第6章热辐射的基本定律
热辐射基本定律
热辐射的基本定律••smyt_1983•2位粉丝•1楼在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。
太阳对大地的照射是最常见的辐射现象。
高炉中灼热的火焰会烘烤得人们难以忍受‘太阳对人造卫星的辐射，会使卫星的朝阳面的温度明显地高于卫星背阳面的温度；高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构与强度设计，等等。
特别是近年来，人类对太阳能的利用，都大大地促进了人们对辐射换热的研究。
本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律；然后重点讨论物体之间的辐射换热规律；最后对气体辐射换热的特点作扼要的介绍。
第一节基本概念1－1 热辐射的本质和特征由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。
比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。
人们根据电磁波不同效应把电磁波分成若干波段。
波长λ＝0.38一0.76μm的电磁波段称为可见光波段λ＝0.76—1000 μm的电磁波段称为红外波段(一般将红外波段范围又分为近红外波段和远红外波段，近红外波段为λ＝0.7—25μm，远红外波段为λ＝2 5—1000μm)；波长大于1000μm的电磁波段称为无线电波段(根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段)；波长小于0.4μm的电磁波依次分为紫外线、x射线和Y射线等。
可见光和红外线以及紫外线的一部分被物体吸收后产生热效应，即波长λ＝0.1—1000 μm范围内的电磁技能被物体吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热射线。
因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范围，所以本课程所感兴趣的将是热射线，下面将专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。
一、热辐射的本质和特点1、发射辐射能是各类物质的固有特性。
当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。
辐射传热-热辐射基本定律和辐射特性
4.1.1热辐射的定义及基本性质1.热辐射定义热辐射－Thermal Radiation物体由于热的原因（温度高于0 K）而发射电磁波的现象只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射1.热辐射定义辐射换热－Radiation Heat Transfer物体之间通过热辐射交换热量的过程当系统达到热平衡时，辐射换热量为零，热辐射仍然不断进行2.热辐射特点近程及远程效应∞-44w T T 而与成正比∞-w T T 换热不再与成正比，伴随能量形式的转变可以在真空中传播可穿过真空或低温区（好处-航天器散热；坏处-保温瓶散热）辐射能与温度和波长均有关具有强烈的方向性3.热辐射具有电磁波的共性f＝C电磁波谱激光红宝石0.6943μmCO210.6μm氦氖0.6328μm微波加热原理？高频电磁波300-300000 MHz (相应波长100-0.1cm)，使生物组织内偶极分子及蛋白质极性侧链以极高频率振荡，增加分子运动从而导致热量产生热辐射理论上覆盖整个电磁波谱对于太阳辐射（约5800K ）：0.2~2μm可见光：0.38~0.76μm红外线：0.76~25~1000μm一般工业范围内（2000K 以下）：0.38~100μm0.76~20μm远红外加热技术4.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，一般会发生吸收、反射和穿透。
