熱輻射的基本定律

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(diǎn)

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(diǎn)：（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(qiáng)。（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(jìn)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(shí)，一般會(huì)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(duì)于固體、液體：可認(rèn)為τ=0，α＋ρ＝1對(duì)于氣體：可認(rèn)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(qiáng)度和輻射力

輻射能的分布按空間方向分布按波長(zhǎng)分布一、定向輻射強(qiáng)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(diǎn)對(duì)dA2所張的立體角 圖8-3b

定向輻射強(qiáng)度面積dA=長(zhǎng)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(qiáng)度(簡(jiǎn)稱輻射強(qiáng)度）：在某給定輻射方向上，單位時(shí)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(zhǎng)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(qiáng)度（單色輻射強(qiáng)度）：在某給定輻射方向上，單位時(shí)間、單位可見輻射面積，在波長(zhǎng)附近的單位波長(zhǎng)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(qiáng)度，又稱為單色定向輻射強(qiáng)度。單位：W/(m2.sr.μm)光譜定向輻射強(qiáng)度和定向輻射強(qiáng)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(shí)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(zhǎng)的能量，稱為定向輻射力。單位：W/(m2.sr)當(dāng)（θ=0°）時(shí)因?yàn)槎ㄏ蜉椛淞κ且园l(fā)射輻射能物體的單位面積作為計(jì)算依據(jù)，而定向輻射強(qiáng)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：?jiǎn)挝粫r(shí)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(zhǎng)的總能量。單位：W/m2輻射力與定向輻射強(qiáng)度的關(guān)系輻射力與單色輻射強(qiáng)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）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的每單位面積，在波長(zhǎng)λ附近的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)，向半球空間所發(fā)射全波長(zhǎng)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）：?jiǎn)挝粫r(shí)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(zhǎng)λ附近的單位波長(zhǎng)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(gè)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(shí)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(zhǎng)、熱力學(xué)溫度之間的函數(shù)關(guān)系。式中，λ—波長(zhǎng)，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(zhǎng)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(cè)得對(duì)應(yīng)于太陽最大光譜輻射力峰值的波長(zhǎng)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(zhǎng)求黑體溫度，它可作為光譜測(cè)溫的基礎(chǔ)。例如，可以解釋金屬加熱時(shí)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(shí)，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(dá)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(jì)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?jǐn)?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(zhǎng)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(zhǎng)=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(jì)算太陽輻射對(duì)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(jì)算某個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能量。計(jì)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(jì)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(zhǎng)0.35微米到2.7微米范圍內(nèi)的能量，占總能量的百分?jǐn)?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(zhǎng)波輻射能無法穿透玻璃。因此，玻璃對(duì)短波透過、長(zhǎng)波射線阻擋。問題1、如果用這種玻璃作為房屋的窗戶，又會(huì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度相等（蘭貝特余弦定律）。

這是蘭貝特定律的另外一個(gè)表達(dá)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(shí)，它在任何方向上的定向輻射強(qiáng)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(shí)際物體的輻射發(fā)射率物體的發(fā)射率：實(shí)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(shí)際物體的輻射力對(duì)非金屬表面ε=（0.95～1.0）對(duì)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(zhǎng)的變化曲線相似，或它的單色發(fā)射率不隨波長(zhǎng)變化?；殷w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(shí)際物體在各個(gè)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(diǎn)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(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)；服從Lambert定律的表面成為漫射表面。雖然實(shí)際物體的定向發(fā)射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地認(rèn)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(dá)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(duì)于漫射表面，輻射性質(zhì)與方向無關(guān)，則：對(duì)于灰表面，輻射性質(zhì)與波長(zhǎng)無關(guān)，則：對(duì)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