热辐射基本定律和辐射特性

发射和吸收不仅与自身的温度和表面状况相关，还取决于波长和方向；Erad f (, , T )
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区别
传热学 Heat Transfer
8-1 热辐射的基本概念 电磁波：交变电磁场在空间的传播。与弹性介质中的机械波不同，电磁波的传播不需要 介质，且传播速度等于光速。
传热学 Heat Transfer
8-2 黑体热辐射基本定律 普朗克定律 ： 揭示了黑体辐射能的光谱特性，即黑体的光谱辐射力Ebλ 随波长和温 度变化的规律。 温度越高，黑体的光谱辐射力越大；
一定温度下，黑体的光谱辐射力随波长 的增加而“先增后减”。
对应黑体最大光谱辐射力的波长λm与温度 的关系（维恩位移定律）：
式中α、ρ和τ 分别为吸收比、反射比和穿透比 黑体：α＝1 镜体（白体）： ρ＝ 1 透明体： τ ＝1
理想辐射体
对于大多数的固体和液体： 对于不含颗粒的气体：
0, 1 0, 1
辐射表面的状况影响大
辐射表面的状况影响小， 容器的形状影响大
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电磁波传播速度、频率与波长的关系： c = fλ
电磁波频谱：
真空 c＝3×108 m/s
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
High-energy physicist / nuclear engineer Thermal engineer Electrical engineer
Eb(1 2 ) Fb(1 2 ) Eb Fb(1 2 )T 4
例 8-3
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8-2 黑体热辐射基本定律 黑体辐射力定义为半球空间的总能量，如何描述半球空间不同方向的辐射能量分布？
兰贝特定律： 揭示了黑体辐射能的空间分布特性 立体角：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)，
8-1 热辐射的基本概念 物体对热辐射的吸收、反射与穿透： 辐射表面的状况对固体、液体辐射能的反射
镜面反射 （表面粗糙度< 波长）
漫反射 （表面粗糙度> 波长） 一般工程材料表面均为漫反射
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8-1 热辐射的基本概念 热辐射的基本属性：发射和吸收不仅与自身的温度和表面状况相关，还取决于波长和方向
辐射特性 实际物体 vs. 黑体 空间分布 光谱分布 全波长、半球空间

E E Eb T 4
光谱发射率
E Eb


0
( ) Eb d T 4
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8-3 实际固体和液体的辐射特性
漫射体：定向辐射强度I 随θ的分布满足兰贝特定律的物体，I(θ)=const, ε(θ)<1
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8-2 黑体热辐射基本定律 斯忒潘-玻耳兹曼定律： 揭示了黑体辐射能的特性，即黑体的辐射力Eb随温 度变化的规律。 黑体辐射常数：
Eb 0 Eb d 0


e
c2 ( T )
c1
5
1
d T 4
σ= 5.67×10-8 W/(m2K4)

Ac r2
半球面立体角 Ω＝2π （sr）
球面微元立体角
dAc d 2 sin d d r
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8-2 黑体热辐射基本定律
dA cos
d
d ( ) dA cos d
定向辐射强度：单位时间、单位可见辐射面积辐射的在单位立体角内的辐射能量。
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8-2 黑体热辐射基本定律 半球空间所有波长辐射能量的总和（半球辐射力E）：
Eb
2
I b cos d I b
遵守兰贝特定律的黑体辐射，半球辐射力等于定向辐射 强度的倍。 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 第八章例题
工业领域温度范围（<2000K）的热射线: λ＝0.76～20μm
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8-1 热辐射的基本概念 物体对热辐射的吸收、反射与穿透： 可见光、声波、热射线
Q Q Q Q
能量守恒