transmissivityabsorptivity reflectivity物体对热辐射的吸收、反射和穿透热辐射－Thermal Radiation5.反射同样具有镜反射和漫反射的分别镜反射漫反射对于大多数的固体和液体1,0=+=ρατ1,0=+=ταρ对于不含颗粒的气体只涉及表面整个气体容积假想的1=α1=ρ1=τ透明体黑体镜体或白体三种理想情形4.1.2黑体模型1.黑体定义（Blackbody）可以全部吸收透射到其表面上的所有波长的辐射能（ =1）【不存在任何反射和透射】室温条件下：能量集中在长波电磁辐射和远红外波段到一定温度：开始发出可见光【钢材升温过程】 黑体不见得就是黑色的【取决于温度】2.黑体模型理想化模型：自然界并不存在严格意义上的黑体 人工模型黑体模型✓小孔面积占空腔内壁总面积的比值越小，小孔就越接近黑体✓若这个比值小于0.6%，当内壁吸收比为0.6时，计算表明，小孔的吸收比可达99.6%带有小孔的温度均匀的空腔✓温度均匀【保证辐射均匀且各向同性】✓具有黑体性质【小孔及空腔内部】✓举例：晴天远眺窗口黑洞洞的枪口3. 黑体应用黑体炉对辐射温度计的校准、检定，通常采用比较法，就是通过高稳定度的辐射源（通常为黑体辐射源）和其他配套设备，将标准器所复现的温度与被检辐射温度计所复现的温度进行比较，以判断其是否合格或给出校准结果。
热辐射的热力学理论
CONTENT 010203Stefan-Boltzmann定律宇宙背景辐射热宇宙模型1Stefan-Boltzmann 定律平衡辐射热辐射，物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射。
热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，是在真空中唯一的传热方式。
一般情况下，热辐射的强度和强度按频率的分布都与辐射体的温度和性质有关。
但如果辐射体对电磁波的吸收和辐射达到平衡，热辐射的一切特性将只取决于温度，这称为平衡辐射。
用热力学理论来研究热辐射，实际上就是研究平衡辐射。
空窖模型考虑一个封闭的空窖，其保持一定的温度T。
窖壁将不断地向窖内发射电磁波，同时吸收来自窖内的电磁波，二者达到平衡后，窖壁和窖内就具有了共同的温度，显然空窖内的辐射就是平衡辐射。
u=u(T)平衡辐射包含各种频率、沿各个方向传播的电磁波。
这些电磁波是无规的。
那么从直觉上和热力学的一般论据都可以知道，窖内平衡辐射是空间均匀和各向同性的。
它的内能密度和内能密度按频率的分布只取决于温度。
下面就最后一点进行论证。
设想有两个空窖，温度相同，但形状、体积和窖壁材料不尽相同。
开一个小窗将两个窖连接起来，放上滤光片，只允许圆频率在ω->ω+dω的电磁波通过，如图所示。
如果辐射场在ω->ω+dω范围内的内能密度在两窖不等，能量将通过小窗从内能密度较高的空窖辐射到内能密度较低的空窖，使前者温度降低而后者温度升高。
这样就在两个温度相同的空窖自发地产生温度差，可以利用这个温度差来获得有用的功，这显然违反热力学第二定律，所以是不可能的。
所以空窖内能密度和内能密度按频率的分布只取决于温度。
TT现在，我们根据电磁学理论可以导出辐射压强p 和辐射能量密度u 的关系：p =13u （以上结果可参考《空腔辐射中辐射压强与辐射能量密度之间关系》，佟华）那么，只要求出u 和T 的关系，我们就可以同时得到热辐射的物态方程与内能表达式。
热辐射、基尔霍夫定律
热辐射、基尔霍夫定律一、几种不同形式的辐射物体向外辐射将消耗本射的能量。
要长期维持这种辐射，就必须不断从外面补偿能量，否则辐射就会引起物质内部的变化。
在辐射过程中物质内部发生化学变化的，叫做化学发光。
用外来的光或任何其它辐射不断地或预先地照射物质而使之发光的过程叫做光致发光。
由场的作用引起的辐射叫场致发光。
另一种辐射叫做热辐射，这种辐射在量值方面和按波长分布方面都取决全辐射体的温度。
任何温度的物体都发出一定的热辐射。
一物体 500?左右，暗红色。
随温度不断上升，辉光逐渐亮起来，而且波长较短的辐射越来越多。
1500?变成明亮的白炽光。
