传热学热辐射基本定律和辐射特性

❖ 漫射表面：既是漫发射表面，又是漫反射 表面
半球空间 dA
漫发射
漫反射
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
Erad f (, ,T )
如何反映其规律？
频谱分布特性
方向分布特性
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
物体表面法向发射率εn的比较：
物体 黄铜 (无光泽） 严重氧化 的铝 镀锌铁皮
玻璃 木材
各种颜色 油漆
εn
0.22
0.2~ 0.3 0.23
0.94 0.8 ~ 0.92 0.92~ 0.96
温度℃
物体
38 黄铜（磨光）
50~500 磨光的铝
38 有光滑氧化层 表皮的钢板
38
抹灰的墙
20
耐火砖
100
8.4 实际物体的吸收特性 1. 实际物体的吸收比
➢ 投入辐射G：单位时间内投射到物体表面的单位面积
上的总辐射能（W/m2）
➢ 吸收比α：物体对投入辐射全波长辐射能所吸收的
百分数
吸收的能量
投入的能量(投入辐射)
吸收比α影响因素： （1）吸收物体的自身性质 （2）投入辐射的特性
1. 实际物体的吸收比
λm 向波长短的方向移动，服从维恩位移定律。
（3）黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律 ，按空间方向分布服从兰贝特定律。
8.3 固体和液体的辐射特性
1. 实际物体的辐射力
➢ 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
➢发射率（黑度）ε:相同温度下，
实际物体的半球总辐射力与黑体半 E 球总辐射力之比:
电磁波谱
➢ 热辐射的波长范围：
计及太阳辐射（5800K）的热射线: λ＝0.1～100μm ，包括部分紫外线，全部可见光和红 外线，
工业领域温度范围（<2000K）的热射线(红外线) ： λ＝0.76～20μm
太阳辐射能量集中在λ＝ 0.2 ～ 2μm
电磁波谱
可见光（λ＝0.38～0.76μm） 红外线（λ＝0.76～1000μm ） 微波（λ＝1mm～1m ）
雪
εn
0.05
0.04~ 0.06 0.82
0.94 0.8~ 0.9 0.8
温度℃ 38
50~500
20
20 500 ~ 1000
0
➢ 影响实际物体表面发射率的因素： （1）物质的种类 （2）表面状况：如粗糙度、氧化程度等 （3）表面温度
注意： 物体表面发射率取决于物体自身性质，与外界
条件无关,是一个物性参数。
（4）兰贝特定律—黑体辐射能空间方向的分布规律 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
（4）兰贝特定律—黑体辐射能空间方向的分布规律 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)
立体角
Ac r2
光谱辐射力特征： 光谱辐射力随温度升高而增加；
光谱辐射力随波长增加先增后减，具有最大Ebλ 光谱辐射力最大处的波长随温度不同而不同，随温度增加，λmax减小
(2) 维恩位移定律
光谱辐射力最大处的波长λmax与绝对温度T 的乘积为常数。 λmaxT = 2.898×10-3m·K≈ 2.9×10-3m·K =2900μm·K
Ib
遵守兰贝特定律的黑体辐射，数值上辐射力等于定 向辐射强度I的π倍。
➢黑体辐射的规律性： （1）黑体辐射的辐射力由斯蒂芬—玻尔兹曼定律
确定，正比例于绝对温度的四次方。
Eb=σ T4 = C0(T/100)4 (W/ m2)
σ ：黑体辐Baidu Nhomakorabea常数,σ＝5.67×10－8 W /（m2·K4）
（2）黑体的单色辐射力有一峰值，随温度升高，
E Eb
➢ 实际物体的辐射力 E=εEb=εσT4 (W/ m2)
实际物体 黑体
几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率
( )(t=0~93.3℃)
几种金属导体在不同方向上的定向发射率
( )(t=150℃)