Q Q Q 1 Q Q Q 1
Eb d

2
1
Eb d
黑体辐射函数表 表8-1
1 1 2 Eb d Eb d 4 0 T 0 Fb ( 02 ) Fb ( 01 ) f (2T ) f (1T )
特定波段的黑体辐射力＝黑体辐射函数×黑体辐射力σT4
物体表面的发射率仅与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。 由表8-2： 1. 对于同一金属材料，高度磨光表面发射率低，粗糙表面或氧化表面发射率高； 2. 非金属材料表面发射率较高。
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8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系
热辐射的发射 物体辐射换热 热辐射的吸收 热辐射的吸收与外界条件有关！ 发射率与温度和表面状况有关，与外界条 件无关，是物性参数
Erad f (, , T )
频谱分布特性
方向性分布特性
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8-2 黑体热辐射基本定律 黑体： 吸收比α ＝1 ，能够全部吸收各种波长热辐射能的理想物体。 在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大。
辐射换热的基本研究方法：将真实物体
的辐射与黑体进行比较和修正，通过实 验获得修正系数，从而获得真实物体的 热辐射规律。
( , T )
吸收的某一特定波长的 能量 投入的某一特定波长的 能量
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8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系
实际物体光谱吸收比与波长的关系
利用物体选择性吸收的特性：
暖房、墨镜、世间万物的不同色彩 … 注意解释物体颜色时：物体可见光波段光谱辐射力与物体选择性吸收和反射的概念 区别。 炼钢炉中钢锭呈红色，常温下物体呈红色，两者的区别？
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8-2 黑体热辐射基本定律 普朗克定律 ： 揭示了黑体辐射能的光谱特性，即黑体的光谱辐射力Ebλ 随波长和温 度变化的规律。Ebλ＝f（λ,T）
Eb
c15 ec
2
( T )
1
λ— 波长，m； T — 黑体温度，K； c1 — 第一辐射常数，3.7419×10-16 Wm2； c2 — 第二辐射常数，1.4388×10-2 mK；
mT 2.8976 103 m K
The sun emits approximately as a blackbody at 5800K, the maximum emission is in the visible spectral region. A tungsten filament lamp operating at 2900K emits white light, but most of the emission remains in the infrared region. The luminous efficiency is poor. During the steel-making procedure, the surface color of the steel ingot will vary from red to white with increasing temperature, Why?
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8-3 实际固体和液体的辐射特性
第一章 由于实际物体的辐射能力小于同温度下的黑体，实际物体引入发射率（黑度）ε 实际物体:
E Eb Ts4
(W/m2)
0 1
黑体 ε＝1
ATs4
(W)
黑体 研究方法
表面发射率
4 s
实际物体
Eb T
温度提高一倍，辐射力增加16倍
特定波段的黑体辐射力：
Eb Eb d
1
2
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8-2 黑体热辐射基本定律 黑体辐射函数：特定波段黑体辐射力与相同温度下全波段黑体辐射力σT4的百分比。
Fb ( 1ห้องสมุดไป่ตู้2 )

2
1
0
1 4 T Eb d

E Eb
E Ts4
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8-3 实际固体和液体的辐射特性
辐射特性 实际物体 vs. 黑体 实际物体的辐射力空间分布不同于黑体， 其定向辐射强度与方向有关。
空间分布
光谱分布 全波长、半球空间
定向发射率ε (θ)：实际物体定向辐射强度与同温度黑体定向辐射强度的比值
I ( )
[W /(m 2 sr )]
兰贝特定律： 黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。
I(θ)＝I＝const
辐射面积 Vs 可见辐射面积 A B C
dΩ 立体角内的辐射力（定向辐射力）：
dE
d( ) I cos dAd
黑体定向辐射力与定 向辐射强度的关系
黑体辐射能的空间分布（定向辐射力）不均匀， 在法向最大，切向最小。
黑体模型 内壁吸收比为0.6时，如果小孔与内壁面积比小于0.6％
，则该模型的吸收比 >0.996，近似为黑体
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8-2 黑体热辐射基本定律 热辐射的能量表示参数：
一定温度下单位面积黑体辐射的总能量＝？ 总能量中各个波段的能量分别占多少比例？ 辐射能在空间是如何分布的？
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）
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)； （亦称为半球光谱辐射力）
E


0
E d
辐射力是光谱辐射力曲线下的总面积 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 黑体辐射三大定律：普朗克定律、斯忒潘-玻耳兹曼定律、兰贝特定律
( )
I ( ) I ( ) I b ( ) Ib
辐射特性 实际物体 vs. 黑体 空间分布 光谱分布 全波长、半球空间
光谱发射率：实际物体光谱辐射力与同温度黑体光谱辐射力的比值。
( )
E Eb
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8-3 实际固体和液体的辐射特性
发射率：实际物体辐射力与同温度黑体辐射力的比值。
Ib
黑体
I ( )
实际物体
I ( ) I ( ) ( ) I b ( ) Ib
实际物体具有漫射表面（满足兰贝特定律的 表面）时，一般忽略空间分布的差异，认为 定向发射率的半球空间平均值ε＝法向发射率 εn （高度磨光表面除外），直接查表8-2确定。
( ) 1
漫射体
( ) 1
投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能。 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数；

吸收的能量 投入辐射
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，称为选择性吸收。 光谱吸收比（单色吸收比）：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数。光谱吸收比 随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。
热辐射基本定律和辐射特性
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8-1 热辐射的基本概念 热辐射：由物体内部微观粒子热运动产生的，以电磁波形式传递的能量； 辐射传热：物体间通过相互热辐射与吸收传递热量的过程。 热辐射的特点： 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； 无需介质，可以在真空中传播。 辐射传热与导热、对流传热的区别 无需任何的介质； 伴随能量形式的转变（发射时热能转变为辐射能，吸收时辐射能转变为热能）； 辐射能力正比于热力学温度的四次方；