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《传热学》第八章热辐射的基本定律热辐射——与热量相关的电磁波辐射，是一切物体所固有的特性即使中间阻隔低温物体，传热亦能发生一切物体均能发射热辐射第一节基本概念一、热辐射的本质和特点热辐射的本质——电子受激和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发射电磁波向空间传播。电磁波谱可见光范围：0.38~0.76μm几个常用波段：太阳辐射范围：0.2~2μm热射线范围：0.1~100μm热辐射的波粒二象性MaxKarlErnstLudwigPlanck(1858-1947)波动性粒子性光速波长频率光子能量普朗克常数热辐射的三个特点：1.不需要媒介2.能量的二次转化过程：内能→电磁能→内能3.存在于任何物体，总能量得失取决于两物体能量交换之差发射与投射发射——指物体发出电磁波，与本物体温度和表面性质有关。投射——指物体一发出电磁波落到物体二的部分，与两物体相对位置，以及物体二的形状尺寸、表面性质有关。二、吸收、反射和穿透1.能量投射的三种情况:吸收反射穿透（用百分率来表示）吸收比反射比穿透比（某一频率下）光谱吸收比光谱反射比光谱穿透比2.辐射能投射实际物体：大多数固体和液体：（玻璃、水例外）气体：稀薄的单原子和双原子气体：3.黑体、白体和透明体（均指全波长范围）：黑体：白体：透明体：土壤a=0.92～0.95纯金a=0.02普通玻璃a=0.94雪a=0.82三、定向辐射强度和定向辐射力1.定向辐射强度——单位立体角的辐射能立体角——体现辐射空间性的量度单位sr——球面度单位右图中，微元体的长为：微元体的宽为：整个半球的立体角：a.定向辐射强度——在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见辐射面积、在单位立体角内所发射全部波长的能量。b.光谱定向辐射强度——在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见辐射面积，在波长λ附近的单位波长间隔内、单位立体角内所发射的能量。定向辐射强度和光谱定向辐射强度两者关系：2.辐射力——整个半球空间的辐射能a.定向辐射力——在某给定辐射方向上，单位时间内、物体单位辐射面积、在单位立体角内所发射全部波长的能量。在发射辐射能物体表面的法线方向上：b.辐射力——单位时间内、物体单位辐射面积向半球空间所发射全部波长的总能量。c.光谱辐射力——单位时间内、物体单位辐射面积、在波长λ附近的单位波长间隔内，向半球空间所发射的能量。或d.光谱定向辐射力——在某给定辐射方向上，单位时间内、物体单位辐射面积、在单位立体角内发射的波长λ附近单位波长间隔内的能量。或第二节热辐射的基本定律辐射换热分析比较的标准——黑体人工黑体一、普朗克定律——黑体光谱辐射按波长分布普朗克第一常数：普朗克第二常数：能量经过多次吸收和反射，最终全部被吸收1.普朗克定律:黑体光谱辐射力分布图普朗克定律所揭示的规律：1.对任一波长，温度越高，黑体光谱辐射力越强。2.对任一温度，黑体光谱辐射力随波长增加先增大后减小。3.对任一温度，黑体光谱辐射力在某个波长会达到一个峰值λmax。4.随着温度升高，峰值波长λmax向短波方向移动。黑体光谱辐射力通用曲线2.维恩位移定律——黑体辐射峰值波长与热力学温度乘积为常数WilhelmCarlWernerOttoFritzFranzWien(1864-1928)实例：光谱测温实例：金属加热时的颜色变化（随着温度升高，可见光在总能量中所占比例逐渐增加）红外测温仪二、斯蒂芬－玻尔兹曼定律——黑体辐射力与热力学温度四次方成正比黑体辐射常数或写成：黑体辐射系数LudwigBoltzmann（1844-1906）某一波段范围内黑体辐射力的计算：可根据λT直接查教材表8－1。黑体辐射函数材料对太阳辐射能量的选择性吸收实例一：保温玻璃的原理（短波透过，阻挡长波）实例三：白炽灯照明的能量浪费（2800K的钨丝辐射总能量中，位于可见光波段的能量只占8.8%，其他波段发出的能量对照明不起作用。）实例二：大气层的温室效应白炽灯节能灯三、兰贝特余弦定律——黑体辐射具有漫射表面，各方向辐射强度相等JohannHeinrichLambert(1728-1777)漫发射——物体发射的定向辐射强度与方向无关的特性漫反射——物体反射的定向辐射强度与方向无关的特性漫射表面——同时具有漫发射和漫反射特性的表面——黑体的定向辐射力随方向角θ按余弦规律变化，法线方向的定向辐射力最大1.定向辐射强度:2.定向辐射力:3.辐射力:——黑体的半球空间辐射力是任意方向定向辐射强度的π倍。四、基尔霍夫定律——实际物体发射率与吸收率的关系1.实际物体的辐射发射率:a.实际物体的光谱辐射力随波长和温度的变化是不规则的，不遵守普朗克定律，如右图所示。为描述实际物体与黑体辐射间关系，定义：发射率：光谱发射率：定向发射率：光谱定向发射率：灰体实际物体在红外波段内可近似地视为灰体b.实际物体的定向辐射强度在半球的不同方向上有些变化，不遵循兰贝特定律，如右图所示。半球平均发射率与法向发射率的关系：（实际发射率修正方法）几种金属导体的定向发射率几种非导电体的定向发射率非金属表面：磨光金属表面：漫射体作以上修正后，实际物体可近似地视为漫射体2.基尔霍夫定律：GustavRobertKirchhoff(1824-1887)基尔霍夫定律推导过程：如右图，两块平行平板板1为黑体，辐射力、吸收比和表面温度分别为Eb、ab（=1）、T1板2为任意物体，辐射力、吸收比和表面温度分别为E、a、T2由板1发射被板2吸收的能量：板2能量得失的差额即为板2的热流密度：当体系处于热平衡状态（T1=T2）时，应有q=0，上式变为：T1=T2时，板2的Eb与板1相同，板2的发射率：因而，对于板2有：基尔霍夫定律基本表达式：对漫射表面：对灰表面：对漫射灰表面：漫射灰表面的适用条件——参与辐射的各物体温差不是很大（太阳辐射不适用）——物体发射辐射能的能力愈强，吸收辐射能的能力也愈强对黑表面：第八章重点：1.表面的热辐射性质2.热辐射四个基本定律谢谢观看