熱輻射基本定律和輻射特性

關(guān)于熱輻射基本定律和輻射特性第1頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五8.1.2從電磁波的角度描述熱輻射的特性1.傳播速率與波長(zhǎng)、頻率間的關(guān)系真空中光速，大氣中略低。熱輻射的本質(zhì)是電磁波：波速、波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系：——頻率，、；——波長(zhǎng)，、；第2頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五2.電磁波的波譜熱輻射的波長(zhǎng)范圍：①工業(yè)應(yīng)用：，（紅外線）①太陽(yáng)輻射：，（可見光）近紅外線：，遠(yuǎn)紅外線：第3頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五3.物體表面對(duì)電磁波的作用（1）吸收比、反射比與穿透比之間的一般關(guān)系熱輻射投射到物體表面上：吸收、反射、穿透入射總能：吸收、反射、穿透第4頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五①吸收比：黑體：，理想吸收體。一般：，固體、液體在表面吸收，氣體在內(nèi)部吸收。②反射比：鏡體：，理想反射體。氣體：，第5頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五兩類反射：鏡面反射：磨光表面，遵循反射定律。漫反射：一般表面，粗糙度大于波長(zhǎng)。注意：（a）漫反射中，白體；（b）工業(yè)材料表面都為漫反射。③穿透比：透明體：，理想透明體。固體、液體：，第6頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五8.1.3黑體模型及其重要性黑體：，無(wú)反射，常為黑色；典型的熱輻射模型，研究黑體可得到熱輻射規(guī)律。黑體模型：帶有空腔的小孔。熱輻射由小孔射入，空腔吸收全部輻射能，從小孔反射出來(lái)的能量可忽略。此外：空腔內(nèi)壁熱輻射能量由小孔射出，在小孔外側(cè)，可測(cè)黑體空腔的熱輻射。注意：黑體吸收能力最強(qiáng)，其輻射能力也最強(qiáng)。第7頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五8.2黑體熱輻射的基本定律8.2.1斯忒藩-玻耳茲曼定律關(guān)于熱輻射：①物體表面向空間發(fā)射、吸收輻射能——半球空間；②物體熱輻射各種波長(zhǎng)的輻射能，但強(qiáng)度不同。輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積上輻射的總能量。注意：包括全部波長(zhǎng)、半球空間所有方向。黑體輻射力：黑體輻射系數(shù)：第8頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五8.2.2普朗克定律1.光譜輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間，單位表面積，包含的單位波長(zhǎng)范圍的輻射能。表明波長(zhǎng)的電磁波的輻射能力。2.普朗克定律：由量子理論推得黑體光譜輻射力

第一輻射常量

第二輻射常量

第9頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五維恩位移定律：黑體的光譜輻射力存在峰值①——最大光譜輻射力的波長(zhǎng)；②溫度升高，向短波移動(dòng)。（一般物體類似）3.普朗克定律與斯忒藩-玻耳茲曼定律的關(guān)系

第10頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五4.黑體輻射能按波段的分布

①在波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射能：②黑體輻射函數(shù)：即：在內(nèi)的輻射能所占的百分比。③在波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射能：第11頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五第12頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五8.2.3蘭貝特定律1.立體角：電磁波沿直線傳播，在同一錐體內(nèi)，不同面積上的輻射能相同。單位：空間度①是垂直的面積；②半球空間。在球坐標(biāo)系中：緯度角經(jīng)度角第13頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五2.定向輻射強(qiáng)度可見輻射面積：對(duì)輻射面積，法線方向—可見輻射面積最大方向—可見輻射面積定向輻射強(qiáng)度：（表示某一方向輻射強(qiáng)度）在某一方向上，單位時(shí)間內(nèi)，