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
Ib
黑体
( ) 1
I(θ)=const
表面的状况影响大
• 对于不含颗粒的气体： 0, 1
表面的状况影响小 容器的内部影响大
大多数固体和液体吸收和反射发生在物体表面， 气体的透射和吸收在气体容积中进行
注：对于一定的波长范围
➢分析与说明：
❖ 漫发射表面： 能向半球空间各方向发出均匀辐射强度的 物体表面
❖ 漫反射表面： 能向半球空间各方向均匀反射来自各方向 的投射辐射的物体表面
2. 灰体的概念
简化
实际物体
灰体
灰体：物体的光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体， 也是一种理想物体，即，不管投入辐射的光谱分布如何， 吸收比 都保持不变。α＝ αλ＝常数
➢ 特点：灰体的吸收比只取决于自身的情况而与外 界无关。
黑体 =1
E
1.0
0.6
0.4
实际物体
灰体 =0.6 灰体 =0.4
➢ 问题
（1）2000K和5800K的黑体最大单色辐射力所对应的波长 λm 是多少？
T=2000K, λm = 1.45μm
（红外区段）
T=5800K, λm = 0.5μm （可见光区段）
（2）为什么加热铁块的时候，铁块表面随温度增加 由暗红变为黄白？
(3) 斯蒂芬—玻尔兹曼定律
黑体的辐射力： Eb
（1）普朗克定律
揭示黑体辐射能按照波长分布的规律，即黑体光谱辐射力Ebλ与波长λ和
温度T 的关系:
Ebλ＝f（λ,T）
数学表达式为：
E b
C15
eC2 /( T ) 1
W/m3
λ- 波长（μm）;T - 黑体绝对温度（K） C1 - 常数，3.742 10-16 (W m2) C2 - 常数，1.439 10-2 (m K)
• 半球空间示意图
半球空间
dA
1、相关的物理量
（2）辐射力E：物体在单位时间内，单位表面积向半球空间所有方向发射
的全部波长的辐射能的总量，单位：W/m2 物理意义：表征物体发射辐射能本领的大小
（3）辐射力E和光谱辐射力Eλ的关系
E 0E d
黑体： E b 0E b d
2、黑体辐射的基本定律
∴ q21 ＝E - αEb
E
Eb
Eb
系统T1＝T2，处于热平衡状态时：q21 ＝0
(1-)Eb
∴ E-αEb =0 即 E/α=Eb
E(T )
Eb (T )
建立了实际物体辐射力与吸收比的关联
结论： （1）在同温度条件下，物体的辐射力越大，其吸收 比也越大，即善于辐射也善于吸收； （2）实际物体的吸收比α<1,同温度条件下黑体的 辐射力最大 （3）对于漫射灰体，全波段半球空间：ε(T)＝α(T)
随天顶角(纬度角)呈余弦规律变化，也称为余弦定律。
Eb,
=
d( )
dA d
Ib
cos
定向辐射强度I和辐射力E关系：
半球空间所有波长辐射能量的总和（半球辐射力E），
即黑体辐射力Eb
E b
d( )
dA d
Ib
cos
2
/2
E b I b
cos sin dd Ib 0
d 0
cos sin d
➢ 光谱吸收比αλ：物体对某一特定波长的辐射能所 吸收的百分数,也称为单色吸收比
(
)
吸收的某一特定波长的能量 投入的某一特定波长的能量
G , G
G —波长为λ的投入辐射 ，W/m3； G, —所吸收的波长为λ的投入辐射，W/m3。
选择性吸收 投入辐射本身具有光谱特性，且实际物体对投入
辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化
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：研究
黑体的辐射规律，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。
黑体模型
1、相关的物理量
（1）光谱（单色）辐射力Eλ： 物体在单位时间内，单位表面
积向半球空间所有方向发射的波 长λ到λ+dλ区间发射能量，单位： W/(m2·m)或W/(m2·m)
黑色油漆对可见光吸收比约0.9 。
4.温室效应
暖房： 玻璃和塑料薄膜对λ< 3μm太阳辐射的穿透率很高 对内部的物体热辐射 λ> 3μm常温辐射的穿透率很低
