光譜發(fā)射率實(shí)用教案

1、17-1 熱輻射的基本概念1. 熱輻射特點(diǎn)熱輻射特點(diǎn)(1) 定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量；定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量；(2) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 K，就會(huì)不停地向周圍，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；空間發(fā)出熱輻射；b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播；c 伴隨能量形式的伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；轉(zhuǎn)變；d 具有具有(jyu)強(qiáng)烈的方向性；強(qiáng)烈的方向性；e 輻射能與溫度和波長(zhǎng)輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；均有關(guān)；f 發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。次方。2. 電磁波譜電磁輻射包含(bohn)(bohn)了多種形式，

2、如圖7-17-1所示，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.1100m0.1100m。電磁波的傳播速度： c = f c = f 式中：f f 頻率，s-1; s-1; 波長(zhǎng)，mm第1頁(yè)/共40頁(yè)第一頁(yè)，共41頁(yè)。2電 磁 輻 射 波 譜圖7-1第2頁(yè)/共40頁(yè)第二頁(yè)，共41頁(yè)。3當(dāng)熱輻射投射到物體(wt)表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖7-2所示。11QQQQQQQQQQ3. 3. 物體對(duì)熱輻射的吸收物體對(duì)熱輻射的吸收(xshu)(xshu)、反射和穿透、反射和穿透 圖7.27.2物體對(duì)熱輻射的吸收、反射(fnsh)(fnsh)和穿透吸收比、反射比、

3、透射比體現(xiàn)了能量的守衡第3頁(yè)/共40頁(yè)第三頁(yè)，共41頁(yè)。4對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于不含顆粒(kl)的氣體：對(duì)于黑體： 鏡體或白體：1111,01,0透明體：反射(fnsh)又分鏡面反射(fnsh)和漫反射(fnsh)兩種圖7-3 鏡面反射圖7-4 漫反射第4頁(yè)/共40頁(yè)第四頁(yè)，共41頁(yè)。5第5頁(yè)/共40頁(yè)第五頁(yè)，共41頁(yè)。61.1.黑體概念黑體概念黑體：是指能吸收投入到其面黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，（吸收上的所有熱輻射能的物體，（吸收比比=1=1的物體），是的物體），是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。但卻可以人活中是不存在的。但卻

4、可以人工制造工制造(zhzo)(zhzo)出近似的人工黑體。出近似的人工黑體。圖7-5 7-5 黑體(hit)(hit)模型7-2 黑體(hit)輻射的基本定律第6頁(yè)/共40頁(yè)第六頁(yè)，共41頁(yè)。7第7頁(yè)/共40頁(yè)第七頁(yè)，共41頁(yè)。8輻射力輻射力E E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體單位時(shí)間內(nèi)，物體(wt)(wt)的單位表面積向半球空間發(fā)射的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。的所有波長(zhǎng)的能量總和。 (W/m2) (W/m2)；單色單色( (或光譜或光譜) )輻射力輻射力EE：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，對(duì)某一給定波長(zhǎng)，物體單位時(shí)間內(nèi)，對(duì)某一給定波長(zhǎng)，物體(wt)(wt)的單位表面的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。

5、積向半球空間發(fā)射的能量。 (W/m2) (W/m2)；2.2.熱輻射能量(nngling)(nngling)的表示方法E、E關(guān)系(gun x):顯然， E和E之間具有如下關(guān)系：dEE0黑體一般采用下標(biāo)b表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的單色(或光譜)輻射力為Eb第8頁(yè)/共40頁(yè)第八頁(yè)，共41頁(yè)。93.黑體(hit)輻射的三個(gè)基本定律及相關(guān)性質(zhì) 1)(512TcbecE式中，式中， 波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，m m ； T T 黑體溫度，黑體溫度，K K ； c1 c1 第一第一(dy)(dy)輻射常數(shù)，輻射常數(shù)，3.7423.74210-16 10-16 Wm2Wm2； c2 c2 第二輻射常數(shù)，第二輻射常

