第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性 7-1热辐射的基本概念 热辐射定义:由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射 产生原因:物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。 特点:只要物体的温度高于“绝对零度”(即0K),则物体因热 的原因就会永远不断的向外发出热辐射。同时,物体亦不断地 吸收周围物体投射到它上面的热辐射,并把吸收的辐射能重新 转变成热能 辐射换热:指物体之间因为辐射的原因发射和吸收换热的总效 果 特殊情况:当物体与环境处于热平衡时,其表面上的热辐射仍 在不停地进行,但其辐射换热量等于零
第七 章 热辐射基本定律及物体的辐射特性 7-1 热辐射的基本概念 热辐射定义：由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。 产生原因：物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。 特点：只要物体的温度高于“绝对零度”(即0K)，则物体因热 的原因就会永远不断的向外发出热辐射。同时，物体亦不断地 吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新 转变成热能。 辐射换热：指物体之间因为辐射的原因发射和吸收换热的总效 果。 特殊情况：当物体与环境处于热平衡时，其表面上的热辐射仍 在不停地进行，但其辐射换热量等于零
电磁波辐射的共性:电磁波的速率、波长和频率存在如下 关系 C=fn (7-1) 式中:C—电磁波的传播速率;f一频率;λ一波长 电磁波命名示于图7-1中,其波长包括从零到无穷大的范 围。从理论上说,物体热辐射的电磁波波长可以包括整个波谱, 即波长从零到无穷大。 一射线 蓝燥黄红 丫射 x射线截外 江外线 无线电被 光 0「10-10-110110 L 1010110 长Apm 图7-1电磁波谱
c = f (7-1) 电磁波辐射的共性：电磁波的速率、波长和频率存在如下 关系: 式中:c—电磁波的传播速率； f—频率； —波长。 电磁波命名示于图7-1中，其波长包括从零到无穷大的范 围。从理论上说，物体热辐射的电磁波波长可以包括整个波谱， 即波长从零到无穷大。 图7-1电磁波谱
辐射到物体上的热辐射特点:发生吸收、反射和穿透。图7-2所 按照能量守恒定律有 Q=Q+Q+ Q。,Q 或 图7-2物体对热辐射的吸收、 其中各能量百分数QQ、Q21Q和 反射和穿透 Q/Q分别称为该物体对投入辐射的吸收比、反射比和穿透比, 记为、和pT 于是有 +p+T=1 (7-2)
分别称为该物体对投入辐射的吸收比、反射比和穿透比， 记为 和 辐射到物体上的热辐射特点：发生吸收、反射和穿透。图7-2所 示。 图7-2 物体对热辐射的吸收、 反射和穿透 按照能量守恒定律有 Q = Q + Q + Q 或 1 Q Q Q Q Q Q + + = 其中各能量百分数 Q / Q、Q / Q 和 Q / Q 、 于是有 + + =1 （7-2）
固体或液体辐射特点:τ=0 原因:辐射能一进入表面就会在一个极短的距离内就被吸收完了。 对于金属导体,这一距离只有1微米的数量级;对于大多数非导 电体材料,这一距离亦小于1毫米。实用工程材料的厚度一般都 大于这个数值,对于固体和液体来说,辐射关系满足 +p= (7-3) 得出:就固体和液体而言,吸收能力大的物体其反射本领就小; 反之,吸收能力小的物体其反射本领就大 辐射的分类:辐射能投射到物体表面后的反射现象区分为:镜面 反射和漫反射。当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时,形 成镜面反射,此时入射角等于反射角(见图7-3)。高度磨光的金 属板就是镜面反射的实例。当表面的不平整尺寸大于投入辐射的
固体或液体辐射特点： 原因：辐射能一进入表面就会在一个极短的距离内就被吸收完了。 对于金属导体，这一距离只有1微米的数量级；对于大多数非导 电体材料，这一距离亦小于1毫米。实用工程材料的厚度一般都 大于这个数值，对于固体和液体来说，辐射关系满足 = 0 + =1 （7-3） 得出：就固体和液体而言，吸收能力大的物体其反射本领就小； 反之，吸收能力小的物体其反射本领就大。 辐射的分类：辐射能投射到物体表面后的反射现象区分为：镜面 反射和漫反射。当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，形 成镜面反射，此时入射角等于反射角(见图7-3)。高度磨光的金 属板就是镜面反射的实例。当表面的不平整尺寸大于投入辐射的
波长时,形成漫反射。这时从某一方向投射到物体表面上的辐 射向空间各个方向反射出去,如图7-4所示。一般工程材料的 表面都形成漫反射 图7-3镜面反射 图74漫反射 气体对投入辐射的特点:气体对辐射能几乎没有反射能力, 可认为反射此p=0式(72)简化成 +τ=1 (7-4)
波长时，形成漫反射。这时从某一方向投射到物体表面上的辐 射向空间各个方向反射出去，如图7-4所示。一般工程材料的 表面都形成漫反射。 气体对投入辐射的特点：气体对辐射能几乎没有反射能力， 可认为反射此 = ，而式 0 (7-2)简化成 + =1 （7-4）