•温室气体：CO2、CFC制冷剂（R12等）对≥3μm的 红外波段吸收率高，而对于太阳辐射穿透率高
实际物体
I ( )
( ) I( ) const 1 Ib
工程材料一般忽略空间分布 的差异，视为漫射表面。
漫射体
( ) 1 半球空间平均定向发射率ε ＝法向发射率εn （高度磨光表面除外）
实际物体表面： 金属表面： ε/ εn≈1.0~1.3(高度磨光的表面取上限) 非金属表面：ε / εn≈ 0.95~1.0（粗糙表面取上限）
黑体
灰体 E =0.6Eb 灰体 E =0.4Eb
实际物体
光谱吸收比
光谱辐射力
灰体: α＝ α(λ)＝常数
讨论： (1)假设漫射表面
( ) 常数
实际物体辐射能的空间分布 特性满足兰贝特定律
（2）假设灰体
实际物体α(λ)与波长无关
实际物体( )与波长无关
(3) 对 于 大 部 分 工 程 热 辐 射 问 题 ， 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。
热辐射基本定律和辐射特性
热辐射特性是什么？与哪些因素有关？ 如何描述辐射换热规律？如何将实际物体简化为 理想物体？ 如何计算物体间的辐射换热量？ 辐射换热的基本研究方法？
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，热辐射产生的电磁波称为热射线
热辐射主要在哪个波长范围？
基尔霍夫定律：
漫射灰体无条件满足基尔霍夫定律(全波段，半球空间）
工业温度下物体可简化为漫射灰体
4.温室效应
因为大多数的物体对于太阳辐射的可见光的吸收 具有较强的选择性（选择性吸收） 研究物体表面对太阳辐射的吸收时不能视为灰体
如：
常温下白色油漆的发射率约0.9，吸收比约0.9，
白色油漆对可见光吸收比约0.1，
E
d( )
dA d
E 2 E d
d():面积dA的微元面积，向空间纬度角方向的微 元立体角d内辐射的能量
兰贝特定律—— 黑体按空间方向的分布规律
表述1：黑体辐射的定向辐射强度与方向无关，即半球空间的各方向上的定 向辐射强度相等：
d( ) dAcos d
=I b
const
表述2：黑体单位辐射面积,单位立体角的定向辐射力
总投入辐射能Q 反射能Q
Q Q Q Q
Q Q Q 1 QQQ
吸收能Q
1
式中：
α —吸收比，ρ —反射比，τ —穿透比
透射能Q
1
式中：
α —光谱吸收比，ρ —光谱反射比，τ ——光谱穿透比
➢分析与说明： （2）物体性质影响
• 对于大多数的固体和液体：
0, 1
微元立体角
d
dAc r2
➢ 黑体的定向辐射强度和定向辐射力：
E
d( )
dA d
实验测定 黑体
Eb,
=
d( )
dA d
Ib
cos
I ( ) d( ) dAcos d
Ib ( )
d( ) dA d cos
=Ib
定向辐射强度的定义图
• 定向辐射力E ：
在给定辐射方向(纬度角)上，单位时间内，物体单位辐 射面积、单位立体角内的辐射能量，单位：W/(m2 ·sr)
0 Eb d
0
e
C15
C2 /( T )
d
1
积分可得： Eb=σ T4 = C0(T/100)4 (W/ m2)
σ ：黑体辐射常数,σ＝5.67×10－8 W /（m2·K4）
C0 ：黑体辐射系数， C0 ＝5.67 W/(m2·K4)
黑体的辐射力与绝对温度的四次方成正比
温度提高一倍，辐射力增加16倍
说明： （1）工程上遇到温度范围，热射线集中在红外范 围内（ 0.76~20μm ） （2）太阳辐射可见光占44.8%，红外线占45.1%， 紫外线占10.1% （3）常温20℃以下物体辐射几乎在3μm以上的红 外。
➢ 物体表面对热辐射的作用
（1）物体对热辐射的吸收、反射与穿透
根据能量守恒，有以下平衡方程：
对于大部分工程材料可视为漫射表面
实际物体简化为漫射灰体
3. 基尔霍夫定律——吸收比与发射率的关系
两块平行平板，其距离很近，板1为黑体表面，
辐射力为Eb,吸收比αb,表面温度T1；板2为任意物体
表面,辐射力为E,吸收比α,表面温度T2；板2净辐射
换热热流密度q21：
板2辐射热流： E
T2
T1 黑体
板2吸收热流：αEb