6、數(shù)，1.43881.438810-2 W10-2 WK K； (1)(1)普朗克定律(dngl)(dngl)(第一個(gè)定律(dngl)(dngl)：圖7-67-6是根據(jù)上式描繪的黑體單色輻射力隨波長(zhǎng)和溫度的依變關(guān)系。mm與T T 的關(guān)系由維恩（WienWien）定律給出，2897mTm K圖7-6 Planck 定律的圖示2/()W m m第9頁(yè)/共40頁(yè)第九頁(yè)，共41頁(yè)。10(2)(2)斯忒藩- -珀耳茲曼（Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann）定律(dngl)(dngl)(第二個(gè)定律(dngl)(dngl)： 25041()01cbbTcE ddeET式中，式中，

7、= 5.67= 5.6710-8 W/(m210-8 W/(m2K4)K4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常數(shù)常數(shù)(chngsh)(chngsh)。40240()1005.67/(),.bTECCWmK黑體輻射系數(shù)又稱為(chn wi)四次方定律.2/W m第10頁(yè)/共40頁(yè)第十頁(yè)，共41頁(yè)。111)(512TcbecE第11頁(yè)/共40頁(yè)第十一頁(yè)，共41頁(yè)。12圖7-8 7-8 立體角定義(dngy)(dngy)圖定義：球面面積(min j)除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面度)，如圖7-8和7-9所示（半球的立體角為2）ddsindd2rA

8、c(3)(3)立體角第12頁(yè)/共40頁(yè)第十二頁(yè)，共41頁(yè)。13圖7-9 7-9 計(jì)算微元立體角的幾何(j h)(j h)關(guān)系第13頁(yè)/共40頁(yè)第十三頁(yè)，共41頁(yè)。14定義：?jiǎn)挝?dnwi)(dnwi)時(shí)間內(nèi)，物體在單位(dnwi)(dnwi)面積上，在單位(dnwi)(dnwi)立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長(zhǎng)的能量。 (4)定向(dn xin)輻射力EdQ( )d dEA2EE d2/()W m sr第14頁(yè)/共40頁(yè)第十四頁(yè)，共41頁(yè)。15定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體在垂直(chuzh)(chuzh)發(fā)射方向的單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長(zhǎng)的能量，參見圖7-107-10。 d ( )( )d c

9、odsQLA(5) (5) 定向(dn xin)(dn xin)輻射強(qiáng)度L(L(, , ) )：圖7-10 7-10 定向(dn xin)(dn xin)輻射強(qiáng)度 的定義圖(6) 蘭貝特 （ Lambert ）定律(黑體輻射的第 三個(gè)基本定律)dQ( )cosd dELA它說(shuō)明黑體的定向輻射力隨天頂角 呈余弦規(guī)律變化，見圖7-11，因此， Lambert定律也稱為余弦定律。2/()W m sr黑體的定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)。第15頁(yè)/共40頁(yè)第十五頁(yè)，共41頁(yè)。16圖7-11 Lambert7-11 Lambert定律(dngl)(dngl)圖示LLEdcos2沿半球方向(fngxing)(fn

10、gxing)積分上式，可獲得半球輻射強(qiáng)度E:E:(dsindd) 第16頁(yè)/共40頁(yè)第十六頁(yè)，共41頁(yè)。17第17頁(yè)/共40頁(yè)第十七頁(yè)，共41頁(yè)。18第18頁(yè)/共40頁(yè)第十八頁(yè)，共41頁(yè)。19 7-3 實(shí)際固體和液體(yt)的輻射特性1 發(fā)射率前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有(suyu)方向和所有(suyu)波長(zhǎng)；真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；因此，定義了發(fā)射率 (也稱為黑度) ：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:4TEEEb第19頁(yè)/共40頁(yè)第十九頁(yè)，共41頁(yè)。20上面公式只是針對(duì)方向和光譜平均的情況(qngkung)