同一物体在一定温度下所辐射的能量，在不同光谱区域的分布是不均匀的，而且温度越高，光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高。
在一定温度下，不同物体所辐射的光谱成份有显著的不同。
二、辐射出射度和吸收比,,,，d,从上面知道:在单位时间内从物体单位面积向各个方向所发射的，频率在d,d,d,范围内的辐射能量与和T有关，而且足够小时，可认为与成正比 , d,,Ed,,,T,T是和T的函数，叫做该物体在温度T时发射频率为的单色辐射出射度(单色E,,,,T辐出度)。
它的物理意义是从物体表面单位面积发出的，频率在附近的单位频率间隔内的,辐射功率。
它反映了在不同温度下，辐射能量按频率分布的情况。
单位为22W/m,J/m,s从特体表面单位面积上所发出的各种频率的总辐射功率，称为物体的辐射出射度。
用表示: ,(T)0,,,(T),d,,Ed, 0,,T,,T,,00E,(T)只是温度的函数。
和,(T)同表面情况有关。
,,T00另一方面，当辐射照射到某一不透明物体表面时，其中一部分能量将被物体散射或反,，d,d,射，另一部分能量则被物体所吸收。
用表示频率在和范围内照射到温度为,,,T,d,T的物体的单位面积上的辐射能量;表示物体单位面积上所吸收的辐射能量，则 ,,T,d,,,TA, ,,Td,,,T叫做该物体的吸收比。
传热学热辐射基本定律和辐射特性
黑色油漆对可见光吸收比约0.9 。
4.温室效应
暖房： 玻璃和塑料薄膜对λ< 3μm太阳辐射的穿透率很高 对内部的物体热辐射 λ> 3μm常温辐射的穿透率很低
•温室气体：CO2、CFC制冷剂（R12等）对≥3μm的 红外波段吸收率高，而对于太阳辐射穿透率高
光谱辐射力特征： 光谱辐射力随温度升高而增加；
光谱辐射力随波长增加先增后减，具有最大Ebλ 光谱辐射力最大处的波长随温度不同而不同，随温度增加，λmax减小
(2) 维恩位移定律
光谱辐射力最大处的波长λmax与绝对温度T 的乘积为常数。 λmaxT = 2.898×10-3m·K≈ 2.9×10-3m·K =2900μm·K
E
d( )
dA d
E 2 E d
d():面积dA的微元面积，向空间纬度角方向的微 元立体角d内辐射的能量
兰贝特定律—— 黑体按空间方向的分布规律
表述1：黑体辐射的定向辐射强度与方向无关，即半球空间的各方向上的定 向辐射强度相等：
d( ) dAcos d
=I b
const
表述2：黑体单位辐射面积,单位立体角的定向辐射力
说明： （1）工程上遇到温度范围，热射线集中在红外范 围内（ 0.76~20μm ） （2）太阳辐射可见光占44.8%，红外线占45.1%， 紫外线占10.1% （3）常温20℃以下物体辐射几乎在3μm以上的红 外。
➢ 物体表面对热辐射的作用
（1）物体对热辐射的吸收、反射与穿透
根据能量守恒，有以下平衡方程：
微元立体角
d
dAc r2
➢ 黑体的定向辐射强度和定向辐射力：
E
d( )
dA d
实验测定 黑体
Eb,
辐射换热优秀课件
3. 基尔霍夫定律
• 物体吸收辐射能旳能力与发射辐射能旳能力之间旳关系
, ,T , ,T
吸收辐射能旳能力愈强旳物体，发射辐射能旳 能力也就愈强。 在温度相同旳物体中，黑体吸收辐射能旳能力 最强，发射辐射能旳能力也最强。
• 对于漫射体，辐射特征与方向无关，基尔霍夫定律体 现式为
T T
• 立体角
半径r旳球面上面积 A 与球心所相应空间角度
A
r2
立体角旳单位叫球面度，用Sr表达。
半个球面所相应旳立体角为2 Sr。
dA2 rd rsind r 2sindd
d
dA2 r2
sindd
辐射强度
• 单位时间内从单位投影面积（可会面积）所发 出旳包括在单位立体角内旳辐射能。
L , d
Eb
C15
eC2 / T 1
—波长，m；
T—热力学温度，K； C1—普朗克第一常数，C1= 3.743×10-16 Wm2 ; C2—普朗克第二常数， C2 = 1.439×10-2 mK。
黑体旳光谱辐射力
可见光
光谱辐射力随波长和温度旳变化特点：
• 温度愈高，同一波长下旳光谱辐射力愈大； • 在一定旳温度下，黑体旳光谱辐射力随波长连续
