第三章 热辐射的基本规律
传热学 第三章 辐射换热
q = E − AEb
A
(1-A)Eb
w/m2
当温度相等时， 当温度相等时，两表面处于 热平衡状态， 热平衡状态，q=0，于是得到 ， E=AEb
第三章 辐射换热 热辐射的基本概念
五、基尔霍夫定律
上式可以写成： 上式可以写成：
E = Eb A
推广到任何物体得到： E1 = E2 = E3 L = E = E 推广到任何物体得到： b A1 A2 A3 A 上式就是基尔霍夫定律的数学表达式。 上式就是基尔霍夫定律的数学表达式。它可以表述 在热平衡条件下， 为：在热平衡条件下，任何物体的辐射力与吸收率的 比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。 比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。
第三章 辐射换热
热辐射是热传递的三种基本方式之一， 热辐射是热传递的三种基本方式之一，它是 由电磁波来传递能量的现象， 由电磁波来传递能量的现象，与导热和对流有着 本质的区别。辐射换热是互不接触的物体之间通 本质的区别。 过相互辐射进行热交换的过程。 过相互辐射进行热交换的过程。
第三章 辐射换热
第三章 辐射换热 热辐射的基本概念
四、黑度
物体的黑度表示该物体辐射力接近绝对黑体辐射力 的程度。 的程度。
E ε= Eb
第三章 辐射换热 热辐射的基本概念
五、基尔霍夫定律
如图设有两个表面，一个是黑体，一个是灰体。 如图设有两个表面，一个是黑体，一个是灰体。 两个表面互相平行，距离很近， 两个表面互相平行，距离很近，于是从一块板上发射 的辐射能全部落到另一块板上。若板1为黑体表面 为黑体表面， 的辐射能全部落到另一块板上。若板 为黑体表面， 其辐射力、吸收率、和表面温度分别为E 其辐射力、吸收率、和表面温度分别为 b,Ab和 T1， 为灰体表面， 板2为灰体表面，其辐射力、吸收率、和表面温度分 为灰体表面 其辐射力、吸收率、 别为E,A和 T2。 别为 和 。
热辐射基本定律
热辐射的基本定律••smyt_1983•2位粉丝•1楼在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。
太阳对大地的照射是最常见的辐射现象。
高炉中灼热的火焰会烘烤得人们难以忍受‘太阳对人造卫星的辐射，会使卫星的朝阳面的温度明显地高于卫星背阳面的温度；高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构与强度设计，等等。
特别是近年来，人类对太阳能的利用，都大大地促进了人们对辐射换热的研究。
本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律；然后重点讨论物体之间的辐射换热规律；最后对气体辐射换热的特点作扼要的介绍。
第一节基本概念1－1 热辐射的本质和特征由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。
比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。
人们根据电磁波不同效应把电磁波分成若干波段。
波长λ＝0.38一0.76μm的电磁波段称为可见光波段λ＝0.76—1000 μm的电磁波段称为红外波段(一般将红外波段范围又分为近红外波段和远红外波段，近红外波段为λ＝0.7—25μm，远红外波段为λ＝2 5—1000μm)；波长大于1000μm的电磁波段称为无线电波段(根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段)；波长小于0.4μm的电磁波依次分为紫外线、x射线和Y射线等。
可见光和红外线以及紫外线的一部分被物体吸收后产生热效应，即波长λ＝0.1—1000 μm范围内的电磁技能被物体吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热射线。
