传热学-第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性

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1、第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性1第八章热辐射基本定律和辐射特性主要内容热辐射现象的基本概念黑体热辐射的基本定律固体和液体的辐射特性实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系2第八章热辐射基本定律和辐射特性§8-1热辐射现象的基本概念1.热辐射特点(1)定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)特点：a任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b可以在真空中传播；c伴随能量形式的转变；d具有强烈的方向性；e辐射能与温度和波长均有关；f发射辐射取决于温度的4次方。2.电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图7-1所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的

2、热辐射区域一般为0.1~100μm。电磁波的传播速度：c=fλ式中：f—频率，s-1;λ—波长，μm3第八章热辐射基本定律和辐射特性电磁辐射波谱图8-1电磁波的波谱4第八章热辐射基本定律和辐射特性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8-2所示。3.物体表面对电磁波的作用图8.2物体对热辐射的吸收反射和穿透5第八章热辐射基本定律和辐射特性对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：镜体或白体：透明体：反射又分镜反射和漫反射两种图8-3镜反射图8-4漫反射6第八章热辐射基本定律和辐射特性黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射

3、能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。图8-5黑体模型7第八章热辐射基本定律和辐射特性辐射力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)；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)；1.热辐射能量的表示方法E、Eλ关系:显然，E和Eλ之间具有如下关系：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§8-2黑体辐射的基本定律8第八章热辐射基本定律和辐射特性2.黑体辐射的三个基本定律及相关性质式中，λ

4、—波长，m；T—黑体温度，K；c1—第一辐射常数，3.742×10-16Wm2；c2—第二辐射常数，1.4388×10-2WK；(1)Planck定律(第一个定律)：图8-7是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。λm与T的关系由Wien位移定律给出，图8-7Planck定律的图示9第八章热辐射基本定律和辐射特性(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：式中，σ=5.67×10-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。(3)黑体辐射函数黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力，如图8-8所示：图8-8特定波长区段内的黑体

5、辐射力10第八章热辐射基本定律和辐射特性定义：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8-9所示：(4)立体角黑体辐射函数:11第八章热辐射基本定律和辐射特性图8-9立体角定义图12第八章热辐射基本定律和辐射特性计算微元立体角的几何关系13第八章热辐射基本定律和辐射特性定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图8-10。(5)定向辐射强度L(,)：图8-10定向辐射强度的定义图(6)Lambert定律(黑体辐射的第三个基本定律)它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变化，因此，Lambert定律也

6、称为余弦定律。14第八章热辐射基本定律和辐射特性Lambert定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:15第八章热辐射基本定律和辐射特性黑体辐射规律黑体辐射的辐射力由Stefan-Boltzmann定律确定，辐射力正比例于热力学温度的四次方；黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律，而按空间方向的分布服从兰贝特定律；黑体的光谱辐射力有个峰值，与此峰值相对应的波长λm由维恩位移定律确定，即随着温度的升高，λm向波长短的方向移动16第八章热辐射基本定律和辐射特性§8-3固体和液体的辐射特性1实际物体的辐射力前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包

7、括所有方向和所有波长；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；因此，定义了发射率(也称为黑度)：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:17第八章热辐射基本定律和辐射特性2实际物体的光谱辐射力实际物体的光谱辐射力往往随波长作不规则变化实际物体的光谱辐射力按波长分布的规律与普朗克定律不同，但在定性上是一致的光谱发射率：实际物体的光谱辐射率与同温度下黑体的光谱辐射力之比实际物体的辐射力并不严格地同热力学温度的四次方成正比，但要对不同物体采用不同方次的规律计算，实用上不方便。在工程计算中