熱輻射概念簡化

1、熱輻射概念(ginin)熱輻射的本質(zhì)(bnzh)和特點共二十九頁輻射(fsh)、熱輻射(fsh)發(fā)射輻射能是各類物質(zhì)的固有特性。物質(zhì)是由分子、原子、電子等基本粒子組成，當原子內(nèi)部的電子受激和振動時，產(chǎn)生交替變化的電場和磁場(cchng)，發(fā)出電磁波向空間傳播，這就是輻射。由于激發(fā)的方法不同，所產(chǎn)生的電磁波波長就不相同，它們投射到物體上產(chǎn)生的效應也不同。由于自身溫度或熱運動的原因而激發(fā)產(chǎn)生的電磁波傳播，就稱熱輻射。熱輻射的電磁波是物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動狀態(tài)改變時激發(fā)出來的。只要物體的溫度高于“絕對零度”，物體總是不斷地把熱能變?yōu)檩椛淠埽蛲獍l(fā)出熱輻射。 共二十九頁輻射(fsh)換熱物體亦不斷地

2、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。輻射換熱就是指物體之間相互輻射和吸收的總效果。各類電磁波的波長(bchng)可從幾萬分之一微米（m ）到數(shù)千米，它們的名稱和分類如圖 4-1 共二十九頁熱射線(shxin)凡波長=038-076m范圍的電磁波屬可見光線，波長 0 . 38m的電磁波是紫外線、倫琴射線等；=076-1000m 之間的電磁波稱為紅外線； 1000m的電磁波是無線電波。通常把波長=01-100m的電磁波稱為熱射線，其中包括可見光線、部分紫外線和紅外線，它們(t men)投射到物體上能產(chǎn)生熱效應。 共二十九頁圖 4-1 電磁波譜圖 4-1共二十九頁熱輻射

3、過程(guchng)的特點1電磁波在介質(zhì)中的傳播速度等于(dngy)光速，即c=( 4-I ) 式中c 介質(zhì)中的光速； 波長；一頻率。熱熱輻射過程有三個特點 ( 1 ）輻射換熱與導熱、對流換熱不同，它不是依靠物質(zhì)的接觸傳遞熱量，而是依靠電磁波傳遞熱量。共二十九頁熱輻射過程(guchng)的特點2如陽光能夠穿越遼闊的低溫太空向地面輻射，而導熱和對流換熱都必須由冷、熱物體直接接觸或通過中間介質(zhì)相接觸才能進行。 ( 2 ）輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化，即物體的部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁波能發(fā)射出去(ch q)，當該電磁波達另一物體表面而被吸收時，電磁波能又轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 共二十九頁高溫(gown)物體

4、把能量傳給低溫物體( 3 ）一切物體只要其溫度T0K ，都會不斷地向外界發(fā)射熱射線。當物體間有溫差時，高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量，因此總的結(jié)果(ji gu)是高溫物體把能量傳給低溫物體。即使各個物體的溫度相同，輻射換熱仍在不斷進行，只是每一物體輻射出去的能量，等于吸收的能量，從而處于輻射動態(tài)平衡。共二十九頁輻射(fsh)的波動性及粒子性1輻射的本質(zhì)及其傳播過程除用電磁波理論說明之外，對有些現(xiàn)象還需進一步用量子理論來解釋(jish)。如金屬在光照射下能發(fā)射電子的光電效應，這就是輻射的本質(zhì)既具有波動性又具有粒子性。粒子性表明輻射是離散的量子化能量束，即光子傳播能量

5、的過程。共二十九頁輻射(fsh)的波動性及粒子性2光子的能量e與頻率(pnl)，的關(guān)系可用普朗克公式表示 ( 4-2 ) 式中 一頻率共二十九頁吸收(xshu)、反射和透射當外界的熱射線投射到物體上時，遵循著可見光的規(guī)律，其中部分被物體吸收，反射，其余則透過物體，如圖 4- 2 所示。設投射到物體上全波長范圍(fnwi)的總能量為 G , 被吸收G，反射G，透射 Gr ，根據(jù)能量守恒可有若等式兩端同除以 G ，得 ( 4-3 )如圖 4-2共二十九頁圖 4-2 物體對熱輻射的吸收、反射(fnsh)和穿透圖圖 4-2共二十九頁式中： -稱物體的吸收率，它表示投射的總能量中被吸收部分的能量所占的份

6、額； 稱為反射(fnsh)率，表示投射的總能量中被反射(fnsh)的能量所占份額； - 穿透率，投射的總能量中透過的能量所占份額。共二十九頁鏡反射(fnsh)從某方向投射的熱射線(shxin)其反射角等于入射角，這種反射稱鏡反射，如圖 4-3 所示；共二十九頁漫反射圖4-4 對大部分非金屬材料，由于表面(biomin)較粗糙，故接近于漫反射。共二十九頁黑體(hit)如物體能全部吸收外來射線，即=1 ，則這種物體被定義為黑體。如物體全部反射外來射線，即=1 ，不論是鏡反射或漫反射，均稱為白體。如物體能被外來射線所全部透射，則稱為透明體，r=1。自然界中并不存在黑體、白體與透明體，它們只是實際物體