因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范围，所以本课程所感兴趣的将是热射线，下面将专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。
一、热辐射的本质和特点1、发射辐射能是各类物质的固有特性。
当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。
第三章 传热学3-辐射换热
E E Eb T4
18
3.1 辐射率
上面公式只是针对方向和光谱波长平均的情况，但实际上，真实表面的 辐射能力是随方向和波长变化的。
方向
波长
19
因此，我们需要定义单色定向辐射率，对于某一指定的方向和波
长
ε,θ
,θ ,TE ,actu alem itted E ,b lack b o d y
26
角系数的定义、性质及计算
1. 角系数的定义
在介绍角系数概念前，要先温习两个概念 (1)投入辐射：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为G。
(2)有效辐射：单位时间内离开单位面积的总辐射能为该表面的 有效辐射。包括了自身的发射辐射E和反射辐射G。G为投射 辐射。
有效辐射示意图
27
4 角系数
对于平面和凸面： Fii 0
对于凹面：
Fii 0
31
(3) 完整性
对于有n个表面组成的封闭系统，据能量守恒可得:
Q i Q i1 Q i2 Q i i Q i N
Qi1Qi2 Qii QiN1
Qi Qi
Qi
Qi
N
F ijF i1F i2 F ii F iN1
反射又分镜反射和漫反射两种镜反射漫反射立体角定义图14微元立体角可见辐射面积15辐射强度在单位时间内在某给定辐射方向上在与物体的发射方向垂直方向上的每单位投影面积在单位立体角内所发射的全波长的能量称为该方向上的辐射强度又称定向辐射强度用isrcosdqcosda方向的可见辐射面积10单位时间内辐射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
方向的立体角
dAcos 方向的可见辐射面积 9
第三章-热辐射的基本定律
(,)
n
的主瓣
F n( , )d
M
主瓣
F
n( , )d
4
（3.16）
类似的，式（3.14）中的第二项等于乘积 mT ML ，其中 m 是天线
杂散因子
Fn(,)d
m
4主瓣
Fn(,)d
1M
（3.17）
4Tຫໍສະໝຸດ 定义为旁瓣贡献的有效视在温度，其表示式为：
SL
TAP(,)Fn(,)d
TSL 4主瓣
c df
f
3 kTdf
3.3.1瑞利-金斯公式
公式中，k 2 。在经典统计理论推导中应
用了能量均分定理,即能量E中每个平方项的平均值
等于（1/2）kT，谐振子的平均能量为 析瑞利-金斯公式可得到三点结论：
f
kT
。分
（i）瑞利-金斯公式虽然具有维恩位移律的形
式，但却不存在真正的维恩位移。瑞利-金斯公式给
3.3热辐射的经典统计理论
在建立热辐射统计理论之前，先给予一个
定理：从动力学观点来看，一个连续振动的体系
相当于一组谐振子，从连续振动体系发出的波等
价于一组谐振子作简谐振动发出的简谐波的叠加。
经典统计理论就是建立在这一定理上经过一系列
推导，应用波尔兹曼统计和能量均分定理推导出
了瑞利-金斯公式
8 f 2
Bolt常 zm数 K a1n.： 3 n1 8-2 0 0 J3K 6 1
3.2功率-温度对应关系
考虑一种情况：一个无损微波天线置于 保持在恒定温度T的黑体闭室内的情况。 如图所示：
图1 （a）图中放在温度为T的黑体外壳内的天线给出的功率等于（b）图中装在同样温 度的黑体外壳中的电阻给出的功率（假设每个都与带宽为的匹配接收机相连）
热辐射基本定律
在法线方向θ=0°
En In
热辐射基本定律
二、普朗克定律
黑体单色发射力Eb与波长λ和温度T的函数关系
Eb
c1
5
exp
c2
T
1
式中：C1 3.743108W m / m2 C2 1.439104 m K
热辐射基本定律
普朗克定律揭示图
➢ Eb 随 波 长 连 续 变 化 ； 0或时Eb0；
热辐射基本定律
例题讲解
