第6章 熱輻射基礎(chǔ)(船海)

1、2022-3-716-1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念 6-2 黑體輻射和吸收的基本性質(zhì)黑體輻射和吸收的基本性質(zhì) 6-3 實(shí)際物體的輻射和吸收實(shí)際物體的輻射和吸收 2022-3-72熱輻射在機(jī)理上與導(dǎo)熱、對(duì)流有根本不同。熱輻射在機(jī)理上與導(dǎo)熱、對(duì)流有根本不同。導(dǎo)熱與對(duì)流是由于物質(zhì)微觀粒子的熱運(yùn)量導(dǎo)熱與對(duì)流是由于物質(zhì)微觀粒子的熱運(yùn)量和物體的宏觀運(yùn)動(dòng)所造成的能量轉(zhuǎn)移。和物體的宏觀運(yùn)動(dòng)所造成的能量轉(zhuǎn)移。熱輻射是由于物質(zhì)的熱輻射是由于物質(zhì)的電磁運(yùn)動(dòng)電磁運(yùn)動(dòng)所引起的能所引起的能量的傳遞。（分子和原子振動(dòng)的結(jié)果。）量的傳遞。（分子和原子振動(dòng)的結(jié)果。）輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象

2、。電磁輻射的波長(zhǎng)范圍很廣，從長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米電磁輻射的波長(zhǎng)范圍很廣，從長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米的無(wú)線電波到小于的無(wú)線電波到小于1010-14-14米的宇宙射線。米的宇宙射線。2022-3-73由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁輻射稱為由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁輻射稱為熱輻射熱輻射。熱輻射為熱輻射為 之間的波長(zhǎng)部分。之間的波長(zhǎng)部分。131 101 10m電磁波的波譜電磁波的波譜工業(yè)溫度一般在工業(yè)溫度一般在2000K以內(nèi)，最感興趣的是波以內(nèi)，最感興趣的是波長(zhǎng)約從長(zhǎng)約從0.38m到到0.76m的可見光的可見光和波長(zhǎng)從可和波長(zhǎng)從可見光譜的紅端之外延伸到見光譜的紅端之外延伸到1000m的紅外線。的紅外線。2022-3-74只要物體的溫

3、度高于只要物體的溫度高于0K，物體總是不斷地把，物體總是不斷地把熱能變化輻射能，向外發(fā)出熱輻射。同時(shí)，物熱能變化輻射能，向外發(fā)出熱輻射。同時(shí)，物體也不斷地吸收周圍物體投射到它上面的熱輻體也不斷地吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射，并把吸收的輻射能重新轉(zhuǎn)變成熱能。射，并把吸收的輻射能重新轉(zhuǎn)變成熱能。輻射輻射換熱換熱就是指物體之間相互輻射和吸收的總效果。就是指物體之間相互輻射和吸收的總效果。一個(gè)物體如果與另一個(gè)物體相互能夠看得見，一個(gè)物體如果與另一個(gè)物體相互能夠看得見，那么它們之間就會(huì)發(fā)生輻射熱交換。那么它們之間就會(huì)發(fā)生輻射熱交換。 而交換而交換的輻射換熱量不僅與兩個(gè)物體的溫度有關(guān)，而的輻射換熱量不

4、僅與兩個(gè)物體的溫度有關(guān)，而且與物體的形狀大小和相互位置有關(guān)，同時(shí)還且與物體的形狀大小和相互位置有關(guān)，同時(shí)還與物體所處環(huán)境密切相關(guān)。與物體所處環(huán)境密切相關(guān)。2022-3-75當(dāng)熱輻射的能量投射到物體表面上時(shí)，會(huì)發(fā)生當(dāng)熱輻射的能量投射到物體表面上時(shí)，會(huì)發(fā)生吸收吸收、反射反射和和穿透穿透現(xiàn)象。若外界單位時(shí)間投射現(xiàn)象。若外界單位時(shí)間投射到單位物體表面上的總能量為到單位物體表面上的總能量為G（即（即投入輻投入輻射射），被物體吸收部分為），被物體吸收部分為G ，被物體反射部分，被物體反射部分為為G ，穿透物體部分為，穿透物體部分為G 。按能量守恒定律有：。按能量守恒定律有： G GG G G G GGGG

5、或或1GGGGGGG2022-3-76各部分百分?jǐn)?shù)各部分百分?jǐn)?shù)G /G 、 G /G 、G /G 分別稱為該分別稱為該物體對(duì)投入輻射的物體對(duì)投入輻射的吸收比吸收比 、反射比反射比 和和透射比透射比 ，于是，于是1（1）對(duì)于固體和液體：）對(duì)于固體和液體：當(dāng)熱輻射投射到固體當(dāng)熱輻射投射到固體或液體表面時(shí)，一部分被反射，其余部分在很或液體表面時(shí)，一部分被反射，其余部分在很薄的表面層內(nèi)就吸收完了，所以可以把它們的薄的表面層內(nèi)就吸收完了，所以可以把它們的吸收和反射視為一個(gè)表面過(guò)程，因此吸收和反射視為一個(gè)表面過(guò)程，因此固體和液固體和液體的熱輻射是表面輻射體的熱輻射是表面輻射。 由于熱射線不能穿過(guò)由于熱射線

