第8章热辐射的基本定律

d
2016/4/28
dA2
r
2
sin dd
2、定向辐射强度(Intensity of radiation) ：
目的：辐射能按方向分布 比较基础：相同的立体角 相同的可见表面积
定义：在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见 辐射面积、单位立体角内所发射全部波长的能量。用 Iθ表示，单位： W/(m2Sr) d ( , ) d ( , ) 2 I W/(m sr ) ' dA d dAcos d
律； 在某一波长上，黑体光谱辐射力会达到一 个峰值，对应波长称为峰值波长； 曲线与横坐标围成的面积表示黑体辐射力 的大小； λm与T 的关系由Wien位移定律给出：
mT 2897 .6m K
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二.Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：
针对黑体发射的能量对半球空间所有方
三、定向辐射强度和定向辐射力
1、 立体角
平面角如图，s为弧长，r为半径。=s/r （rad） 立体角如图，一个半球，在球面上取一个小面 积，在这个面积周边向球心做射线，则这些射线所 包围的空间即为立体角。立体角的度量用球面度。 s
θ r
平面角定义图
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即： A2 r 半圆： 半球：
向及全部波长范围而言； 描述黑体辐射力Eb随T的变化规律； 依据：1879年，Stefan实验； 1884年，Boltzmann热力学理论； 现可直接由Plank定律导出。
σbT 4 W/m2
式中，ςb= 5.67×10-8 w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。
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漫辐射表面定向辐射力与辐射强度间关系
Eθ I θ cosθ I n cosθ E n cosθ
表明： 单位辐射面积上发出的辐射能落到空间不同 方向单位立体角内的能量是不等的，其值正 比于该方向与辐射面法线夹角的余弦； 法线方向的定向辐射力最大，切线方向最小， 但其定向辐射强度却相同； 除黑体外，只有漫辐射表面才遵守兰贝特定 律。
黑体辐射函数
见表8-1
Eb(λ1 λ2 ) Eb (Fb( 0 λ2T) Fb( 0 λ1T) )
例8-2；8-3
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例题：
试分别计算温度为1000K、1400K、3000K、6000K时 可见光和红外辐射在黑体总辐射中所占的份额。
温 度 K 1000 1400 3000 6000 所 占 分 额 可 见 光 红 外 线 <0.1 >99.9 0.12 99.88 11.4 88.5 45.5 43.0
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2、特点：
不依赖物体的接触而进行热量传递，可以
在真空中传播； 伴随能量形式的两次转变： • 发射：内能→电磁波 • 吸收：电磁波→内能 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地 向周围空间发出热辐射；
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二、物体对热辐射的吸收、反射和穿透
体的发射与吸收特性）； • 以能量守恒为基础的宏观方法（主要用于辐射换 热计算）。
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分析上图：
热辐射的主要波谱：0.1～100μm
热效应显著，称为热射线，包括可见光线、部 分红外和紫外线； 可见光：0.38～0.76μm 紫外、伦琴射线：λ<0.38μm 红外线：0.76～100μm 地球上大部分物体<2000K，大部分能量在 0.76～20μm，可见光段内热辐射比重不大； 太阳：5762K，主要能量集中在0.2～2μm，可 见光段内热辐射很大比重。
导热部分
主要内容： • 理论基础 • 稳态导热 • 非稳态导热 • 导热数值解基础 导热问题的求解目标和思路：
问题分析——建立物理模型——建立数 学模型——求解 主要任务： 求解温度场和热流场
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对流换热部分
主要内容：
• 对流换热分析（分析法、类比法、实验法） • 单相流体对流换热 • 凝结与沸腾换热 基本定律： 牛顿冷却定律 主要任务： 求解表面换热系数h及换热量 重点：准则关联式的应用
辐射与颜色的关系： 夏天穿白色衣服凉快，因为我们吸收的是太阳 辐射(0.2-2 m)可见光占比例很大。 地球上物体的辐射不同，因温度低（2000K以 下） ，多与颜色无关。
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三. Lambert 定律(黑体辐射的第三个基本定律)
描述黑体辐射能量沿半球空间方向的变化规律； 漫表面：既是漫辐射又是漫反射。
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2、理想辐射模型：
黑体： 镜体或白体： 透明体：
1 1 1
黑体不是黑色物体； 黑体，镜体和透明体并不存在。
人工可以制造十分接近黑体(内表 面6%的小孔，α≈0.996)的模型。 黑体如同不可压流体、可逆循环 等一样，是一种理想化的研究方 法。
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I Eb
A2 求得G
粒子热运动和宏观运动实现； • 热辐射中，能量的传递依靠电磁波传递实现， 并伴随有能量形式的转化；
研究方法不同：