11、，但實(shí)際上，真實(shí)表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)第20頁(yè)/共40頁(yè)第二十頁(yè)，共41頁(yè)。21bbLLLL)()()()( 對(duì)應(yīng)于黑體的輻射力Eb，光譜輻射力Eb和定向(dn xin)輻射強(qiáng)度L，分別引入了三個(gè)修正系數(shù)，即，發(fā)射率，光譜發(fā)射率( )和定向(dn xin)發(fā)射率( )，其表達(dá)式和物理意義如下40)(TdEEEbb實(shí)際物體(wt)的輻射力與黑體輻射力之比:實(shí)際物體的光譜(gungp)輻射力與黑體的光譜(gungp)輻射力之比(光譜(gungp)輻射力)bEE)(實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)

12、度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比：(定向發(fā)射率)第21頁(yè)/共40頁(yè)第二十一頁(yè)，共41頁(yè)。22漫發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射率 () 與方向無(wú)關(guān)，即定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，滿足上述規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面，這是對(duì)大多數(shù)實(shí)際(shj)表面的一種很好的近似。圖7-15 幾種金屬導(dǎo)體在不同方向(fngxing)上的定向發(fā)射率( )(t=150)第22頁(yè)/共40頁(yè)第二十二頁(yè)，共41頁(yè)。23圖7-16 幾種(j zhn)非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率( )(t=093.3)第23頁(yè)/共40頁(yè)第二十三頁(yè)，共41頁(yè)。24黑體、灰體等都是理想物體(wt)(wt)，實(shí)際物體(wt)(wt)的輻射特性并不完全與這些理想

13、物體(wt)(wt)相同，比如，(1)(1)實(shí)際物體(wt)(wt)的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見圖7-147-14；(2) (2) 實(shí)際物體(wt)(wt)的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；(3) (3) 實(shí)際物體(wt)(wt)的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守LambertLambert定律，等等。所有這些差別全部歸于上面的系數(shù)，因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，形式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將真實(shí)表面假設(shè)為漫發(fā)射面。圖7-14 實(shí)際物體(wt)、黑體和灰體的輻射能量光譜第24頁(yè)/共40頁(yè)第二十四頁(yè)，共41頁(yè)。25本節(jié)中，還有幾點(diǎn)需要本節(jié)中，還有幾點(diǎn)需要(xyo)(xyo)注意注意

14、將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜，很難理將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜，很難理論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)；論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)；服從服從LambertLambert定律的表面稱為漫射表面。雖然實(shí)際物體的定向發(fā)射定律的表面稱為漫射表面。雖然實(shí)際物體的定向發(fā)射率并不完全符合率并不完全符合LambertLambert定律，但仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材定律，但仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從料服從LambertLambert定律；定律；物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。這說(shuō)物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。這說(shuō)明發(fā)射率只與

15、發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。第25頁(yè)/共40頁(yè)第二十五頁(yè)，共41頁(yè)。26第26頁(yè)/共40頁(yè)第二十六頁(yè)，共41頁(yè)。27第27頁(yè)/共40頁(yè)第二十七頁(yè)，共41頁(yè)。28第28頁(yè)/共40頁(yè)第二十八頁(yè)，共41頁(yè)。297-4 7-4 實(shí)際(shj)(shj)固體的吸收比和基爾霍夫定律 上一節(jié)簡(jiǎn)單介紹了實(shí)際物體的發(fā)射情況，那么當(dāng)外界的輻射投入(tur)到物體表面上時(shí)，該物體對(duì)投入(tur)輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對(duì)其作出解答。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with what hap

16、pens to _, while emissivity deals with _第29頁(yè)/共40頁(yè)第二十九頁(yè)，共41頁(yè)。301. 1. 投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間(shjin)(shjin)內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能 2. 2. 選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際 物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變 化，這叫選擇性吸收3. 3. 吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用表 示，即)(投入輻射投入的能量吸收的能量首先介紹(jisho)幾個(gè)概念：第30頁(yè)/共40頁(yè)第三十頁(yè)，共41頁(yè)。31(4) 光譜吸收比：物體對(duì)某一特定(tdng)波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收

