传热学-第八章节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§8-1热辐射的基本概念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，μm2电磁辐射波谱图8-13当热辐射投射到物体表面上时，一般会

2、发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图7-2所示。3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透图8.2物体对热辐射的吸收反射和穿透4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51.黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，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§8-2黑体辐射的基本定律6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

3、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)；2.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Ebλ73.黑体辐射的三个基本定律及相关性质式中，λ—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8-6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8-6Planck定律的图示8(2)Stefa

4、n-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8-7所示：图8-7特定波长区段内的黑体辐射力9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8-8和8-9所示：(4)立体角黑体辐射函数:10图8-8立体角定义图11图8-9计算微元立体角的几何关系12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

5、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，见图7-11，因此，Lambert定律也称为余弦定律。13图8-11Lambert定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:14§8-3实际固体和液体的辐射特性1发射率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:15上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面

6、的发射能力是随方向和光谱变化的。WavelengthDirection(anglefromthesurfacenormal)16因此，我们需要定义方向光谱发射率，对于某一指定的方向(,)和波长对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率，即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：17对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了半球光谱发射率，即实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比这样，前面定义的半球总发射率则可以写为：半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均18对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度L，分别引入了三个修正系

7、数，即，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辐射力之比:实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：19漫发射的概念：表面的方向发射率()与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。图8-15几种金属导体在不同方向上的定向发射率()(t=150℃)20图8-16几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率()(t=0~93.3℃)21前面讲过，黑体、灰体、白体等都是理想物体，而实际物体的