3. 为提高太阳灶的效率，在吸收能的表面上涂一层涂料，
四种涂料的单色吸收特性如下图，选择（）好
A、
B、
C、
D、
热辐射基本定律
例题讲解
5. 有一台放置室外的冷库，从减小冷库冷冷损失的角度， 冷损失最小的冷库颜色（）
A、绿色 B、 蓝色 C、 灰色 D、白色
热辐射基本定律
E IcosdI 热2辐射基本定律
五、基尔霍夫定律
1、实际物体
➢实际物体的辐射发射率 ：实际物体的辐射力与同 温度下的黑体辐射力之比，也称黑度。
E Eb
➢单色发射率（单色黑度）：实际物体的单色辐射 力与同温度下黑体的单色辐射力之比
E E b
热辐射基本定律
发射率与吸收率的比较
➢ 实际物体表面的发射率取决于物体的种类、表面 温度和表面状况。即物体表面的发射率仅与物体 本身性质有关，而与外界环境无关。物体发射率 是一个物性参数。
热辐射基本定律
➢ 实际物体的吸收率既取决于自身的表面性质和温 度，又取决于投射辐射物体的表面性质和温度。 因此，实际物体的吸收率不是一个物性参数。
热辐射基本定律
发射率与吸收率的比较
对同种材料而言，一般有 粗糙面> 磨光面 氧化表面>非氧化表面
第三章 热辐射的基本定律
令 x = c2/λT 则 λ= c2/xT dλ=-(c2/x2T)dx (积分限λ:0～∞,则x:∞～0)
c1 Mb (e 5 (c 2 / xT )
0
0
c2 ( c2 / xT )T
c2 1) ( 2 )dx x T
1
c1 c2
4 4
x 3T 4 (e x 1) 1 dx
知道一个λT值，就对应一个f(λT)值，即知道一个 温度T，就得到某波长处的辐射出射度Mλ。 这样即可查表得到Mλ，而不用普朗克公式计算了。
知道一个λT值，就对应一个f(λT)值，即知道 一个温度T，则在某波长处的辐射出射度Mλ 为 M f (T )M f (T ) BT 5
m
这样即可查表得到Mλ，而不用普朗克公式 计算了。
例3 如太阳的温度T=6000K并认为是黑体， 求其辐射特性 1.其峰值波长为 2898 m 0.48m 6000 2、全辐射出射度为
M T 5.67 10 6000 7.3 10 W / m
4 8 4 7 2
3、紫外区的辐射出射度为
M 0~0.4 0.14M
M m
根据普朗克公式
M b
c1
1
2
5 e c
/ T
1
根据维恩最大发射本领定律
M bm
c1
1 ec2 / mT 1
m
5
BT 5
所以
c1 1 M 5 e c2 / T 1 c1 1 f (T ) 5 5 c 2 / T 5 M m BT B T e 1
1
f ( .T )
令x = c2/λT
M ( x)
第三章 热辐射的基本规律
8hv 1 w d h K BT dv 3 c e 1
3
8hv 1 w h K BT 3 c e 1
3
以频率为变量 的普朗克公式
w ：单位体积、单位频率间隔内的辐射能，也就是
辐射场的光谱能量密度。 c c d 2 d
w
8hc
5
E
E
C1
5
e
C2 T
V E 2 3 3e c
维恩公式 实验曲线
维恩的公式只在高频（短波长）端和实验结果相符。
三，瑞利－金斯的黑体辐射公式
根据经典理论的能量均分定理，一个谐振子的能量
1 包含两个平方项，每个平方项的平均能量为: K BT 2 在 d 的频率范围内，可能的驻波模式数：
第三章 热辐射的基本规律
§3.1 发光的种类
1，化学发光 直接发光
简接发光
2，气体放电（电致气体放电发光） 辉光放电 低（气）压放电
弧光（电弧）放电 火花放电
常（气）压放电
3，场致发光（电致发光）：载流子复合发光 发光二极管（LED）
电致发光显示屏
4，电（子）激发发光 如：电子显象管 5，光致发光 6，热辐射 物体基于自身温度而向外发射的电磁辐射。 （温度辐射） 荧光
dP LdA cosd
dt时间内通过dA的能量为：
d dA cdt
dQ LdA cosddt
这些能量原来处在截 面积为dA，高为 cdtcosθ 的柱体内，所以 θ 方向的 辐射能量密度为：
dQ LdA cos ddt Ld dw dV dAcdt cos c
两种近似式在不同λT值的计算误差
第三章 热量传递的基本原理
2