17、比。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。能量投入的某一特定波長(zhǎng)的能量吸收的某一特定波長(zhǎng)的),(1T圖7-17和7-18分別給出了室溫下幾種材料(cilio)的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系。圖7-17 金屬導(dǎo)電體的光譜吸收(xshu)比同波長(zhǎng)的關(guān)系第31頁(yè)/共40頁(yè)第三十一頁(yè)，共41頁(yè)。32圖7-18 7-18 非導(dǎo)電體材料的光譜吸收(xshu)(xshu)比同波長(zhǎng)的關(guān)系灰體：光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)(wgun)的物體稱為灰體。此時(shí)，不管投入輻射的分布如何，吸收比都是同一個(gè)常數(shù)。第32頁(yè)/共40頁(yè)第三十二頁(yè)，共41頁(yè)。33根據(jù)(gnj)(gnj)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面

18、性質(zhì)的溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布有關(guān)。設(shè)下標(biāo)1 1、2 2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體1 1的吸收比為)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質(zhì)表面的性質(zhì)，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbb第33頁(yè)/共40頁(yè)第三十三頁(yè)，共41頁(yè)。34在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來(lái)看一下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，18591859年，Kirchhoff Kirchhoff 用熱力學(xué)方法回答了這個(gè)問題，從而提出了Kirchhoff Kirchhoff 定律。最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無(wú)限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。如圖7-7-202

19、0所示，板1 1是黑體，板2 2是任意物體，參數(shù)(cnsh)(cnsh)分別為Eb, Eb, T1 T1 以及E, E, , T2, T2，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有 bbEEEE圖7-20 7-20 平行(pngxng)(pngxng)平板間的輻射換熱第34頁(yè)/共40頁(yè)第三十四頁(yè)，共41頁(yè)。35 此即此即Kirchhoff 定律的表達(dá)式之一。該式說(shuō)明定律的表達(dá)式之一。該式說(shuō)明(shumng)，在，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有如下限制：有如下限制：整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；物體的吸收率和發(fā)射

20、率與溫度有關(guān)，因此二者只有處于同一溫度物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關(guān)，因此二者只有處于同一溫度下的值才能相等；下的值才能相等；投射輻射源必須是同溫度下的黑體。投射輻射源必須是同溫度下的黑體。為了將Kirchhoff Kirchhoff 定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們考察(koch)(koch)、推導(dǎo)了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達(dá)式，見表7-27-2。第35頁(yè)/共40頁(yè)第三十五頁(yè)，共41頁(yè)。36層層 次次數(shù)學(xué)表達(dá)式數(shù)學(xué)表達(dá)式成立條件成立條件光譜，定向光譜，定向光譜，半球光譜，半球全波段，半球全波段，半球無(wú)條件，無(wú)條件， 為天頂角為天頂角漫射表面漫射表面與黑體處于熱平衡或?qū)εc黑體處于熱

21、平衡或?qū)β冶砻媛冶砻?,(),(TT),(),(TT)()(TT表7-2 Kirchhoff 7-2 Kirchhoff 定律(dngl)(dngl)的不同表達(dá)式注：注：漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空間方向無(wú)關(guān)，即漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空間方向無(wú)關(guān)，即符合符合LambertLambert定律的物體表面；定律的物體表面；灰體：指光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體，其發(fā)射和吸收輻射與灰體：指光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體，其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個(gè)相同黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個(gè)相同(xin tn)(xin tn)的比例。的比例。第36頁(yè)/共40頁(yè)第三十六頁(yè)，共41頁(yè)。37第37頁(yè)/共40頁(yè)第三十七頁(yè)，共41頁(yè)。38思考題：思考題：1.1.什么是黑體什么是黑體, , 灰體灰體? ? 實(shí)際物體在什么樣的條實(shí)際物體在什么樣的條件下可以看成是灰體件下可以看成是灰體? ?2.2.光譜輻射力光譜輻射力, ,輻射力和定向輻射強(qiáng)度的物理輻射力和定向輻射強(qiáng)度的物理意義意義. . 它們之間有什么關(guān)系它們之間有什么關(guān)系? ?3.3.物體的發(fā)射率物體的發(fā)射率, , 吸收率吸收率