对于金属，表面层厚度只有1m旳量级； 对于绝大多数非金属材料，表面层厚度不大于
1mm。
所以，对于固体和液体，能够以为对热辐射旳 透射比为零:
1
为了简化问题，定义某些理想物体。 •镜体（或白体）:
反射比 = 1旳物体
•绝对透明体:
透射比 = 1旳物体。
物体表面对热辐射旳反射 • 镜反射
物体表面粗糙尺度不不小于投射辐射能旳波长. 例如高度抛光旳金属表面
热辐射基本定律和辐射特性
例7-1：试分别计算温度为2000K和5800K的黑
体的最大光谱辐射力所对应的波长m 。
解：按 m T2.910 3m K计算：
当T=2000K时， m2.9 210 0 3K m 0K 01.4 510 6m
当T=5800K时，
m2.9 518 0 3K m 0K 00.510 6m
可见工业上一般高温辐射（2000K内），黑体最大光 谱辐射力的波长位于红外线区段，而太阳辐射 （5800K）对应的最大光谱辐射的波长则位于可见光 区段。
dω为微元立体角
E
d 2Q
ddA
方向辐射力与辐射力之间的关系： E
E d
2
dQ
df
dQλ
r
dφ
dA
dA
（a）微元表面总辐射 （b）微元表面单色辐射
dA
（c）微元表面方向辐射
立体角是用来衡量空间中的面相对于某一点所 张开的空间角度的大小，如图c所示，其定义为：
d df r 2
df为空间中的微元面积，r为该面积与发射点之 间的距离。
普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分
布规律，给出了黑体的单色辐射力与热力学温 度T、波长之间的函数关系，由量子理论得到 的数学表达式为：
Eb
c1
5 ec2 (T )
1
c1为第一辐射常数，c1=3.74210-16W·m2； c2为第二辐射常数，c2=1.4388 10-2m·K
图中给出了在温度为参变量下的单色辐射力随
解：在热平衡条件下，黑体温度与室温相同， 辐射力为：Eb1c01T104 05.67m2W K4217 2 07 04 3K4
45W 9 2 /m
327℃黑体的辐射力为
热传导与热辐射的知识点总结
热传导与热辐射的知识点总结热传导和热辐射是热学领域中重要的基础概念，对于理解和应用于能源转换、材料科学、气候变化等领域具有重要意义。
本文将对热传导和热辐射的知识点进行总结。
一、热传导（Thermal Conduction）热传导是指热量在物质内部传递的过程，当物质的两个不同部分之间存在温度差时，热量会沿着温度梯度从高温区域传递到低温区域。
以下是热传导的几个重要知识点：1. 热传导定律：根据傅立叶热传导定律，热流密度（Q/A）正比于温度梯度（dT/dx）和热导率（k），即Q/A = -k(dT/dx)，其中Q是热量，A是传热面积，x是热传导方向。
2. 热导率（Thermal Conductivity）：热导率是物质对热传导的抵抗能力的度量。
不同物质的热导率不同，对于导热性能好的物质，热量会更快地传导。
热导率与物质本身的性质有关，如材料的密度、组成、结构等。
3. 热阻（Thermal Resistance）：热阻是物质对热传导的阻碍程度的度量。
热阻与热导率成反比，即R = 1/k。
热阻越大，热传导越慢。
在热传导过程中，通过增加热导率或减小热阻，可以提高热传导效率。
4. 热扩散（Thermal Diffusion）：热扩散是物质中热能由高温区向低温区传播的过程。
当物质中各点的温度趋于均衡时，热扩散停止。
热扩散速率与热导率、温度梯度和物质的热容量有关。
二、热辐射（Thermal Radiation）热辐射是热量通过电磁波的形式从物体表面传播的过程。
物体在一定温度下会发射热辐射，其频率与温度有关。
以下是热辐射的几个重要知识点：1. 热辐射定律（Stefan-Boltzmann Law）：根据斯特藩-玻尔兹曼定律，热辐射的能量正比于物体表面的辐射率（ε）、表面积（A）和温度的四次方（T^4），即E = εσAT^4，其中ε为辐射率，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数。