7、熱輻射性能的理想模型。例如(lr)煙煤的=0.96 ，高度磨光的純金屬=0.98 。 共二十九頁關(guān)于(guny)黑體、白體、透明體1黑體、白體、透明體都是對全波長射線而言的，在一般溫度條件下，由于可見光只占全波長射線中一小部分，所以物體對外來射線吸收能力的高低(god)，不能憑物體的顏色來判斷；白顏色的物體不一定是白體，例如雪對可見光是良好的反射體，對肉眼來說是白色的，但對紅外線卻幾乎能全部吸收，非常接近黑體。共二十九頁關(guān)于(guny)黑體、白體、透明體2白布和黑布對可見光的吸收率不同，但對紅外線的吸收率卻基本相同。普通(ptng)玻璃對波長 2m 射線的吸收率很小，從而可以把照射到它上面的大

8、部分太陽能透射過去。但對 2m 的紅外線幾乎是不透明體。對多數(shù)液體和固體，只要稍具厚度，它們對紅外線總是不透明的，即r=0 共二十九頁圖 4-6 黑體(hit)模型圖 4-6 黑體既是一個理想的吸收體又是理想的發(fā)射(fsh)體，在熱輻射中可把它作為標準物體以衡量實際物體的吸收率和發(fā)射(fsh)率。共二十九頁斯蒂芬一玻爾茲曼定律(dngl)-四次方定律(dngl)。 在計算(j sun)輻射換熱時，需要建立物體的輻射力 E 與溫度T的關(guān)系。即( 4-13 ） 或 ( 4-14 )兩式說明黑體的輻射力和熱力學溫度四次方成正比，故又稱四次方定律。 共二十九頁輻射力輻射力：單位時間內(nèi)，物體的每單位面積

9、向半球空間所發(fā)射全波長的總能量(nngling)稱為輻射力，用符號 E 表示，單位是 。根據(jù)定義，輻射力和輻射強度之間的關(guān)系為共二十九頁輻射強度輻射強度:物體表面,對垂直于該方向的單位投影面積而言，在單位時間、單位立體角內(nèi)所發(fā)射全波長的能量，用符號 I 表示，單位是 W 表示， 這里(zhl)的 Sr 為立體角，用給定方向上半球面，被立體角所切割的面積 dA2除以半徑的平方計算，如 共二十九頁圖 4 - 5 立體角定義(dngy)圖 圖 4 - 5共二十九頁黑體(hit)輻射的規(guī)律黑體的輻射力由斯蒂芬一波爾茲曼定律確定，它正比于其絕對溫度T的四次方；黑體輻射能量按波長的分布服從普朗克定律；而在

10、空間(kngjin)方向的分布服從于蘭貝特定律；黑體的單色輻射力有個峰值，峰值對應的波長max，由維恩定律確定，隨著溫度的升高，max值向波長較短的方向移。 共二十九頁基爾霍夫定律(dngl)實際物體的輻射、吸收(xshu)特性E輻射力與同溫度下黑體的單色輻射力的比值稱為實際物體的單色發(fā)射率（亦稱單色黑度）在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和它對來自黑體輻射的吸收率的比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力。 共二十九頁氣體(qt)輻射和吸收氣體輻射(fsh)和吸收對射線波長具有選擇性的。通常固體、液體表面的輻射和吸收光譜是連續(xù)的，而氣體只能輻射和吸收某一定波長范圍內(nèi)的能量，即氣體的輻射和吸收具有明顯的

11、選擇性。氣體輻射和吸收的波長范圍稱為光帶，對光帶以外的熱射線，氣體既不輻射也不吸收，氣體成為透明體。 共二十九頁太陽輻射(ti yn f sh)1太陽能是自然界中可供人們利用的一種巨大能源。地球(dqi)上一切生物的成長都和太陽輻射有關(guān)，近年來人們在太陽能利用方面有不少進展。太陽是一個超高溫氣團，其中心進行著劇烈的熱核反應，溫度高達數(shù)千萬度。共二十九頁太陽輻射(ti yn f sh)2在大氣層外緣并與太陽射線相垂直的單位(dnwi)表面所接受到的太陽輻射能為 1353W / m2，稱為太陽常數(shù)由于高溫的緣故，它向宇宙空間輻射的能量中有 99 % 共二十九頁內(nèi)容摘要熱輻射概念(ginin)。物體亦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。( 2 ）輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化，即物體的部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁波能發(fā)射出去，當該電磁波達另一物體表面而被吸收時，電磁