6、不能穿過(guò)固體和液體，因此可認(rèn)為固體和液體，因此可認(rèn)為透射比透射比 =0。1固、液體：固、液體：吸收能力大的物體其反射本領(lǐng)就小吸收能力大的物體其反射本領(lǐng)就小。 （2）對(duì)于氣體：）對(duì)于氣體：當(dāng)熱輻射投射到氣體時(shí)，當(dāng)熱輻射投射到氣體時(shí)，氣氣體對(duì)輻射能幾乎沒有反射能力，可認(rèn)為體對(duì)輻射能幾乎沒有反射能力，可認(rèn)為反射反射比比 =0。氣體對(duì)熱射線的吸收和穿透是在空間氣體對(duì)熱射線的吸收和穿透是在空間中進(jìn)行的，其自身的輻射也是在空間中完成中進(jìn)行的，其自身的輻射也是在空間中完成的。因此的。因此氣體的熱輻射是容積輻射氣體的熱輻射是容積輻射，其表面，其表面狀況則無(wú)關(guān)緊要。狀況則無(wú)關(guān)緊要。 12022-3-78由于不同

7、物體的吸收比、反射比和透射比因具由于不同物體的吸收比、反射比和透射比因具體條件不同差別很大，給熱輻射的計(jì)算帶來(lái)很體條件不同差別很大，給熱輻射的計(jì)算帶來(lái)很大困難。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，定義一些理想物體：大困難。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，定義一些理想物體：透射比透射比= 1的物體稱為的物體稱為透明體透明體。實(shí)際中完全。實(shí)際中完全的透明體是不存在的，但在一定條件下，如玻的透明體是不存在的，但在一定條件下，如玻璃材料對(duì)于可見光，或空氣對(duì)于紅外線，都可璃材料對(duì)于可見光，或空氣對(duì)于紅外線，都可視為透明體。視為透明體。反射比反射比= 1物體稱為物體稱為白體白體（具有漫反射的表（具有漫反射的表面）或面）或鏡體鏡體（具有鏡反射的表

8、面）。（具有鏡反射的表面）。物體表面是漫反射還是鏡反射，這要物體表面是漫反射還是鏡反射，這要取決于物取決于物體表面相對(duì)于輻射波長(zhǎng)的表面粗糙程度體表面相對(duì)于輻射波長(zhǎng)的表面粗糙程度。2022-3-79當(dāng)表面的不平整尺寸當(dāng)表面的不平整尺寸遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于投投入輻射的波長(zhǎng)時(shí)，形成入輻射的波長(zhǎng)時(shí)，形成鏡面反射鏡面反射，此時(shí)入射角等于反射角。此時(shí)入射角等于反射角。鏡反射表鏡反射表面的自身輻射也是鏡發(fā)射的面的自身輻射也是鏡發(fā)射的。高度。高度磨光的金屬板會(huì)形成鏡反射。磨光的金屬板會(huì)形成鏡反射。當(dāng)表面的不平整尺寸與投入輻當(dāng)表面的不平整尺寸與投入輻射的波長(zhǎng)射的波長(zhǎng)同一量級(jí)同一量級(jí)時(shí)，形成時(shí)，形成漫反射漫反射。這時(shí)從某

9、一方向投射到物體表面上這時(shí)從某一方向投射到物體表面上的輻射向空間各方向反射出去。的輻射向空間各方向反射出去。漫漫反射表面的自身輻射也是漫發(fā)射的反射表面的自身輻射也是漫發(fā)射的。 1 2 1= 2對(duì)全波長(zhǎng)范圍的熱輻射能完全鏡反射或漫對(duì)全波長(zhǎng)范圍的熱輻射能完全鏡反射或漫反射的實(shí)際物體不存在，絕大多數(shù)材料在工業(yè)反射的實(shí)際物體不存在，絕大多數(shù)材料在工業(yè)溫度范圍（溫度范圍（2000K）內(nèi)可近似于漫反射。）內(nèi)可近似于漫反射。2022-3-710吸收比吸收比 = 1的物體，稱為的物體，稱為絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱黑黑體體。黑體將所有投射在它上面的。黑體將所有投射在它上面的一切波長(zhǎng)一切波長(zhǎng)和和所所有方向有方

10、向上的輻射能上的輻射能全部吸收全部吸收，在所有物體之中，在所有物體之中，它它吸收熱輻射的能力最強(qiáng)吸收熱輻射的能力最強(qiáng)。黑體可以用來(lái)作為。黑體可以用來(lái)作為比較實(shí)際物體發(fā)射輻射能的標(biāo)準(zhǔn)。處理實(shí)際物比較實(shí)際物體發(fā)射輻射能的標(biāo)準(zhǔn)。處理實(shí)際物體輻射問(wèn)題的體輻射問(wèn)題的思路思路就是：在研究黑體輻射的基就是：在研究黑體輻射的基礎(chǔ)上，將實(shí)際物體的輻射與黑體輻射相比較，礎(chǔ)上，將實(shí)際物體的輻射與黑體輻射相比較，從中找出其與黑體輻射的偏離，然后確定必要從中找出其與黑體輻射的偏離，然后確定必要的修正系數(shù)。的修正系數(shù)。2022-3-711盡管自然界并不存在黑體，用人盡管自然界并不存在黑體，用人工方法可以制造出十分接近于黑