电磁辐射的物理基础→热辐射的基本定 律→理想物体和实际物体的辐射特性→物 体间辐射换热量计算
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第一节 基本概念
一. 热辐射的本质和特点 1、定义和本质： 辐射：以电磁波传递能量的过程。 热辐射：由于自身温度或热的原因而发生的电磁波 传递。 热辐射是电磁波，它就由一般电磁波的共性，即 它是以光速在空间传播的。有下列关系成立：
其中：
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dA dAcos 为可见辐射面积。
'
光谱定向辐射强度：
指在某给定方向上，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、单位立体角所发射 的能量，称为光谱定向辐射强度（单色定向辐射强度） ，符号为Iλ，θ单位为W/(m2μm Sr )。
I , I
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，如图所示。
G G G G
G G G 1 G G G 1
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1、吸收比、反射比和穿透比
α称为物体的吸收比，表示投射的总能量中被
吸收的能量所占份额； ρ称为物体的反射比，表示被反射的能量所占 份额； σ 称为物体的穿透比，表示被透射的能量所 占份额； 如果投射能量是某一波长下的辐射能，上述关 系同样适用； α、 ρ、 σ是物体表面的辐射特性，和物体 的性质、温度及表面状况有关。
地板辐射采暖
辐射应用实例
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辐射应用实例
太阳能的利用主要有两大方向：转化为热能和转 化为电能。
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伦敦“零碳馆”
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辐射应用实例
辐射干燥机
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热辐射与导热、对流换热的区别
机理上本质不同：
• 在导热与对流过程中，能量传递依靠介质微观
• 漫辐射：物体发射的辐射强度与方向无关的性
质； • 漫反射：反射的辐射强度与方向无关的性质； • 漫表面的性质：发射和反射辐射强度与方向无 关； Lambert 定律：I 1 I 2 K I n 表明：黑体表面具有漫辐射性质，在半球空间各个 方向上的辐射强度相等。Iθ与方向无关。
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对于大多数的固体和液体： 0, 1
分析： 1)热射线的吸收和反射几乎都在表面进行。 2)物体全波长特性参数与投射过来的辐射能波长分布有关； 3)就工程材料而言，善于吸收的表面，就不善于反射。
对于纯气体（不含颗粒）： 0, 1
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dI d

I d ,
0
3、辐射力
定向辐射力Eθ ：在某给定方向上，单位辐射面积、 在单位立体角内所发射全波长的能量，称为定向辐 射力，符号为Eθ，单位为W/(m2sr)。
d( , ) E dAd
定向辐射力与定向辐射强度关系：
E I cos
d( ) I dAd cos
人与暖气的距离不变时，dω=const， dA=const，Iθ=const，角度不同，cosθ 不同，当θ=0时，辐射面获得的能量最多。 故Iθ与方向无关，而dΦ（θ）与方向有关。
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例题8-4
思路分析：A1→A2辐射，求投入辐射能。
G ( ) I A1 cos
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辐射力E与定向辐射强度的关系
漫辐射表面的辐射力是任意方向定向辐射强度的π倍。
该定律描述了黑体及漫辐射表面定向辐射力按空间 方向的分布变化规律。
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思考题
暖气取暖时与方向有关，太阳辐射与方向
有关，是否与Lambert’s Law 相矛定向辐射强度定义变形得辐射能：
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第八章 热辐射的基本定律
Basic Law of Thermal Radiation
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传热学 李琼
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辐射应用实例
相同室温，冬夏穿 着不同。
深秋，树叶向上 一面结霜。
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辐射应用实例
锅 炉 炉 膛 火 焰 与 水 冷 壁 辐 射 换 热
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黑体辐射函数（计算某一波段的辐射能）
黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力，如 图所示：
Eb Eb d
1
2
特定波长区段内的黑体辐射力
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黑体辐射函数：黑体在0～λ波长范围内的辐射能 在其辐射力中所占的份额。 E b d 1 0 Fb( 0 T ) E b d f (T ) 4 0 bT E d 0 b 某一波段内辐射能份额：