單位可見輻射面積上輻射出去的，落在單位立體角內(nèi)的輻射能。在與輻射面法向成角的方向上：?jiǎn)挝唬旱?4頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五3.蘭貝特定律（余弦定律）實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明：黑體的定向輻射強(qiáng)度是個(gè)常量。余弦定律：即：從單位輻射面積上發(fā)出的輻射能，在空間各個(gè)方向上是不同的。第15頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五4.蘭貝特定律與斯忒藩-玻耳茲曼定律間的關(guān)系對(duì)半球空間，黑體輻射力：（單位時(shí)間，單位面積輻射能）第16頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五P363例題8-3試分別計(jì)算溫度為1000K、1400K、3000K、6000K、時(shí)可見光和紅外線輻射在黑體總輻射中所占的份額。解：以時(shí)，黑體輻射可見光為例：可見光波長(zhǎng)范圍第17頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五第18頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五P364例題8-4如圖所示，有一個(gè)微元黑體面積dAb=10-3m2，與該黑體表面相距0.5m處另有三個(gè)微元面積dA1、dA2、dA3，面積均為10-3m2，該三個(gè)微元面積的空間方位如圖中所示。試計(jì)算從dAb發(fā)出分別落在dA1、dA2與dA3對(duì)dAb所張的立體角中的輻射能量。解：①立體角：第19頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五②輻射能：第20頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五8.3固體和液體的輻射特性8.3.1實(shí)際物體的輻射力固體與液體熱輻射特性相似，與氣體輻射相差很大。實(shí)際物體的輻射力與同溫度下的黑體不同。定義，發(fā)射率（黑度）：注意：表明物體的輻射特性，與環(huán)境無(wú)關(guān)。實(shí)際物體：第21頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五8.3.2實(shí)際物體的光譜輻射力實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體不同，但總的變化趨勢(shì)——定性關(guān)系基本一致。定義，光譜發(fā)射率（單色黑度）：光譜發(fā)射率與發(fā)射率關(guān)系：注意：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與溫度有關(guān)。第22頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五8.3.3實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度，在不同方向發(fā)生變化。定義，定向發(fā)射率（定向黑度）：——與輻射面法線的夾角1.定向發(fā)射率隨角的變化規(guī)律①黑體：定向輻射強(qiáng)度為常量，②漫射體：定向輻射強(qiáng)度為常量，黑體漫射體第23頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五，開始增大③金屬導(dǎo)體：理論分析與實(shí)驗(yàn)基本一致（極坐標(biāo)），，第24頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五，開始減小，，④非導(dǎo)電體：1-潮濕的冰2-木材3-玻璃4-紙5-粘土6-氧化銅7-氧化鋁第25頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五定向輻射強(qiáng)度：指從單位可見面積發(fā)射出去的，落在空間任意方向的單位立體角中的能量。2.定向發(fā)射率與半球平均發(fā)射率間的關(guān)系第26頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五說(shuō)明：①理論和實(shí)驗(yàn)表明：在大半個(gè)半球空間基本為常量，——修正系數(shù)②實(shí)驗(yàn)測(cè)定：金屬（高度磨光取上限）非金屬（粗糙表面取上限）工程計(jì)算中：，因此：工程中一般給出法向發(fā)射率，并看成是漫射體。第27頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五3.影響物體發(fā)射率的因素①物質(zhì)種類；②表面溫度；③表面狀況第28頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五P370例題8-6實(shí)驗(yàn)測(cè)得2500K鎢絲的法向一單色發(fā)射率如圖所示，試計(jì)算其輻射力及發(fā)光效率。解：①發(fā)射率：第29頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五P360表8-1第30頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五②可見光范圍由圖得發(fā)射率第31頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五8.4實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系8.4.1實(shí)際物體的吸收比黑體：，，；實(shí)際物體：，，投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間，外界投入到物體上單位面積的輻射能。吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分比。

取決于兩因素：①吸收物體的特性：種類、表面溫度、表面狀況；②投入輻射的特性：波長(zhǎng)范圍、能量分布。第32頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五1.光譜吸收比實(shí)驗(yàn)表面：實(shí)際物體對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射能，其吸收不同。指對(duì)所有波長(zhǎng)的輻射能吸收的平均值。光譜吸收比：物體吸收某一特定波長(zhǎng)輻射能的百分比。第33頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五非導(dǎo)體的光譜吸收比：波長(zhǎng)小于時(shí)，光譜吸收比小于；波長(zhǎng)大于時(shí)，光譜吸收比高達(dá)。第34頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五2.實(shí)際物體的吸收具有選擇性選擇性吸收：指物體的光譜吸收比隨波長(zhǎng)變化。實(shí)際當(dāng)中，大量存在：①溫室效應(yīng)溫室玻璃對(duì)太陽(yáng)輻射穿透比高，輻射能進(jìn)入溫室；玻璃對(duì)室內(nèi)紅外輻射穿透比低，阻止熱量散失。②物體顏色太陽(yáng)光照射到物體上時(shí)，吸收不同，顏色不同：全部吸收——黑色；全部反射——白色；均勻吸收并反射——灰色；只反射一種波長(zhǎng)——單色。第35頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五3.實(shí)際物體吸收的選擇性對(duì)輻射傳熱計(jì)算所造成的困難①表面1吸收表面2的輻射表面2輻射：表面1吸收：第36頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五②表面1吸收黑體的輻射簡(jiǎn)化：實(shí)際中測(cè)物體對(duì)黑體的吸收比。第37頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五8.4.2灰體的概念及其工程應(yīng)用為簡(jiǎn)化吸收的計(jì)算，提出灰體的概念?；殷w：光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，即注意：①灰體的吸收與輻射物體無(wú)關(guān)，只與自身性質(zhì)有關(guān)；②工業(yè)上熱輻射物體，可當(dāng)作灰體處理。第38頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五8.4.3吸收比與發(fā)射率的關(guān)系——基爾霍夫定律1.實(shí)際物體吸收比和發(fā)射率間的關(guān)系設(shè)：表面1為黑體，輻射力，吸收比表面2為實(shí)物，輻射力，吸收比對(duì)實(shí)際物體2：輻射熱量熱平衡時(shí)，①注意：是與黑體的吸收比。②條件：熱平衡；黑體投入輻射。定律表明：物體輻射能力大，其吸收能力也強(qiáng)。例如黑體。第39頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)22分，星期五2.漫射灰體吸收比和發(fā)射率間的關(guān)系漫射