11、體的工方法可以制造出十分接近于黑體的模型：選用吸收比小于模型：選用吸收比小于1的材料制造的材料制造一個(gè)空腔，并在空腔壁面上開一個(gè)小一個(gè)空腔，并在空腔壁面上開一個(gè)小孔，再設(shè)法使空腔壁面保持均勻的溫孔，再設(shè)法使空腔壁面保持均勻的溫度。這時(shí)空腔上的小孔就具有黑體輻度。這時(shí)空腔上的小孔就具有黑體輻射特性：進(jìn)入小孔的熱射線，經(jīng)過(guò)多射特性：進(jìn)入小孔的熱射線，經(jīng)過(guò)多次的吸收和反射，只有極小量的熱射次的吸收和反射，只有極小量的熱射線能夠從開孔處出來(lái)，線能夠從開孔處出來(lái)，相當(dāng)于小孔的相當(dāng)于小孔的吸收比接近于吸收比接近于1，即接近黑體，即接近黑體。根據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，若小孔占內(nèi)壁面積小于實(shí)驗(yàn)表明，若小孔占內(nèi)壁面積

12、小于0.6%，當(dāng)內(nèi)壁吸收比為，當(dāng)內(nèi)壁吸收比為0.6時(shí)，小孔時(shí)，小孔的吸收比可大于的吸收比可大于0.996。 2022-3-7121 輻射力輻射力 總輻射力總輻射力E輻射力也稱全色輻射力，其定義為輻射力也稱全色輻射力，其定義為單位時(shí)間單單位時(shí)間單位輻射面積向半球空間一切方向輻射出去的一位輻射面積向半球空間一切方向輻射出去的一切波長(zhǎng)的輻射能量。切波長(zhǎng)的輻射能量。記為記為E（ W/m2 ），表征），表征了了物體發(fā)射能力的大小物體發(fā)射能力的大小。dAdQE dQ為微元面積為微元面積dA向半球空間輻射出去的總輻向半球空間輻射出去的總輻射能。射能。2022-3-713 單色輻射力單色輻射力 單色輻射力定義

13、為單色輻射力定義為單位時(shí)間單位輻射面積向半單位時(shí)間單位輻射面積向半球空間一切方向輻射出去的球空間一切方向輻射出去的某一波長(zhǎng)范圍某一波長(zhǎng)范圍的輻的輻射能量射能量，記為，記為E（ W/m3 ），表征了物體發(fā)射），表征了物體發(fā)射某一波長(zhǎng)輻射能力的大小，用來(lái)描述某一波長(zhǎng)輻射能力的大小，用來(lái)描述輻射能量輻射能量隨波長(zhǎng)的分布特征隨波長(zhǎng)的分布特征。 dQ為微元面積為微元面積dA向半球空間輻射出去的某向半球空間輻射出去的某一波長(zhǎng)的輻射能；一波長(zhǎng)的輻射能；為熱射線的波長(zhǎng)，單位為為熱射線的波長(zhǎng)，單位為m。dAdQddAdQE2輻射力和單色輻射力之間的關(guān)系輻射力和單色輻射力之間的關(guān)系 :0dEE2022-3-714

14、 方向輻射力方向輻射力 方向輻射力定義為方向輻射力定義為單位時(shí)間單位輻射面積向半單位時(shí)間單位輻射面積向半球空間中球空間中某一個(gè)方向某一個(gè)方向上單位立體角內(nèi)輻射的所上單位立體角內(nèi)輻射的所有波長(zhǎng)的輻射能量。有波長(zhǎng)的輻射能量。記為記為E（W/(m2sr) ），表），表征了征了物體表面輻射能量在半球空間中的分布特物體表面輻射能量在半球空間中的分布特征征。為微元立體角。為微元立體角。2d QEddAd立體角的概念：立體角的概念：以立體角的頂點(diǎn)為中心作一半徑為以立體角的頂點(diǎn)為中心作一半徑為r的半球，將的半球，將半球表面上被立體角所切割的面積半球表面上被立體角所切割的面積f 除以除以r2，即，即得到立體角的

15、量度，用得到立體角的量度，用 表示，表示，單位是球面度單位是球面度sr。立體角是用來(lái)衡量空間中的面相對(duì)于某一。立體角是用來(lái)衡量空間中的面相對(duì)于某一點(diǎn)所張開的空間角度的大小。點(diǎn)所張開的空間角度的大小。2ddf rdf為空間中的微元面積；為空間中的微元面積；r為該面積與發(fā)射點(diǎn)之間為該面積與發(fā)射點(diǎn)之間的距離。的距離。2022-3-716輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度 由于處于不同的空間位置所能看見的輻射面積由于處于不同的空間位置所能看見的輻射面積是變化的，即在任意方向是變化的，即在任意方向看到的輻射面積為看到的輻射面積為 ，也就是隨著也就是隨著角的增大，輻射面積角的增大，輻射面積在該方向上的可見面積（投影面積）就

16、越小。在該方向上的可見面積（投影面積）就越小。dAcosdAnd輻射強(qiáng)度的定義圖輻射強(qiáng)度的定義圖定向輻射強(qiáng)度：定向輻射強(qiáng)度：用以用以表示單表示單位時(shí)間在某一輻射方向上的位時(shí)間在某一輻射方向上的單位單位可見可見輻射面積輻射面積向該方向向該方向單位立體角內(nèi)輻射的所有波單位立體角內(nèi)輻射的所有波長(zhǎng)的輻射能長(zhǎng)的輻射能，稱為該方向上，稱為該方向上的輻射強(qiáng)度，用符號(hào)的輻射強(qiáng)度，用符號(hào)I 表示。表示。cosdA2022-3-7172coscoscosEdEd QIddAd 輻射強(qiáng)度與方向輻射力的關(guān)系輻射強(qiáng)度與方向輻射力的關(guān)系 :與輻射力之間的關(guān)系與輻射力之間的關(guān)系 : 2020sincosddIE單位為單位為