d T 1 dT + = 0 2 dr r dr
• 导热问题的完整数学描述 无内热源、常物性、稳态一维问题的导热 微分方程 2
由
d t =0 2 dx
得
dt = c1 dx
得
t = c1 x + c2
问题不能确定，需有定解条件： 〈1〉 初始条件：τ = 0 时的温度分布 t τ = 0 =f (x,y,z) 〈2〉 边界条件：边界上的温度分布或换热条 件。
即 边界条件：
x
d 2t =0 2 dx
x = 0 t = t1 ; x = δ t = t 2
数学描述
d 2t =0 2 dx x = 0 , t = t1 x = δ , t =t 2
t = c1 x + c2
c2 = t1
温度分布
c1 =
t 2 − t1
δ
t=
dt dx
t 2 − t1
δ
x + t1
μ↑
Re ↓
h↓
4、换热表面的形状、大小、位置 壁面形状、位置形状(平板,圆管)、位置(横 放、竖放、管内、管外)
5、流体有无相变 有相变（沸腾或凝结），流体温度基本保持不 变，流体与壁面的换热量等于吸收或放出的汽化潜 热。有相变比无相变时换热系数大很多。 珠状凝结比膜状凝结换热系数大得多。
综上所述
动力消耗大
δ ↓ h↑
3、流体的物理性质
流速：V↑ h↑ V=0 无对流 物性－表征物质物理特性的物理量 密度，粘性，热导率，比热等 其他条件相同时，不同的流体换热量不 同，就是因为物性不同
λ的影响：
热辐射基本定律部分
热辐射基本定律部分一、基本概念主要包括热辐射基本概念及名词解释、黑体辐射基本定律、实际物体辐射特性及其应用。
1、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。
试问树叶上、下去面的哪一面结箱?为什么?答：霜会结在树叶的上表面。
因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。
而太空表回的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。
由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。
2、如图所示的真空辐射炉，球心处有一黑体加热元件，试指出①，②，③3处中何处定向辐射强度最大?何处辐射热流最大?假设①，②，②处对球心所张立体角相同。
答：由黑体辐射的兰贝特定律知，定向辐射强度与方向无关。
故I l＝I2=I3。
而三处对球心立体角相当，但与法线方向夹角不同，θ1＞θ2＞θ3。
所以①处辐射热流最大，③处最小。
3、有—台放置于室外的冷库，从减小冷库冷量损失的角度出发，冷库外壳颜色应涂成深色还是浅色?答：要减少冷库冷损，须尽可能少地吸收外界热量，而尽可能多地向外释放热量。
因此冷库败取较浅的颜色，从而使吸收的可见光能量较少，而向外发射的红外线较多。
4、何谓“漫─灰表面”?有何实际意义?答：“漫─灰表面”是研究实际物体表面时建立的理想体模型.漫辐射、漫反射指物体表面在辐射、反射时各方向相同. 灰表面是指在同一温度下表面的辐射光谱与黑体辐射光谱相似,吸收率也取定值.“漫─灰表面”的实际意义在于将物体的辐射、反射、吸收等性质理想化,可应用热辐射的基本定律了。
大部分工程材料可作为漫辐射表面,并在红外线波长范围内近似看作灰体.从而可将基尔霍夫定律应用于辐射换热计算中。
5、你以为下述说法：“常温下呈红色的物体表示此物体在常温下红色光的单色发射率较其它色光(黄、绿、兰)的单色发射率为高。
”对吗?为什么?(注：指无加热源条件下)答：这一说法不对。
因为常温下我们所见到的物体的颜色，是由于物体对可见光的反射造成的.红色物体正是由于它对可见光中的黄、绿、蓝等色光的吸收率较大,对红光的吸收率较小,反射率较大形成的. 根据基而霍夫定律ελ=αλ，故常温下呈红色的物体,其常温下的红色光单色发射率较其他色光的单色光发射率要小。
热辐射基本定律
热辐射基本定律
热辐射基本定律有：
1.基尔霍夫辐射定律：物体吸收和发射的辐射能与自身辐射本领有
关，同时吸收本领与发射本领成正比。
2.普朗克辐射分布定律：物体在一定温度下发射的辐射能按波长的
