 热辐射基本定律 及物体的辐射特性
本章首先从电磁辐射的观点来认识热辐射的本 质及辐射能传递过程的一些特性，然后着重讨论热 辐射的几个基本定律，最后介绍实际物体的辐射特 性，以便为下一章讨论辐射换热的计算打下基础。
本章的特点是基本概念较多。
§8-1 热辐射的基本概念
一、辐射及热辐射
辐射是物体通过电磁波传递能量的现象。 辐射有很多种形式，它们的区别是导致发射电 磁波的激励方式不同，而外在表现是辐射的波长不 一样，以及吸收该辐射能量后引起的效应不同。
5、光谱辐射（单色辐射） 对于某一特定波长下的辐射称为光谱辐射或单
色辐射。 对光谱辐射相应有光谱吸收比、光谱反射比和
光谱透射比。 1
()() () 1
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。
三、斯忒藩-玻耳兹曼定律
黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩-波 尔兹曼定律：
E b0 E d0 eC C 2/1 T 5 1dT4
Eb T4
Eb
C0
T 4 100
5.67108 W/2(m K4)
C05.67W/2(m K4)
波段范围内辐射力的计算
Eb
2
1
Ebd