17、W/(m2sr)，表征的是，表征的是空間中任意位置的空間中任意位置的輻射能的強(qiáng)度（能流密度）。輻射能的強(qiáng)度（能流密度）。式中式中 為為給定方向上的可見輻射面積，也就是垂直于該給定方向上的可見輻射面積，也就是垂直于該方向的流通面積。方向的流通面積。 cosdAcosIE2022-3-7182 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律 普朗克定律普朗克定律普朗克定律表示的是普朗克定律表示的是黑體的輻射能按波長(zhǎng)的黑體的輻射能按波長(zhǎng)的分布規(guī)律分布規(guī)律，給出了黑體的單色輻射力，給出了黑體的單色輻射力Eb與熱與熱力學(xué)溫度力學(xué)溫度T、波長(zhǎng)、波長(zhǎng) 之間的函數(shù)關(guān)系，由量子之間的函數(shù)關(guān)系，由量子理論得到的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

18、：理論得到的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：c1為普朗克第一常數(shù)，為普朗克第一常數(shù)，c1=3.743 10-16Wm2；c2為普朗克第二常數(shù)，為普朗克第二常數(shù)，c2=1.4387 10-2mK251()1bcTcEe為波長(zhǎng)，單位為波長(zhǎng)，單位mT為黑體的為黑體的絕對(duì)溫度絕對(duì)溫度，單位，單位K圖中給出了根據(jù)普朗克定律繪制的不同溫度下圖中給出了根據(jù)普朗克定律繪制的不同溫度下黑體單色輻射力隨波長(zhǎng)變化的一組曲線。黑體單色輻射力隨波長(zhǎng)變化的一組曲線。每條每條曲線下的面積表示相應(yīng)溫度下黑體的輻射力。曲線下的面積表示相應(yīng)溫度下黑體的輻射力?？梢娫诳梢娫谝欢囟认乱欢囟认?，黑體單色輻射力存在峰值。，黑體單色輻射力存在峰值。對(duì)于

19、對(duì)于不同溫度不同溫度，對(duì)應(yīng)的最大單色對(duì)應(yīng)的最大單色輻射力的波長(zhǎng)輻射力的波長(zhǎng)maxmax是不同的。是不同的。隨溫度的增加，隨溫度的增加，總輻射力迅速增總輻射力迅速增加。加。2022-3-720隨著溫度的升高隨著溫度的升高，曲線的峰值向左移動(dòng)，相當(dāng)，曲線的峰值向左移動(dòng)，相當(dāng)于黑體輻射能的分布在于黑體輻射能的分布在向波長(zhǎng)短的方向集中向波長(zhǎng)短的方向集中，也就是高溫輻射中短波熱射線含量大而長(zhǎng)波熱也就是高溫輻射中短波熱射線含量大而長(zhǎng)波熱射線含量相對(duì)少。射線含量相對(duì)少。 維恩位移定律維恩位移定律 Eb 最 大 處 的 波 長(zhǎng)最 大 處 的 波 長(zhǎng) max隨溫度不同而變隨溫度不同而變化。化。維恩位移定律：維恩

20、位移定律：32.8976 10 m KmaxT可見可見 max與與T成反比成反比2022-3-721在加熱金屬時(shí)可以觀察到：當(dāng)金屬在加熱金屬時(shí)可以觀察到：當(dāng)金屬溫度低于溫度低于500500時(shí)，由于實(shí)際上沒有可時(shí)，由于實(shí)際上沒有可見光輻射，不能察覺到金屬顏色的變化，見光輻射，不能察覺到金屬顏色的變化，隨著溫度不斷升高，鐵塊的顏色相繼出隨著溫度不斷升高，鐵塊的顏色相繼出現(xiàn)暗紅、鮮紅、橘黃等顏色，最終將出現(xiàn)暗紅、鮮紅、橘黃等顏色，最終將出現(xiàn)白熾。這是由于現(xiàn)白熾。這是由于隨著溫度的升高，熱隨著溫度的升高，熱輻射中的可見光及可見光中的短波比例輻射中的可見光及可見光中的短波比例逐漸增大逐漸增大的緣故。的緣

21、故。2022-3-723例：試分別計(jì)算溫度為例：試分別計(jì)算溫度為2000K和和5800K的黑的黑體的最大光譜輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)體的最大光譜輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) max 。解：解：按按 計(jì)算：計(jì)算：3max2.897610 m KTT=2000K時(shí)，時(shí)， 36max2.8976 10 m K1.45 10 m2000KT=5800K時(shí)，時(shí)， 36max2.8976 10 m K0.5 10 m5800K可見工業(yè)上一般高溫輻射（可見工業(yè)上一般高溫輻射（2000K內(nèi)），黑體內(nèi)），黑體最大光譜輻射力的波長(zhǎng)位于紅外線區(qū)段，而最大光譜輻射力的波長(zhǎng)位于紅外線區(qū)段，而太陽(yáng)輻射（太陽(yáng)輻射（5800K）對(duì)應(yīng)的最大光

