热辐射基本定律及辐射特性

工程上的热辐射主要位于
0.76～10 m的红外波长范围
内，绝大多数工程材料的光 谱辐射特性在此波长范围内
变化不大，因此在工程计算
时可以近似地当作灰体处理。
一些材料对黑体辐射的吸收
比随黑体温度的变化。
基尔霍夫定律
基尔霍夫定律揭示了物体吸收辐射能的能力与发射辐射能
的能力之间的关系，其表达式为
,, T ,, T
定向辐射强度：单位可见面积、单位立体角、全部波长，I，W/(m2.sr)
三者关系
E E d
0

E

I cos d
思考题：
1. 什么是黑体、 灰体? 实际物体在什么样的条件下可以看 成是灰体? 2. 光谱辐射力，定向辐射强度和辐射力的物理意义。它们 之间有什么关系? 3. 物体的发射率，吸收率，反射率，穿透率是怎样定义? 发射率和反射率有何不同?
分别引入了三个修正系数，即（总）发射率，光谱发射率 ( ) 和定向发射率 ( )，其表达式和物理意义如下 实际物体的辐射力与 黑体发射力之比: 实际物体的光谱辐射 力与黑体的光谱发射
E Eb


0
( ) Eb d T 4
E ( ) Eb
I ( ) I ( ) ( ) Ib ( ) Ib
dAc d 2 r
dAc rd r sin d d sin d d
定向辐射强度 I 辐射强度：空间某一表面在单位时间，与辐射方向垂直的单 位面积上，单位立体角发射的波长为0 ~ ∞的能量，用I表示。 空间某一表面，面积为dA的黑体微元，在微元立体角dΩ内 辐射出去的能量为dΦ，则
5. 漫灰表面的概念。
6. 维恩位移定律的表达式。 试考虑一下它在自然科学及工 程应用中的作用。 7. 四个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用。
固体表面镜反射与漫反射
镜反射 对于镜体或白体：
对于透明体：
漫反射
1
1
3、黑体模型
黑体是指能吸收投入到其面上
所有热辐射能的物体，是一种
科学假想的物体。
现实生活中不存在，但却可以
人工制造出近似的人工黑体。
人工黑体模型
8.2 黑体热辐射的基本定律
1、热辐射能量的表示方法 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
2、热辐射
由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的
现象。 （1）热辐射的主要特点
a. 所有温度大于0 K的物体都具有发射热辐射的能力，温 度愈高，发射热辐射的能力愈强。 发射热辐射时： 内热能 辐射能 ； b. 所有实际物体都具有吸收热辐射的能力 物体吸收热辐射时： 辐射能 内热能 ； c. 热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播，且传播效 率最高； d. 物体间以热辐射方式进行的热量 高温 传递是双向的。 物体
d( ) =I dA cos d
I为常数，与θ 无关。
dA cos 称为可见面积
2、黑体辐射的三个基本定律及相关性质
(1) Planck定律
Eb
c15 ec
2
( T )
1
式中，Ebλ光谱辐射力，W/m3；λ：波长，m ；T ：黑体 温度，K ； c1 ：第一辐射常数，3.742×10-16 Wm2； c2 ：第二辐射常数，1.4388×10-2 WK； 根据上式可得：不同温度 下Ebλ随波长λ的变化曲线。
第八章 热辐射基本定律及辐射特性
8.1 热辐射的基本概念
1、辐射：电磁波传递能量的现象。
辐射的两种理论 ：电磁理论与量子理论 电磁波的数学描述： c f
c — 某介质中传播速率, c c0 n
c0 3.0 10
8
m/s 为真空中的光速;
n 为介质的折射率。
— 波长, 常用m为单位, 1m = 10-6 m。
f — 频率, 单位 s-1。
电磁波的波谱
射线： < 5×10-5 m
X射线： 5×10-7 m < < 5×10-2 m 紫外线： 4×10-3 m < < 0.38 m 可见光： 0.38 m < < 0.76 m 红外线： 0.76 m < < 103 m 无线电波： > 103 m
光谱吸收比：物体吸收某一特定波长辐射能的百分数。 表征物体对某一波长辐射能吸收特性的物理量。
几种金属材料的光谱吸收比
几种非金属材料的光谱吸收比 辐射特性随波长变化的性质称为辐射特性对波长的选择性。
实际物体的吸收比 :取决于物体本身材料的种类、温度及表面
性质，还与投入辐射的波长分布有关，因此与投入辐射能的发 射体温度有关。
2
实际物体的辐 射定律
假定物体的辐 射定律
ε 不随波长变 化，灰体 ε不随发射角变 化，漫射表面
E = T 4
1
E Eb I Ib
光谱辐射力 定向辐射力
( T )
d( ) I cos dA d
辐射力：半球空间、全部波长；E，W/m2 光谱辐射力：半球空间、某段波长；Eλ，W/(m2.μm) 定向辐射力：单位面积，单位立体角、全部波长，Icosθ，W/(m2.sr)
E E Eb T 4
上面公式只是针对光谱和方向平均的情况，但是，实际 上，真实表面的发射能力随光谱和方向变化。
2、 实际物体的光谱辐射力
光谱发射率：实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱 辐射力之比
Eλ
E ε Eb

