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關(guān)于熱輻射的基本定律第1頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三
第8章
熱輻射的基本定律
第2頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三3本章主要內(nèi)容1、基本概念2、熱輻射的基本定律第3頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三4第一節(jié)基本概念1-1熱輻射的本質(zhì)和特點
熱輻射:物體通過發(fā)射電磁波傳遞熱量
熱射線:λ=0.1~100μm,包括可見光、部分紫外線和紅外線,投射到物體上能產(chǎn)生熱效應(yīng)。
第4頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三5第一節(jié)基本概念第5頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三6熱輻射的特點:(1)所有溫度大于0K的物體都具有輻射能力,溫度越高,輻射能力越強。(2)熱輻射不依靠中間介質(zhì),可以在真空中傳播。(3)物體間以熱輻射方式進行的熱量傳遞是雙向的,并且伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。第6頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三71-2吸收、反射和透射當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時,一般會發(fā)生三種現(xiàn)象,即吸收、反射和穿透,如圖所示。圖8-2熱射線的吸收、反射和透射第7頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三8吸收率(吸收比)反射率(反射比)透射率(透射比)第8頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三9黑體:物體能吸收全部的外來射線,α=1白體:物體能反射全部外來射線,ρ=1透明體:物體能被外來射線所全部透射,τ=1對于固體、液體:可認為τ=0,α+ρ=1對于氣體:可認為ρ=0,α+τ=1第9頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三101-3輻射強度和輻射力
輻射能的分布按空間方向分布按波長分布一、定向輻射強度
立體角:空間角度。單位為sr(球面度)。以立體角的角端為中心,作半徑為r的半球,將半球表面上被立體角所切割的面積A除以半徑的平方
r2,即得到立體角的量度:半球的立體角ω=2π
第10頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三11微元立體角
圖8-3adA1上某點對dA2所張的立體角 圖8-3b
定向輻射強度面積dA=長x寬第11頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三12定向輻射強度(簡稱輻射強度):在某給定輻射方向上,單位時間、單位可見輻射面積、在單位立體角內(nèi)所發(fā)射全部波長的能量。所謂可見輻射面積,是指站在給定輻射方向上所看到的(?)發(fā)射輻射能物體的表面積。單位:W/(m2.sr)第12頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三13光譜定向輻射強度(單色輻射強度):在某給定輻射方向上,單位時間、單位可見輻射面積,在波長附近的單位波長間隔內(nèi),單位立體角所發(fā)射的能量,稱為光譜定向輻射強度,又稱為單色定向輻射強度。單位:W/(m2.sr.μm)光譜定向輻射強度和定向輻射強度的關(guān)系第13頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三14二、輻射力
定向輻射力:在某給定輻射方向上,單位時間內(nèi),物體單位輻射面積、在單位立體角內(nèi)所發(fā)射全波長的能量,稱為定向輻射力。單位:W/(m2.sr)當(dāng)(θ=0°)時因為定向輻射力是以發(fā)射輻射能物體的單位面積作為計算依據(jù),而定向輻射強度是站在給定輻射方向所看到的(相當(dāng)于投影面積)單位面積,所以二者之間存在以下關(guān)系:
第14頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三15輻射力:單位時間內(nèi),物體的每單位輻射面積向半球空間所發(fā)射的全部波長的總能量。單位:W/m2輻射力與定向輻射強度的關(guān)系輻射力與單色輻射強度的關(guān)系輻射力與定向輻射力的關(guān)系第15頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三16光譜輻射力(單色輻射力):單位時間內(nèi),物體的每單位面積,在波長λ附近的單位波長間隔內(nèi),向半球空間所發(fā)射全波長的能量。單位:W/(m2.μm)第16頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三17光譜定向輻射力(單色定向輻射力):單位時間內(nèi),物體的每單位面積、向半球空間的某給定輻射方向上,在單位立體角內(nèi)所發(fā)射在波長λ附近的單位波長間隔內(nèi)的能量。單位:W/(m2.sr.μm)第17頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三18第二節(jié)熱輻射的基本定律本節(jié)有4個定律,用黑體來討論,黑體用角標(biāo)“b”表示圖8-4人工黑體模型1.黑體概念黑體:是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體,是一種科學(xué)假想的物體,現(xiàn)實生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。第18頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三19第二節(jié)熱輻射的基本定律一、普朗克定律
從量子理論出發(fā),得出了黑體單色輻射力和波長、熱力學(xué)溫度之間的函數(shù)關(guān)系。式中,λ—波長,m;T—黑體溫度,K;
c1
—第一輻射常數(shù),3.742×10-16Wm2;
c2—第二輻射常數(shù),1.4388×10-2WK;
第19頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三20圖8-5a
普朗克定律揭示的關(guān)系Ebλ=f(λ,T)第20頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三21
圖8-5b