22、譜輻射的波）對(duì)應(yīng)的最大光譜輻射的波長(zhǎng)則位于可見光區(qū)段。長(zhǎng)則位于可見光區(qū)段。2022-3-724 斯蒂芬波爾茲曼定律斯蒂芬波爾茲曼定律 在黑體輻射的研究中，斯蒂芬于在黑體輻射的研究中，斯蒂芬于1879年由實(shí)年由實(shí)驗(yàn)確定驗(yàn)確定黑體的輻射力黑體的輻射力與與熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度之間的關(guān)之間的關(guān)系，其后由波爾茲曼于系，其后由波爾茲曼于1884年從熱力學(xué)關(guān)系年從熱力學(xué)關(guān)系式導(dǎo)出。式導(dǎo)出。 Eb為黑體的輻射力（為黑體的輻射力（W/m2）；）；T為黑體的為黑體的絕對(duì)絕對(duì)溫度溫度（K）；）；0為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，其為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，其值為值為5.6710-8W/(m2K4)。400/510b12TdeCd

23、EETCb2022-3-725例：例：一黑體置于室溫為一黑體置于室溫為27的廠房中，試求的廠房中，試求在熱平衡條件下黑體表面的輻射力。如果將在熱平衡條件下黑體表面的輻射力。如果將黑體加熱到黑體加熱到827，它的輻射力又是多少？，它的輻射力又是多少？解：解：在熱平衡條件下，黑體溫度與室溫相同，在熱平衡條件下，黑體溫度與室溫相同，輻射力為：輻射力為：444211024W272735.67K459W/m100mK100bTEc827黑體的輻射力為黑體的輻射力為444222024W8272735.67K83014W/m100mK100bTEc其輻射力增加了其輻射力增加了180倍，可見隨著溫度的增倍，可

24、見隨著溫度的增加，輻射將成為主要的換熱方式。加，輻射將成為主要的換熱方式。2022-3-726蘭貝特定律蘭貝特定律 （Lambert）黑體在任意方向上的輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)黑體在任意方向上的輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，即，即黑體輻射的輻射強(qiáng)度在半球空間各個(gè)方向上是黑體輻射的輻射強(qiáng)度在半球空間各個(gè)方向上是相同的，均等于它在法線方向上的方向輻射力：相同的，均等于它在法線方向上的方向輻射力： 0cosbbbEIEconst即單位輻射面積發(fā)出的輻射能，落到空間不同即單位輻射面積發(fā)出的輻射能，落到空間不同方向單位立體角的能量的數(shù)值不相等，其值正方向單位立體角的能量的數(shù)值不相等，其值正比于該方向與輻射面法線方向夾角

25、的余弦。所比于該方向與輻射面法線方向夾角的余弦。所以蘭貝特定律又稱以蘭貝特定律又稱余弦定律余弦定律。2022-3-7272200cossinEId d 因此，對(duì)遵守蘭貝特定律的輻射，因此，對(duì)遵守蘭貝特定律的輻射，輻射力在輻射力在數(shù)值上等于輻射強(qiáng)度的數(shù)值上等于輻射強(qiáng)度的 倍倍。黑體的輻射強(qiáng)黑體的輻射強(qiáng)度是熱力學(xué)溫度的函數(shù)度是熱力學(xué)溫度的函數(shù)。黑體輻射強(qiáng)度與輻射力的關(guān)系：黑體輻射強(qiáng)度與輻射力的關(guān)系：2200=cossinbbbEId dI 0cosbbbEIEconst2022-3-728例：如圖所示的真空輻射爐，球心處有一黑例：如圖所示的真空輻射爐，球心處有一黑體加熱元件，試比較體加熱元件，試比

26、較a、b、c三處定向輻射強(qiáng)三處定向輻射強(qiáng)度的大小、輻射能量的大小。假設(shè)度的大小、輻射能量的大小。假設(shè)a、b、c處處對(duì)球心所張立體角相同。對(duì)球心所張立體角相同。 解：解：由黑體輻射的蘭貝特定由黑體輻射的蘭貝特定律知，定向輻射強(qiáng)度律知，定向輻射強(qiáng)度 與與方向無(wú)關(guān)，為定值。三處對(duì)方向無(wú)關(guān)，為定值。三處對(duì)球心立體角相同，但與法線球心立體角相同，但與法線方向夾角不同，方向夾角不同， ，所，所以以a處輻射能量最大。處輻射能量最大。bIcosbbEIcoscoscosabc2022-3-729波段輻射與輻射函數(shù)波段輻射與輻射函數(shù) 在工程上和其它許多實(shí)際問(wèn)題中往往需要計(jì)在工程上和其它許多實(shí)際問(wèn)題中往往需要計(jì)算

27、一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)黑體輻射的能量，也就是算一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)黑體輻射的能量，也就是波段輻射力。波段輻射力。 黑體在波長(zhǎng)黑體在波長(zhǎng)1 1至至2 2區(qū)段區(qū)段所發(fā)射出的輻射能為：所發(fā)射出的輻射能為：dEEbb21Eb02 21 1一定波長(zhǎng)范圍黑體的輻射力一定波長(zhǎng)范圍黑體的輻射力亦可寫為亦可寫為: dEdEEbbb12002022-3-730211221()4000(0)(0)1 bbbbbbbEFE dE dETFFEb02 21 1一定波長(zhǎng)范圍黑體的輻射力一定波長(zhǎng)范圍黑體的輻射力Eb即為溫度曲線在即為溫度曲線在1至至2之間所包含的之間所包含的面積面積。寫出無(wú)量綱形式，即為寫出無(wú)量綱形式，即為波段輻射函數(shù)波