不同物体对辐射的影响: 固体和液体对投入辐射所呈现的吸收和反射特性,都具有 在物体表面上进行的特点,而不涉及到物体的内部。因此物体 表面状况对这些辐射特性的影响是至关重要的。 而对于气体,辐射和吸收在整个气体容积中进行,表面状 况则是无关紧要的 不同物体的吸收比、反射比、穿透比是不一样的,为方便 起见,把吸收比C=1的物体叫做绝对黑体(简称黑体);把反射 此p=的物体叫做镜体(当为漫反射时称做绝对白体);把穿透 比t=1的物体叫做绝对透明体(简称透明体)
不同物体对辐射的影响： 固体和液体对投入辐射所呈现的吸收和反射特性，都具有 在物体表面上进行的特点，而不涉及到物体的内部。因此物体 表面状况对这些辐射特性的影响是至关重要的。 而对于气体，辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状 况则是无关紧要的。 不同物体的吸收比、反射比、穿透比是不一样的，为方便 起见，把吸收比 =1的物体叫做绝对黑体(简称黑体)；把反射 此 =l的物体叫做镜体(当为漫反射时称做绝对白体)； 把穿透 比 =1的物体叫做绝对透明体(简称透明体)。
图7-5为一个黑体模型。其中空腔壁面保持均匀的温度。 黑体模型:这种带有小孔的温度均匀的空腔为黑体模型。 黑体在热辐射分析中的重要性 表现在:在相同温度的物体中,黑 体的辐射能力最大。了解了黑体辐 射特性之后,可以将其他物体辐射 特性与黑体辐射特性进行比较,找 出其与黑体辐射的偏离,最终确定 必要的修正系数。 图75黑体模型
图7-5为一个黑体模型。其中空腔壁面保持均匀的温度。 黑体模型：这种带有小孔的温度均匀的空腔为黑体模型。 黑体在热辐射分析中的重要性 表现在：在相同温度的物体中，黑 体的辐射能力最大。了解了黑体辐 射特性之后，可以将其他物体辐射 特性与黑体辐射特性进行比较，找 出其与黑体辐射的偏离，最终确定 必要的修正系数
7-2黑体辐射基本定律 黑体辐射三大基本定律:1、普朗克定律,揭示了黑体辐 射能按照波长分布规律;2、斯忒藩-波耳兹曼定律,揭示了黑 体辐射力与温度的关系;3、兰贝特定律,揭示了黑体定向辐 射强度与方向的关系 35 概念:辐射力E是单位时间内物体的单 位表面积向半球空间所有方向发射出去 的全部波长的辐射能的总量,它的常用2 单位是Wm2。辐射力从总体上表征物15 体发射辐射能本领的大小 10 图7-6示意性地表示了不同波长发射5 800K 出的辐射能的变化。从波长λ到入+d入0 600K 8910 区间发射出的能量,可用图中有阴影的面 d a A/um 图7-6Ex=f(,T) 积来表示,定量关系式为E2d入
概念：辐射力E是单位时间内物体的单 位表面积向半球空间所有方向发射出去 的全部波长的辐射能的总量，它的常用 单位是 。辐射力从总体上表征物 体发射辐射能本领的大小。 7-2 黑体辐射基本定律 黑体辐射三大基本定律：1、普朗克定律，揭示了黑体辐 射能按照波长分布规律；2、斯忒藩-波耳兹曼定律，揭示了黑 体辐射力与温度的关系；3、兰贝特定律，揭示了黑体定向辐 射强度与方向的关系。 2 W / m 图7-6示意性地表示了不同波长发射 出的辐射能的变化。 从波长 到 区间发射出的能量，可用图中有阴影的面 积来表示，定量关系式为 。 + d E d
此处E称为光谱辐射力。注意光谱辐射力与辐射力的单位差 个长度单位,光谱辐射力的单位是w/m3 光谱辐射力的定义: 是单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出 去的在包含λ的单位波长范围内的辐射能,其单位的分母中的m3 实际上表示了m2·m,这里m即代表了单位波长范围。 辐射力与光谱辐射力之间存在着以下的关系: E=E,d入 普朗克定律的具体函数形式为 7-6) b入 C2/(λT) e
E 3 W / m 此处 称为光谱辐射力。注意:光谱辐射力与辐射力的单位差 一个长度单位，光谱辐射力的单位是 光谱辐射力的定义： 是单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出 去的在包含 的单位波长范围内的辐射能，其单位的分母中的 实际上表示了 ，这里m即代表了单位波长范围。 辐射力与光谱辐射力之间存在着以下的关系: 3 m m m 2 = 0 E E d (7-5) 普朗克定律的具体函数形式为: e 1 c E c / ( T) 5 1 b 2 − = − （7-6）
它揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律,或者说它给出了黑 体光谱辐射力与波长和温度的依变关系。 式中Eb一光谱辐射力 3 入一波长,m 30 T一黑体的热力学温度,K;25 E一自然对数的底; C1第一辐射常量; 15 C2-第二辐射常量 10 图7-6按普朗克定律绘出,其特 800K 点为:随着温度的增高,曲线的峰值 600K 向左移动,即移向较短的波长。对应 8910 da A/um 于最大光谱辐射力的波长λ与温度之图7-6E1=f(x,T) 间T之间存在着如下关系
—波长，m； T—黑体的热力学温度，K； E—自然对数的底； 式中： Eb —光谱辐射力 1 c —第一辐射常量； 2 c —第二辐射常量； 它揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律，或者说它给出了黑 体光谱辐射力与波长和温度的依变关系。 图7-6按普朗克定律绘出，其特 点为：随着温度的增高，曲线的峰值 向左移动，即移向较短的波长。对应 于最大光谱辐射力的波长 与温度之 间T之间存在着如下关系： m