分布情况，在一定温度下，黑体单位面积上单位时间所辐射的能量，也称黑体辐射定律。
3.斯蒂藩-玻耳兹曼定律：单位面积的物体向整个空间以同一温度发
射热辐射时其总辐射能量等于发射功率与表面积之比。
4.维恩位移定律：黑体光谱谱线中的最大波长与最小波长的比值随
温度升高而增大。
优选热辐射的基本定律
s in d
r2
sindd
图8-3a dA1上某点对dA2所张的立体角 图8-3b 定向辐射强度
定向辐射强度(简称辐射强度）：在某给定辐射 方向上，单位时间、单位可见辐射面积、在单位 立体角内所发射全部波长的能量。所谓可见辐射 面积，是指站在给定辐射方向上所看到的（？） 发射辐射能物体的表面积。
辐射能的分布 按空间方向分布 按波长分布
一、定向辐射强度
立体角：空间角度。单位为sr（球面度）。 以立体角的角端为中心，作半径为r的半球，将半 球表面上被立体角所切割的面积A除以半径的平方 r2，即得到立体角的量度：
半球的立体角ω＝2π
A2
r2
面积 dA=长x
宽
微元立体角
d
dA2 r2
rdr
光谱定向辐射力（单色定向辐射力）：单位时间 内，物体的每单位面积、向半球空间的某给定辐 射方向上，在单位立体角内所发射在波长λ附近 的单位波长间隔内的能量。
E , 单位：W/(m2.sr.μm)
E ,
dE
dd
E E, dd 2 0
E, I, cos
第二节 热辐射的基本定律
图8-4 人工黑体模型
Fb(0T )
Eb ( 0 ) Eb
Eb d
0
bT 4
（2）热辐射不依靠中间介质，可以在真空中传 播。
（3）物体间以热辐射方式进行的热量传递是双 向的，并且伴随着能量形式的转换 。
1-2吸收、反射和透 射
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，如图所 示。
图8-2 热射线的吸收、反射和透射
Q Q Q Q
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
热辐射的规律
热辐射的规律
热辐射是物体表面发射热量的过程，即物体表面受到的热量由温度高的表面向温度低的表面辐射传播的过程。
其中，物体表面受到的热量大小取决于物体表面的温度，高温表面发射的热量较多。
二、热辐射的规律
1、表面温度越高，热辐射量越大：
表面温度高的物体，其表面发射的热量量也大。
即表面温度越高，发射的热量也越大。
2、表面温度越低，热辐射量越小：
表面温度低的物体，其表面发射的热量量也小。
即表面温度越低，发射的热量也越小。
3、表面辐射速率与波长成反比：
辐射量与其发射波长成反比，即越长的波长发射的热量越多。
波长越短的物体辐射量越小。
4、表面辐射速率与常数K的比值成正比：
表面温度与发射热量的比值斜率成正比，即温度越高，发射的热量越多。
5、热辐射不受物体的影响：
物体的形状，颜色等不会影响其发射的热量量，只有物体表面温度才会影响其发射的热量量。
三、热辐射的实际应用
热辐射的实际应用较为广泛，包括热量的控制、保温隔热、暖气
设备的控制等等。
在工业中，也可利用热辐射原理设计热加工设备。
此外，热辐射还可以在家庭中应用，它可以有效地控制室内温度，增加室内的舒适度，为居住者带来更舒适的居住空间。
第3章 热传递的基本原理
第三章 热传递的基本原理
3-1 导热
一、导热的基本概念 当物体内部或相互接触的物体间存在温 度差时，热量从高温处传到低温处的过程称 为导热或热传导。
①定义：在没有质点相对位移的情况下，当物体内部 具有不同温度，或不同温度的物体直接接触时，所发 生的热能传递现象。
这种固体壁面同时存在对流和辐射换 热的过程称为复合换热。
3-4 传热过程与换热器
二、换热器 1．换热器的类型 换热器是实现冷热流体热量交换的设备。 按其工作原理，火电厂中的换热器一般可 分为混合式、表面式和再生式三类。
3-4 传热过程与换热器
二、换热器
2．换热器内冷热流体的相对流向
3-4 传热过程与换热器
2．削弱传热
削弱传热一般用于减少热力设备及热 力管道对环境的散热，且通过敷设隔热层的 办法来实现。 石棉、珍珠岩、矿渣棉等各类制品，是 电厂中广泛采用的隔热保温材料。