28、段輻射函數(shù)。400bbEE dT是是同溫度下黑體輻射力同溫度下黑體輻射力； (0)bF表示表示波長(zhǎng)從波長(zhǎng)從0 0到到的的波段輻射函數(shù)波段輻射函數(shù)。12()bF表示波長(zhǎng)在表示波長(zhǎng)在1 1至至2 2之間的之間的波段輻射力波段輻射力占總輻射力的份額占總輻射力的份額。 2022-3-731)()(10504)0(TfTdTEdETFbbbf( T)稱為稱為黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù)，函數(shù)數(shù)值見表，函數(shù)數(shù)值見表6-1。將上式改寫成以將上式改寫成以 T 為自變量的波段輻射函數(shù)：為自變量的波段輻射函數(shù)：1221()(0)(0)bTTbTbTFFF例：試計(jì)算溫度為例：試計(jì)算溫度為3000K和和5762K（太陽(yáng)表

29、面（太陽(yáng)表面溫度）時(shí)可見光在黑體總輻射中所占份額。溫度）時(shí)可見光在黑體總輻射中所占份額。解：可見光的波長(zhǎng)范圍為解：可見光的波長(zhǎng)范圍為0.380.76m。即即1=0.38m， 2=0.76mT1=3000K： 1T1=1140mK， 2T1=2280mK由表由表6-1查得，查得，可見光所占比例為：可見光所占比例為：12(0)(0)0.14%,11.69%bbFF1221()(0)(0)11.55%bbbFFFT2=5762K： 1T2=2190mK， 2T2=4380mK由表由表6-1查得，查得，可見光所占比例為：可見光所占比例為：12(0)(0)9.94%,54.59%bbFF1221()(0

30、)(0)44.65%bbbFFF可見，太陽(yáng)輻射中可見光所占的比例很大?？梢?，太陽(yáng)輻射中可見光所占的比例很大。黑體輻射規(guī)律小結(jié)：黑體輻射規(guī)律小結(jié)：黑體輻射的黑體輻射的輻射力輻射力由斯蒂芬由斯蒂芬-波爾茲曼定波爾茲曼定律確定，輻射力正比于熱力學(xué)溫度的四次律確定，輻射力正比于熱力學(xué)溫度的四次方；黑體輻射能量方；黑體輻射能量按波長(zhǎng)的分布按波長(zhǎng)的分布服從于普服從于普朗克定律，朗克定律，按空間方向的分布按空間方向的分布服從于蘭貝服從于蘭貝特定律；黑體的特定律；黑體的單色輻射力單色輻射力存在峰值，與存在峰值，與此峰值相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)此峰值相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)max由維恩位移定律由維恩位移定律確定，即隨著溫度的升高，確定

31、，即隨著溫度的升高，max向短波方向短波方向移動(dòng)。向移動(dòng)。2022-3-7363 黑體的吸收特性黑體的吸收特性 吸收比是表示物體吸收入射輻射的能力。物體吸收比是表示物體吸收入射輻射的能力。物體對(duì)入射輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)定義為對(duì)入射輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)定義為吸收比吸收比。吸收比可劃分為以下四種：吸收比可劃分為以下四種：對(duì)來(lái)自對(duì)來(lái)自一切方向一切方向和和所有波長(zhǎng)所有波長(zhǎng)的入射輻射的吸收的入射輻射的吸收比，稱之為比，稱之為總吸收比總吸收比(簡(jiǎn)稱吸收比簡(jiǎn)稱吸收比);對(duì)來(lái)自對(duì)來(lái)自一切方向一切方向的的某一波長(zhǎng)某一波長(zhǎng)的入射輻射的吸收的入射輻射的吸收比，稱之為比，稱之為單色吸收比單色吸收比 ；2022-3-7

32、371,bbbb對(duì)來(lái)自對(duì)來(lái)自某一方向某一方向的的所有波長(zhǎng)所有波長(zhǎng)的入射輻射的吸的入射輻射的吸收比，稱之為收比，稱之為方向吸收比方向吸收比 ;對(duì)來(lái)自對(duì)來(lái)自某一方向某一方向的的某一波長(zhǎng)某一波長(zhǎng)的入射輻射的吸的入射輻射的吸收比，稱之為收比，稱之為單色方向吸收比單色方向吸收比 , 。黑體是理想的吸收體，它對(duì)一切波長(zhǎng)和所有黑體是理想的吸收體，它對(duì)一切波長(zhǎng)和所有方向入射輻射的吸收比均等于方向入射輻射的吸收比均等于1。對(duì)黑體有：。對(duì)黑體有：2022-3-7381 實(shí)際物體的輻射實(shí)際物體的輻射黑度（發(fā)射率）黑度（發(fā)射率） 實(shí)際物體表面的熱輻射實(shí)際物體表面的熱輻射性能均性能均弱于弱于黑體表面。黑體表面。實(shí)際物體

33、的光譜輻射力實(shí)際物體的光譜輻射力往往隨波長(zhǎng)作不規(guī)則變往往隨波長(zhǎng)作不規(guī)則變化，不符合普朗克定律化，不符合普朗克定律.圖為同溫度下黑體輻射圖為同溫度下黑體輻射和實(shí)際物體輻射的單色輻射力隨溫度變化的曲和實(shí)際物體輻射的單色輻射力隨溫度變化的曲線。線。曲線下的面積分別代表了各自的輻射力曲線下的面積分別代表了各自的輻射力。圖6-10單色輻射力隨波長(zhǎng)的變化單色輻射力隨波長(zhǎng)的變化單色輻射力隨波長(zhǎng)的變化2022-3-739實(shí)際物體實(shí)際物體表面表面的的輻射力輻射力與與同溫度下同溫度下黑體黑體輻射輻射力的比值，稱為黑度（發(fā)射率）。力的比值，稱為黑度（發(fā)射率）。黑度僅僅與物體表面自身的輻射特性相關(guān)，也黑度僅僅與物體表