Ebλ與T的函數(shù)關(guān)系第21頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三22二、維恩位移定律1891年,維恩(Wien)用熱力學(xué)理論退出,黑體輻射的峰值波長與熱力學(xué)溫度T之間的函數(shù)關(guān)系,可以用下式來表示。第22頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三23例題8-1例8-1
:測得對應(yīng)于太陽最大光譜輻射力峰值的波長約為0.503微米,若太陽可近似看成是黑體看待,求太陽的表面溫度。第23頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三24解:太陽表面可近似看成黑體,則可利用維恩定律,太陽表面溫度為:第24頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三25二、維恩位移定律討論:利用維恩定律,可根據(jù)黑體的峰值波長求黑體溫度,它可作為光譜測溫的基礎(chǔ)。例如,可以解釋金屬加熱時的顏色變化。在5000C以下,金屬發(fā)出的基本都是紅外線,沒有可見光,因此金屬呈原色。在6000C,隨著溫度升高,金屬相繼呈現(xiàn)暗紅、紅、黃,溫度超過13000C時,開始發(fā)白。就是金屬輻射發(fā)出的可見光及可見光短波段的能量逐漸增加的緣故。第25頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三262-2斯蒂芬-玻爾茲曼定律
斯蒂芬-玻爾茲曼定律表達式:黑體輻射常數(shù)黑體輻射系數(shù)第26頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三27工程上常計算某一波段范圍內(nèi)黑體的輻射能及其在輻射力中所占的百分數(shù)。黑體輻射函數(shù)見表8-1第27頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三28表8-1,黑體輻射函數(shù)表表示波長從0~的輻射能占到了百分之多少!第28頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三29例題8-3已知某太陽能集熱器的透光玻璃在波長=0.35微米到=2.7微米范圍內(nèi)的穿透比為85%,在此范圍之外是不透射的。試計算太陽輻射對該玻璃的穿透比。把太陽輻射作為黑體看待,它的表面溫度為5762K。第29頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三30第30頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三31解:利用黑體輻射函數(shù)表8-1,計算某個波長范圍內(nèi)的輻射能量。計算:查表8-1,可得第31頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三32同樣,計算:查表8-1,可得第32頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三33因此,透射在玻璃上的太陽輻射從波長0.35微米到2.7微米范圍內(nèi)的能量,占總能量的百分數(shù)為:因此,該玻璃的太陽輻射穿透比為:第33頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三34討論:一般集熱器表面的溫度不超過1000C(373K),因此集熱器表面發(fā)出的長波輻射能無法穿透玻璃。因此,玻璃對短波透過、長波射線阻擋。問題1、如果用這種玻璃作為房屋的窗戶,又會如何?問題2、如果集熱器表面與玻璃之間保持真空或非真空,集熱器的散熱損失又有什么變化?第34頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三352-3蘭貝特余弦定律
把物體發(fā)射的定向輻射強度與方向無關(guān)的特性成為漫發(fā)射,而反射的定向輻射強度與方向無關(guān)的性質(zhì)稱為漫反射,若某物體既有漫發(fā)射性質(zhì),又有漫反射性質(zhì),稱為漫射表面。黑體在半球空間各方向上的輻射強度相等(蘭貝特余弦定律)。
這是蘭貝特定律的另外一個表達式,說明法線方向的定向輻射力最大。黑體的定向輻射力為:
第35頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三36黑體的定向輻射力隨方向角按余弦規(guī)律變化,法向的定向輻射力最大。除了黑體以外,只有漫輻射表面才遵循蘭貝特定律。漫輻射表面的輻射力為:說明:當(dāng)物體遵守蘭伯特定律時,它在任何方向上的定向輻射強度都等于輻射力E除以圓周率π,即I=E/π。第36頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三372-4基爾霍夫定律一、實際物體的輻射發(fā)射率物體的發(fā)射率:實際物體的輻射力與同溫度下的黑體的輻射力之比。第37頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三38實際物體的輻射力對非金屬表面ε=(0.95~1.0)對磨光金屬表面ε=(1.0~1.2)第38頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三39灰體:物體單色輻射力與同溫度黑體單色輻射力隨波長的變化曲線相似,或它的單色發(fā)射率不隨波長變化。灰體也是理想化的物體第39頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三40圖8-9實際物體在各個方向上發(fā)射率的變化(a)非導(dǎo)體;(b)導(dǎo)電體1—融冰;2—玻璃;3—黏土;4—氧化亞銅;5—鉍;6—鋁青銅;7—鐵(鈍化)第40頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三41本節(jié)中,還有幾點需要注意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,實際上是一種權(quán)宜之計;服從Lambert定律的表面成為漫射表面。雖然實際物體的定向發(fā)射率并不完全符合Lambert定律,但仍然近似地認為大多數(shù)工程材料服從Lambert定律,這有許多原因;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41頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三42二、基爾霍夫定律
物體表面單色定向發(fā)射率等于它的單色定向吸收率。熱平衡條件下基爾霍夫定律最基本的表達式
(8-25)第42頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三43二、基爾霍夫定律
物體表面單色定向發(fā)射率等于它的單色定向吸收率。對于漫射表面,輻射性質(zhì)與方向無關(guān),則:對于灰表面,輻射性質(zhì)與波長無關(guān),則:對于漫-灰表面,有:第43頁,講稿共46頁,2023年5月2日,星期三44思考題1.熱輻射和其他形式
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