多层平壁导热
3-1 导热
对于多层的 圆筒壁仍然可以 利用热阻来求得 导热量、热流密
度，大家想一想
单层圆壁筒的导 热电阻如何求得？
3-2 对流换热
一、对流换热的概念及其类型 当温度不同的各部分流体之间产生宏观的相对运 动时，各部分流体因相互掺混所引起的热量传递过 程，称为热对流。流动着的流体与其相接触的固体 壁面之间的热量传递过程称为对流换热。对流换热 时，流体内部各部分流体之间存在着热对流，并同 时伴有热传导对流换热是热对流和热传导综合作用 的结果。
3-1 导热
数学表达式： q=-λdt/dx （W/m2） q—单位时间通过导体单位面积上的热量, 又称为热流密度; λ — 为导热系数；导热系数的大小取决 于物质的种类和温度;
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。
03热辐射的基本规律
dλ eC2 λT
= −1
C1T 4 C24
实用黑 体结构
外壳 热电偶 保温层
热屏蔽套管
腔芯 腔体 加热线圈
第3章 热辐射的基本规律
§3-1 基尔霍夫定律
二、基尔霍夫定律
)设有一个绝热的真空腔体 )热平衡时：发射辐射能量=吸收辐射能量
•设 i 物体的吸收率为αi ∴Mi (T) =αi (T)Ei (T)
•一般
M(T) = E(T) α(T)
• 小孔为黑体源，即黑体为朗伯辐射体
第3章 热辐射的基本规律
§3-1 基尔霍夫定律
§3-2 黑体辐射规律
一、普朗克公式 1、经典物理学所遇到的困难 ) 19世纪末，物理学最引人注
目的课题之一：
M λbb (T ) T
从理论上导出与实验相符的
黑体Mλbb(T)表达式
λ
)维恩公式：假设类似麦克斯韦速率分布，推出
——基尔霍夫定律
•光谱量
Mλ (T) α(λ,T)
=
Eλ
(T
)
1 2
3 iM
绝热真空腔体
第3章 热辐射的基本规律
§3-1 基尔霍夫定律
讨论：
Mλ (T) α(λ,T)
=
Eλ
(T
)
(1)热平衡时，空腔中的辐照度处处相等，与物体
的性质无关
——Eλ(T)为常量
(2)黑体 αbb(T) =αbb(λ,T) =1
C1 λ5
⋅
eC2
/
1
λT
−1
m
——维恩位移定律
x = C2 λT
b = C2 = 2.897 ×10−3 m ⋅ K
x = 4.9651
热对流和热辐射教案及反思
热对流和热辐射教案及反思第一章：热对流的概念及类型1.1 热对流的定义1.2 自然对流和强迫对流的概念及区别1.3 几种常见的自然对流现象1.4 几种常见的强迫对流现象第二章：热对流的产生和发展2.1 自然对流的产生和发展2.2 强迫对流的产生和发展2.3 热对流的影响因素2.4 热对流的控制方法第三章：热辐射的基本原理3.1 热辐射的定义3.2 热辐射的特点3.3 热辐射的强度和谱分布3.4 热辐射的传播规律第四章：热辐射的吸收、反射和透射4.1 热辐射的吸收4.2 热辐射的反射4.3 热辐射的透射4.4 热辐射的吸收、反射和透射在实际应用中的例子第五章：热辐射的应用5.1 热辐射在工业中的应用5.2 热辐射在能源领域的应用5.3 热辐射在航天、军事等领域的应用5.4 热辐射在日常生活和环保领域的应用第六章：热对流和热辐射的计算方法6.1 自然对流的计算方法6.2 强迫对流的计算方法6.3 热辐射的计算方法6.4 热对流和热辐射耦合计算方法第七章：热对流和热辐射的实验研究7.1 热对流实验研究的方法和设备7.2 热辐射实验研究的方法和设备7.3 热对流和热辐射实验研究的案例分析7.4 实验中可能遇到的问题及解决方法第八章：热对流和热辐射在工程中的应用8.1 热对流在工程中的应用案例8.2 热辐射在工程中的应用案例8.3 热对流和热辐射在工程应用中的综合案例8.4 热对流和热辐射在工程应用中的挑战和解决方案第九章：热对流和热辐射的环境影响9.1 热对流对环境的影响9.2 热辐射对环境的影响9.3 热对流和热辐射的环境保护措施9.4 热对流和热辐射的环境影响评估第十章：热对流和热辐射的教案设计与反思10.1 教案设计的原则和方法10.2 教学目标和教学内容的设定10.3 教学方法和教学工具的选择10.4 教学效果的评估和反思重点和难点解析六、热对流和热辐射的计算方法补充和说明：在讲解自然对流和强迫对流的计算方法时，应强调流体密度、流速、热导率等参数的重要性，并通过实际案例让学生理解如何应用这些计算方法。