34、面自身的輻射特性相關(guān)，也就是與物體的種類、它的表面特征，還與物體就是與物體的種類、它的表面特征，還與物體的溫度相關(guān)，而與物體外部的情況無(wú)關(guān)。的溫度相關(guān)，而與物體外部的情況無(wú)關(guān)。實(shí)踐實(shí)踐證明，實(shí)際物體的輻射力并不嚴(yán)格正比于證明，實(shí)際物體的輻射力并不嚴(yán)格正比于T4，但工程計(jì)算中仍認(rèn)為一切實(shí)際物體的輻射力都但工程計(jì)算中仍認(rèn)為一切實(shí)際物體的輻射力都與與T4成正比，把由此引起的誤差修正體現(xiàn)在以成正比，把由此引起的誤差修正體現(xiàn)在以實(shí)驗(yàn)方法確定的發(fā)射率中。實(shí)驗(yàn)方法確定的發(fā)射率中。因此因此與溫度有關(guān)與溫度有關(guān)。 總發(fā)射率總發(fā)射率bEE40bEET2022-3-740實(shí)際表面的實(shí)際表面的單色輻射力單色輻射力與與

35、同溫度下同溫度下黑體黑體表面表面的單色輻射力之比的單色輻射力之比 單色發(fā)射率單色發(fā)射率 bEEb0bEdE發(fā)射率與單色發(fā)射率之間的關(guān)系為發(fā)射率與單色發(fā)射率之間的關(guān)系為 2022-3-741物體表面在某方向上的物體表面在某方向上的方向輻射力方向輻射力與與同溫度同溫度黑體黑體輻射在該方向上的方向輻射力之比，亦輻射在該方向上的方向輻射力之比，亦可表示為物體在某方向上的可表示為物體在某方向上的輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度與與同溫同溫度度黑體黑體輻射在該方向上的輻射強(qiáng)度之比輻射在該方向上的輻射強(qiáng)度之比方向發(fā)射率方向發(fā)射率 coscosbbbEIIEII如果實(shí)際物體的方向輻射力遵守蘭貝特定律如果實(shí)際物體的方向輻射力遵

36、守蘭貝特定律,該物體表面稱為該物體表面稱為漫射表面漫射表面。黑體表面就是漫。黑體表面就是漫射表面。射表面。2022-3-742對(duì)等強(qiáng)輻射的理解：對(duì)等強(qiáng)輻射的理解：相當(dāng)于相當(dāng)于“燈泡亮度燈泡亮度”，即從不同方向看過(guò)去，即從不同方向看過(guò)去，其亮度都是一樣的。其亮度都是一樣的。一般金屬和非金屬表面均一般金屬和非金屬表面均可當(dāng)漫反射表面處理。工可當(dāng)漫反射表面處理。工程中大多數(shù)材料看成是發(fā)程中大多數(shù)材料看成是發(fā)射率與方向無(wú)關(guān)的漫射體射率與方向無(wú)關(guān)的漫射體漫射表面可假定：漫射表面可假定：n2022-3-743單色方向發(fā)射率單色方向發(fā)射率 ,bEE物體表面在某方向上的物體表面在某方向上的單色方向輻射力單色方

37、向輻射力與與同溫度同溫度黑體黑體輻射在該方向上的單色方向輻輻射在該方向上的單色方向輻射力之比。射力之比。2022-3-7442 實(shí)際物體的吸收實(shí)際物體的吸收灰體灰體 實(shí)際物體表面對(duì)熱輻射的吸收是針對(duì)投入輻射實(shí)際物體表面對(duì)熱輻射的吸收是針對(duì)投入輻射而言的而言的。實(shí)際物體對(duì)入射輻射吸收的百分?jǐn)?shù)稱實(shí)際物體對(duì)入射輻射吸收的百分?jǐn)?shù)稱之為該物體的之為該物體的吸收比吸收比。物體表面的物體表面的吸收特性吸收特性就不僅僅與就不僅僅與物體的物質(zhì)結(jié)物體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、表面特征以及溫度狀況有關(guān)構(gòu)、表面特征以及溫度狀況有關(guān)，而且還與，而且還與投投入輻射的輻射能隨波長(zhǎng)和溫度的變化入輻射的輻射能隨波長(zhǎng)和溫度的變化密切相關(guān)。密切

38、相關(guān)。輻射源溫度對(duì)吸收比的影響是因?yàn)檩椛湓礈囟葘?duì)吸收比的影響是因?yàn)閷?shí)際物體的實(shí)際物體的單色吸收比不等于常數(shù)，而是隨入射波長(zhǎng)而變，單色吸收比不等于常數(shù)，而是隨入射波長(zhǎng)而變，而入射波長(zhǎng)又取決于入射輻射的溫度。而入射波長(zhǎng)又取決于入射輻射的溫度。 2022-3-745物體表面的單色吸收率隨波長(zhǎng)變化的特性稱為物體表面的單色吸收率隨波長(zhǎng)變化的特性稱為物體表面對(duì)波長(zhǎng)（光譜）的選擇性物體表面對(duì)波長(zhǎng)（光譜）的選擇性。 暖房暖房：當(dāng)太陽(yáng)光照射到玻璃：當(dāng)太陽(yáng)光照射到玻璃上時(shí)，玻璃對(duì)波長(zhǎng)小于上時(shí)，玻璃對(duì)波長(zhǎng)小于2.22.2 m m的輻射能吸收比很小、穿透的輻射能吸收比很小、穿透比很大，從而使大部分太陽(yáng)比很大，從而使大