ε
E Eb
ε( )E d
b 0
T 4
重要推论：
1、吸收辐射能能力愈强的物体，发射辐射能能力也愈强。
2、在温度相同的物体中，黑体吸收辐射能的能力最强，发 射辐射能的能力也最强。 漫射灰体：辐射特性与角度和波长无关，只是温度的函数
T T
本章小结
辐射能力 辐射力
黑体的辐射定律
Eb = T 4
Eb c15 ec
的能量总和。 (W/m2)； 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)； E、Eλ关系:
E


0
E d
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
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)，如图所示：
Stefan-Boltzmann常数。
Planck定律与Stefan-Boltzmann定律的关系
(3) Lambert 定律
Lambert 定律：单位时间内，黑体单位可见面积，在单位 立体角中辐射出去的能量相等，或定向辐射强度I是常数。 Lambert 定律也称为余弦定律。单位时间内，黑体单位面 积，在单位立体角中辐射出去的能量随天顶角呈余弦规律 变化。 对上式沿半球方向积分，可获得了半球辐射力 E: Lambert定律与Stefan-Boltzmann 定律的关系
力之比：
实际物体的定向辐射 强度与黑体的定向发
射强度之比：
因此，实际物体的光谱发射率并不是常数；定向发射率 也并不完全符合Lambert定律。
实际物体辐射的简化处理方式
1. 光谱发射率( )为常数==>灰体假设； 2. 定向发射率( )为常数==>漫射表面假设；
8.4 实际物体的吸收比和基尔霍夫定律
低温 物体
（2）物体对热辐射的吸收、反射和穿透
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。
Q Q Q Q
Q Q Q 1 Q Q Q 1
对于大多数的固体和液体：
对于不含颗粒的气体：
0, 1 0, 1
E

I cos d I
Байду номын сангаасLambert定律图示
8.3 固体和液体的辐射特性
定向辐射强度
光谱辐射力
1、实际物体发射率
同温度下，黑体发射热辐射的能力最强；
真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；
发射率 (也称为黑度) ：相同温度下，实际物体的辐射
力与黑体辐射力之比:
Wien位移定律给出λm与T 的关系：
mT 2.8976 103 m K
(2) Stefan-Boltzmann定律


0
E b d

c1 5 ec
2
0
( T )
1
d T 4 E b
即Eb T 4
式中，σ= 5.67×10-8 W/(m2K4)，
3、实际物体的定向辐射强度
定向发射率：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向发射 强度之比 I ( ) I ( ) ( ) Ib ( ) Ib 几种非导电体材料在不同 方向上的定向发射率 ( ) (t=0~90℃)
几种金属导体在不同方向上的定向发射 ( )(t=150℃)
对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度I，