第3讲 热辐射规律
维恩位移定律
dMeb (λ,T) d c1 =0 = 由 c2 dλ dλ λ5 (e λT −1)
x c2 得 e =1− 式 x= 中 解 : x0 ≈ 4.9651 得 5 λm T
−x
c2 ∴λm T = = b ≈ 2898 (µ m⋅ K) x0
斯蒂芬－玻尔兹曼定律（ 斯蒂芬－玻尔兹曼定律（1）
Meg (λ,T) = ε (T)Meb (λ,T) =
ε (T)c1 λ5 (e
c2
λT
−1 )
Meg = ε(T) Meb = ε(T)σT 4
λm T = 2898 (µ m⋅ K)
选择性辐射体
ε (λ,T) <1
ε(λ) 1 黑体 灰体 选择性辐射体 λ
对于选择性辐射体，辐射计算是复杂的 对于选择性辐射体， 在有限的光谱区间 光谱区间内近似当作灰体处理 在有限的光谱区间内近似当作灰体处理
Meb (λ,T) =
c1
λ (e
5
c2
λT
−1)
8
第一辐射常数 c1 = 2πhc = 3.74×10 第二辐射常数 c = hc / k =1.44×104
2
(W ⋅ m ⋅ µ m )
−2 4
2
(µ m⋅ K)
黑体辐射曲线
黑体辐射特点
光谱连续，存在一个极大值； 光谱连续，存在一个极大值； 温度升高，曲线整体提高，峰值波长减小； 温度升高，曲线整体提高，峰值波长减小； 各条曲线之间互不相交； 各条曲线之间互不相交； 辐射与黑体材料无关，只与温度有关； 辐射与黑体材料无关，只与温度有关； 遵循朗伯余弦定律。 遵循朗伯余弦定律。
M(λ)
25％ ％ 25％ ％
热辐射的基本定律共53页文档
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
热辐射的基本定律
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
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兹曼定律的基本概念及计算。
2
引言
热辐射——红外辐射
概念：物体以自身温度而向外发射能量称热辐射，亦称
温度辐射。 在光学范畴内，在可见光范围内的辐射一般称为发光，在
红外部分通常称为辐射。 红外辐射的发射和接收是都热交换。红外技术的应用都是
c1
5
c2
• e T
这就是维恩公式，它仅适用于黑体辐射的短波部分
15
• （2）当c2/（λT）＜＜1时，即hc/λ＜＜KBT，此时对应
长波或高温情形，可将普朗克公式中的指数项展成级数，
并取前两项
c2
•
e T 1 c2 (T )
这时普朗克公式变为
•
M b
c1 c2
•T
4
这就是瑞利—普金公式，它仅适用于黑体辐射的长波部分。
4．基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关，不与人眼的视觉特 性和光度量有关；
5．基尔霍夫定律只适用于温度辐射，对其它发光不成立。
9
§3-2 黑体及其辐射定律 黑体是一个抽象的概念，可以从几个方面认识：
1、（理论上讲）ɑ=1的物体。全吸收，没有反射和透射。 2、（结构上讲）封闭的等温空腔内的辐射是黑体辐射。 3、（从应用角度）如果把等温封闭空腔开一个小孔，则从小
描述黑体光谱辐射出射度的峰值与温度关系的公式。
将维恩位移定律代入普朗克公式
• •
M bm
c1
m5
1 ec2 / mT
1
BT 5
•
其中 B = 1.2867×10-11W·m-2·μm-1·K-5
（另书 1.2866732×10-5 W·m-3·K-5 ）
20
意义：
1、只先知一个温度T，便知最大M 所在处的波长及M 值。 2、M 数值随温度升高很快。（M bλm峰值升高，曲线下面 积增大，M 也大）
高就可见了） ➢ 黑体的辐射特性只与其温度有关，与其它参数无关。 ➢ 黑体辐射亮度与观察角度无关。
14
普朗克公式在以下两种极限条件下的情况：