39、部分太陽(yáng)能可以進(jìn)入到暖房?jī)?nèi)。暖房能可以進(jìn)入到暖房?jī)?nèi)。暖房中的物體溫度低，輻射能絕中的物體溫度低，輻射能絕大部分位于紅外區(qū)，而玻璃大部分位于紅外區(qū)，而玻璃對(duì)于波長(zhǎng)大于對(duì)于波長(zhǎng)大于3 3 m的輻射能的輻射能吸收比很大、穿透比很小，吸收比很大、穿透比很小，阻止了輻射能向暖房外的散阻止了輻射能向暖房外的散失。失。2022-3-746墨鏡：墨鏡：焊接工人工作時(shí)戴一黑色眼鏡是為了讓對(duì)人體焊接工人工作時(shí)戴一黑色眼鏡是為了讓對(duì)人體有害的紫外線能被特種玻璃所吸收。有害的紫外線能被特種玻璃所吸收。五顏六色的世界：五顏六色的世界：當(dāng)陽(yáng)光照射到一個(gè)物體表面時(shí)，如果該物體幾乎全部當(dāng)陽(yáng)光照射到一個(gè)物體表面時(shí)，如果該物體幾

40、乎全部吸收各種可見光，它就是吸收各種可見光，它就是黑色黑色；如果幾乎全部反射可見光，它就是如果幾乎全部反射可見光，它就是白色白色；如果幾乎均勻吸收各色可見光并均勻地反射各色可見如果幾乎均勻吸收各色可見光并均勻地反射各色可見光，它就是光，它就是灰色灰色；如果只反射了一種波長(zhǎng)的可見光而幾乎全部吸收了其如果只反射了一種波長(zhǎng)的可見光而幾乎全部吸收了其它可見光，則它就它可見光，則它就呈現(xiàn)被反射的這種輻射線的顏色呈現(xiàn)被反射的這種輻射線的顏色。2022-3-747如果投入輻射不是來(lái)自黑體，則必須研究物體如果投入輻射不是來(lái)自黑體，則必須研究物體表面單色吸收率隨投入輻射波長(zhǎng)變化的規(guī)律。表面單色吸收率隨投入輻射波

41、長(zhǎng)變化的規(guī)律。原因就在于光譜吸收率對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射具有原因就在于光譜吸收率對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射具有選擇性。選擇性。如果物體表面的單色吸收比為常數(shù)如果物體表面的單色吸收比為常數(shù) 那么它的吸收比也就為常數(shù)那么它的吸收比也就為常數(shù) 。即此時(shí)物體的。即此時(shí)物體的吸收比只取決于本身的情況，吸收比只取決于本身的情況，與外界情況無(wú)關(guān)與外界情況無(wú)關(guān)。.constconst把把灰體灰體定義為定義為單色吸收比為常數(shù)單色吸收比為常數(shù)的物體的物體。 灰體也是一種理想的輻射表面，實(shí)際表面在灰體也是一種理想的輻射表面，實(shí)際表面在一定條件下可以認(rèn)為其具有灰體的特性。一定條件下可以認(rèn)為其具有灰體的特性。2022-3-748灰體是

42、從物體表面對(duì)投入輻射的吸收特性上去灰體是從物體表面對(duì)投入輻射的吸收特性上去定義的，如果再在其發(fā)射特性上給予等強(qiáng)輻射定義的，如果再在其發(fā)射特性上給予等強(qiáng)輻射的假設(shè)，即認(rèn)為是漫射表面，也就是漫射灰表的假設(shè)，即認(rèn)為是漫射表面，也就是漫射灰表面，簡(jiǎn)稱面，簡(jiǎn)稱漫灰表面漫灰表面。漫漫射表面射表面發(fā)射率與方向無(wú)關(guān)發(fā)射率與方向無(wú)關(guān) 灰灰體表面體表面吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)constn2022-3-7493 實(shí)際物體輻射與吸收之間的關(guān)系實(shí)際物體輻射與吸收之間的關(guān)系實(shí)際物體的輻射和吸收之間有聯(lián)系，實(shí)際物體的輻射和吸收之間有聯(lián)系，這就是這就是基爾霍夫定律基爾霍夫定律。假定兩塊平行平板距離很近，從一假定兩塊平行平板距離很近，從一塊板發(fā)出的輻射能全部落到另一塊塊板發(fā)出的輻射能全部落到另一塊板上。若板板上。若板1為黑體為黑體表面，板表面，板2為任為任意物體的表面。兩者的輻射力、吸意物體的表面。兩者的輻射力、吸收比和表面溫度分別為收比和表面溫度分別為Eb、 b(=1)、T1、E、 和和T2。2022-3-750板板2發(fā)出的輻射能發(fā)出的輻射能E全部被板全部被板1吸收，而板吸收，而板1發(fā)出的輻射能發(fā)出的輻射能Eb只被板只被板2吸收吸收 Eb ，可得兩，可得兩板之間的