2. 黑体辐射（Blackbody Radiation）：理想黑体是能够完全吸收并发射所有入射辐射的物体。
基尔霍夫定律热辐射定律和绝对黑体
基尔霍夫定律、热辐射定律和绝对黑体的概念一直是热力学和热辐射领域的重要组成部分。
从简单到复杂，从浅入深地探讨这些概念，有助于我们更深入地理解热辐射现象的本质。
在本文中，我将结合基尔霍夫定律、热辐射定律和绝对黑体的概念，探讨它们在热力学和热辐射领域的应用，并共享我的个人观点和理解。
一、基尔霍夫定律基尔霍夫定律是指在任何特定的温度下，黑体对热辐射的辐射率是与其吸收率相等的定律。
这意味着一个黑体对热辐射的吸收与发射是平衡的，不会有多余的热量被吸收或者被辐射出去。
这个定律的提出，为我们理解热辐射的平衡提供了重要的理论基础。
在实际应用中，基尔霍夫定律被广泛用于热辐射能量的计算和热辐射物体的性质分析。
在太阳能利用领域，我们可以利用基尔霍夫定律来计算太阳辐射能够被光伏电池吸收的比例，从而评估太阳能电池的效率。
二、热辐射定律热辐射定律是描述热辐射能量密度与波长、温度之间关系的定律。
根据热辐射定律，我们可以得到黑体辐射能谱的表达式，即普朗克辐射定律和维恩位移定律。
这些定律为我们研究热辐射能谱提供了重要的理论支持。
在科学研究和工程应用中，热辐射定律被广泛用于光谱分析、热辐射源的特性分析以及光谱技术的应用等方面。
在红外光谱仪的设计中，我们可以根据热辐射定律来选择合适的波长范围和温度条件，以提高红外光谱仪的灵敏度和分辨率。
三、绝对黑体绝对黑体是指完全吸收所有辐射能量的物体，不产生反射和透射，并且以辐射的方式发射热能的理想物体。
绝对黑体是热辐射研究中的重要模型，它在热力学和量子力学的发展中发挥了重要作用。
绝对黑体的概念对我们理解热辐射的本质和研究热辐射现象具有重要意义。
在实际应用中，绝对黑体被广泛用于光谱辐射标定、辐射热测温和光谱辐射计量等领域。
在辐射热测温技术中，我们可以利用绝对黑体作为标定源，来确保测温设备的测量精度和准确性。
结语通过对基尔霍夫定律、热辐射定律和绝对黑体的探讨，我们可以更深入地理解热辐射现象的本质和规律。
热辐射基本知识
辐射基本知识文档说明：关于文字颜色代表意义的说明：级别由高到低红－绿－蓝，紫色为说明性的文字。
1热辐射又称红外辐射,物体的红外辐射波长与其自身温度有关,服从维恩定律: λm T =C (1)物体的绝对温度不仅决定了物体辐射的波长,而且也确定了物体的辐射出射度,即决对温度越高,物体的辐射出射度越大(呈指数增大) , 两者之间的关系遵守斯蒂芬—玻尔兹曼定律:W =εδT4 (2)式(1)和式( 2)为红外热像仪主要的物理基础。
2｛以下这段文字可以看成是典型的错误观念，留着作为借鉴：处于平衡状态下的物体入射能量＝反射能量＋透射能量＋物体辐射出的能量。
吸收率＝吸收的能量/入射能量。
对于黑体可以吸收全部的入射能量即入射能量＝吸收能量，吸收率为1而黑体在平衡态时又会把吸收的能量即入射的能量完全发射出去，即发射率为1。
把黑体作为一个基准，可以定义发射率：物体表面的辐射能量与同温度下黑体所发射的辐射能之比。
也可以理解为辐射能量/入射能量（这句话错误，因为这时候黑体温度与物体温度不一定一致，就不符合上面的定义）。
｝正确的认识：（1）辐射和发射与吸收、反射和透射三者是有本质区别的。
辐射和发射是描述物体向外发射能量的能力的；而吸收、反射和透射是描述外界辐射过来的能量到了物体的表面和内部后如何分配的。
（2）辐射和发射。
*任何物体都有向外辐射的能力，理想情况下，这个能力只与物体的温度有关系――即相同温度下任何物体的发射能力是相同的。
*但实际上因材料不同，不同的物质发射的能力是不同的，黑体的发射能力最强。
*为了描述物体的发射能力，通常以黑体的辐射能力为基本，其它物体的发射能力与黑体的发射能力之比定义为改物质的发射系数（*也可以理解为，为表征其它物体的发射能力，定义黑体的辐射能力为1，其他物体的发射能力就是改物体的发射能力与黑体的发射能力之比，这个比例系数即是改物体的发射系数）。
（3）吸收、反射和透射。
能量辐射到物体上以后被分配了几种途径，即反射部分、透射部分和吸收部分。