6第六章 热辐射基础

•实际物体表面的热辐射性 能均弱于黑体表面。
•黑度(发射率emissivity) ： 实际表面的辐射力与同温度下 黑体辐射力的比值
实际物 体
E
Eb
根据辐射力的不同定义，可 以得到不同的发射率。
2.电磁波频谱
可见光（λ＝0.38～0.76μm） 红外线（λ＝0.76～1000μm ） 微波（λ＝1mm～1m ）
热射线：0.1~100μm
这一波长区段的电磁波最容 易被物体吸收转化为热能
3.辐射传热
辐射传热：物体间通过相互热辐射与吸收传递热量的过程。
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：
4.黑体波段辐射力的计算
Eb
2
1
Eb d
Eb
2
0
Ebd－01
Ebd
Eb0
0
e
c15
c2 /T
d
1
特定波长区段内的黑体辐射能
工程上求解问题的思路：复杂的问题简单化。 办法：引入黑体辐射函数。
4.黑体波段辐射力的计算
黑体辐射函数Fb(0- λ)：黑体辐射力在波长从零到某 个值λ 范围内占总辐射力中的百分比。
Ebd
？
Eb
0
Eb
d
-
0
Eb
d
Eb 1- Fb0 Eb
特定波长区段内的黑体辐射能
• 例题：工作温度为3000K的黑体表面发光效率是多少？ 解：取可见光的波长范围：（0.38~0.76μm）
T=3000K时，有 λ1T=0.38×3000=1140 μm·K，查得Fb（0-0.38）=0.14 λ2T=0.76×3000=2280 μm·K，查得Fb（0-0.76）=11.7
Fb0
0 Ebd
0
Eb
d
0
e
c15
c2 /T
d
1
T 4
0
c1T 5
ec2 /T 1
1
d T
f (T)
0
Fb(0- λ)是(λT)的单值函数
4.黑体波段辐射力的计算
黑体辐射函数表
4.黑体波段辐射力的计算
Eb(12) F E b(12 ) b (Fb(02) Fb(01) )Eb
Eb
3.兰贝特定律
兰贝特定律：漫辐射表面表面沿半球空间各方向上，定
向辐射强 度均相等。 I const.
黑体表面就是漫辐射表面。
兰贝特定律揭示了黑体辐射 能的空间分布特性
Ib, const.
“灯泡亮度”，即从不同方向看过 去，其亮度都是一样的。
3.兰贝特定律
黑体定向辐射力与定向辐射强度的关系
A B
1.普朗克定律
1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）
✓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）：
mT 2.8976 103 m K
Q Q Q Q
Q Q Q 1 QQQ
能量守恒
1
式中α、ρ和τ分别为吸收比、反射比和穿透比
理想辐射体
黑体：α＝1 镜体（白体）： ρ＝ 1 透明体： τ＝1
对于大多数的固体和液体： 0 , 1 对于不含颗粒的气体： 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
半球空间： dA辐射是向着它的上方各个方向
的。如在上方做个半球，则dA发出的 辐射能全部要通过这个半球空间，所 以我们称dA以上的空间为半球空间。
一、物体辐射能力的表征
2) 光谱（单色）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）
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
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三、黑体的吸收特性
黑体是理想的吸收体，它对一切波长和所有方向入 射辐射的吸收比均等于1。于是对黑体有：
b b b b, 1
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第三节 实际物体的辐射和吸收
一、实际物体的辐射特性 二、实际物体的吸收特性 三、实际物体辐射与吸收之间的关系
一、实际物体的辐射特性
E b
E d
0 b
0
ec
2
c15
(T )
1
d
T 4
黑体辐射常数： σ= 5.67×10-8 W/(m2K4)
温度提高一倍，辐射力增加16倍
1879年斯提芬从实验上证明，1884年玻尔兹曼从理论上证明。定律的提出 与普朗克定律并没有联系，却能从普朗克定律推导获得。再次证明普朗克定 律是实验与理论的完美结合！
形式传递的能量；
波
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。
热辐射具有一般电磁辐射现象的共性。各种电磁波都以光速 在空间传播，其具有的能量与波长（频率）有关。
电磁波传播速度、频率与波长的关系：
c = fλ 真空 c＝3×108 m/s
4. 物体表面对热辐射的作用
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
5. 辐射传热计算的特点
➢辐射能力正比于热力学温度的四次方；
➢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 )
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
二、黑体辐射的基本定律
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？
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
1.普朗克定律
热辐射基础理论研究中的最大挑战在于确定黑 体辐射的光谱能量分布。
其在与P垂直方向的投影面积。
n p
θ dA
n方向：可见面积为dA p方向：可见面积为dA·cosθ θ=90，可见面积为0
一、物体辐射能力的表征
4) 定向辐射强度 I(θ)：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。
dAcos
I d
[W /(m2 sr)]
A
dAcosd
Байду номын сангаас
黑体定向辐射力与定向辐射强度的关系
[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。
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【思考题】白炽灯发光效率
“换盏灯，爱地球” 白炽灯它的发光效率到底有多低？
发光
可见光波段的辐射能 总辐射能
100%
波段辐射力的计算！
4.黑体波段辐射力的计算
波段辐射力：物体在某个特定 Eλ 的波段范围内发出的辐射能。
E12
2 1
E
d
(W/m2)
λ1
λ2
λ
黑体的E bλ已知，代入上式即可计算黑体的波段辐 射力。
解：按
mT
2.9 10 m K 3
计算：
当 T=2000K 时 ，m
2.9103 mK 2000K
1.45106 m
当T=5800K时，
m
2.9103mK 5800K
0.5106 m
工业上一般高温辐射（2000K内）:红外线区段(0.76μm~1000μm)， 太阳辐射（5800K）:可见光区段(0.38μm~0.76μm)。
[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
半球面立体角 ω＝2π（sr）
一、物体辐射能力的表征
4)定向辐射强度 I(θ)：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。
✓单位可见辐射面积：沿P方向发
射的辐射能，dA的可见面积就是
dE
d dAd
I
cos
黑体定向辐射力与辐射力的关系
2
2 2
E＝ E d I cos sindd
0
0 0
B C
二、黑体辐射的基本定律
1. 理想表面——黑体
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。
黑体模型 内壁吸收比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
第六章 热辐射基础
§6‐1 辐射换热的基本概念 §6‐2 黑体辐射和吸收的基本定律
§6‐3 实际物体的辐射和吸收
第一节 辐射的基本概念
热辐射、辐射换热、镜反射、漫反射、发 射率、吸收率、辐射的光谱特性和方向性。