• （1）当c2/（λT）＞＞1时，即hc/λ＞＞KBT，此时对应
短波或低温情形，普朗克公式中的指数项远大于1，故可
以把分母中的1忽略，这时普朗克公式变为
•
M b
16
瑞利－金斯公式和经典辐射模型的困难
两种近似式在不同λT值时的计算误差
17
维恩位移定律
• •
M b
c1
5
1 ec2 / T
1
f (.T )
令x = c2/λT • X何值时M最大，应 •
M (x) M 0 x
M c1T 5 5x4 (e x 1) x5e x
M b
c1
5
1 e c2 / T
1
▪
▪ M bλ——黑体的光谱辐射出射度 ▪ c —— 真空光速
▪ c1—— 第一辐射常数 c1=2πhc2=3.7418×10-16W·m2 ▪ c2—— 第二辐射常数 c2=hc/k=0.014388m·K ▪ h —— 普朗克常数 6.626176×10-34J·s
第三章 热辐射的基本规律
1
教学目的：在红外物理（技术）及其应用的科学实践和工 程设计中，经常会遇到各种形式的辐射源发出辐射的问题 和测量问题，解决这些问题依据的就是本章所学习的几个 基本定律。本章要学习的基本规律有基尔霍夫定律、普朗 克公式、维恩位移定律、斯特藩-玻耳兹曼定律的基本概 念、定义及计算。
为M=f（λ、T）
• 吸收本领：即物体的吸收比α，α也与波长和温度有
关，故写成αλT 。 • 二者之间关系（称为基尔霍夫定律）
6
• 如果有三个物体，则
M1T M2T M3T C
1T 2T 3T
即所有的物体，它们的发射本领与发射本领之比都是相 同的一个常数（在相同温度、相同波长条件下）。
C
M bT
基于热交换的。
3
发光分三种
化学发光（鬼火）
光致发光（泵浦） 电致发光
放电 激发
辉光放电 弧光放电
4
• 普雷夫定则：在单位时间内，如果两个物体吸收的能量不 同，则它们发射的能量也不同。即在单位时间内，一个物 体发出的能量等于它吸收的能量。
• 普雷夫定则小实验
5
§3-1 基尔霍夫定律
• 发射本领：即物体的辐射出射度M，通常写成MλT，因
孔发出的辐射能够逼真地模拟黑体辐射。这种装置称为黑 体炉。
10
黑体的应用价值（实用意义）：
1.标定各类辐射探测器的响应度； 2.标定其他辐射源的辐射强度； 3.测定红外光学系统的透射比； 4.研究各种物质表面的热辐射特性； 5.研究大气或其他物质对辐射的吸收或透射特性。主要做光
源（辐射源）
11
▪ 普朗克公式：
• “发射大的物体必吸收大”，或“善于发射的物体必善于 接收”，反之亦然。
8
关于基尔霍夫定律的说明：
1．基尔霍夫定律是平衡辐射定律，与物质本身的性质无关， （当然对黑体也适用）；
2．吸收和辐射的多少应在同一温度下比较，（温度不同时就没 有意义了）；
3．任何强烈的吸收必发出强烈的辐射，无论吸收是由物体表面 性质决定的，还是由系统的构造决定的；
21
四、斯特番—波尔兹曼定律
▪ k —— 波尔兹曼常数 1.38×10-23J/K
12
13
• 曲线的说明（黑体的辐射特性）：
➢ M bλ随波长连续变化。对应某一个温度就有固定的一条曲线。 （一旦温度确定，则M bλ在某波长处有唯一的固定值）
➢ 温度越高，M bλ越大。（全辐射出射度Mb是曲线下面积） ➢ 随着温度T的升高，M bλ的峰值波长向短波方向移动。（T再
bT
M bT 1
MbT
式中 MbλT——黑体的辐射出射度。 αbλT——黑体的吸收比， αbλT = 1 （黑体的定义）
7
• 基尔霍夫定律的描述：
• 在给定温度下，对某一波长来说，物体的吸收本领和发射 本领的比值与物体本身的性质无关，对于一切物体都是恒 量。即MλT/αλT对所有物体都是一个普适函数（即黑体的 发射本领），而MλT和αλT两者中的每一个都随着物体而不 同。
x c25
(e x 1)2
18
若上式为零
须
5x4 (ex 1) x5ex =0
解此方程 x = 4.9651142
即：c2/λT = 4.9651142 λT = 2898 (μm·K)
此乃维恩位移定律，其中的λ即某温度T时黑体辐射出射度
Mbλ的峰值波长λm，通常写为
m
b T
19
维恩（wien）最大发射本领定律：