-熱輻射基本定律-課件

第七章熱輻射基本定律及

物體的輻射特性

§7-1熱輻射的基本概念§7-2黑體輻射基本定律§7-3實(shí)際固體和液體的輻射特性§7-4實(shí)際物體的吸收比與基爾霍夫定律囚猩屆畢挺戈誹誼腆陪兒磨渡唾赤澀再蠕聞篆襖功汗某鉗紉凍篙鵑禍采昆-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-§7-1熱輻射的基本概念

熱輻射的應(yīng)用：（1）輻射采暖；（2）輻射干燥；（3）輻射測(cè)溫

輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。電磁輻射的波長(zhǎng)范圍很廣，從長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米的無(wú)線電波到小于10-14米的宇宙射線。由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁輻射稱(chēng)為熱輻射。一般工程上所指的熱輻射包括可見(jiàn)光、部分紫外線和紅外線。

10-510-410-310-210-1110102103104105/m可見(jiàn)光X射線射線紫外線紅外線無(wú)線電波熱輻射0括邑爺笨?jī)?yōu)田頌硝栽傍唱咒窺君穿持詹殺虧繳椿設(shè)媚矚茁孜勞捉串個(gè)嘯鴿-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-

熱輻射在機(jī)理上與導(dǎo)熱和對(duì)流的區(qū)別：（1）導(dǎo)熱與對(duì)流是由于物質(zhì)微觀粒子的熱運(yùn)量和物體的宏觀運(yùn)動(dòng)所造成的能量轉(zhuǎn)移。熱輻射是一種電磁波，是各類(lèi)物質(zhì)的固有特性，是由于物質(zhì)的電磁運(yùn)動(dòng)所引起的能量的傳遞；（2）無(wú)需媒介；（3）是一種表面現(xiàn)象。輻射是離暴露表面約1m距離內(nèi)的分子發(fā)射出的，輻射隨表面性質(zhì)不同而不同；籍孕雄寧肛徐麓哈八版粗端縛哺躺顴柴鋁檬陳隱堿時(shí)姻緣粵餐隨咨幌乒婚-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-

熱輻射在機(jī)理上與導(dǎo)熱和對(duì)流的區(qū)別：（4）與溫度有關(guān)。同一物體表面在不同的溫度下，其輻射力不同；（5）輻射換熱過(guò)程中伴隨有能量形式的兩次轉(zhuǎn)化內(nèi)能電磁能內(nèi)能（6）是一種特殊電磁波。其波長(zhǎng)、波速與頻率之間存在有如下關(guān)系其中：為波長(zhǎng)；f為頻率；c為波速,C=2.998108m/s注意：（1）只要物體的溫度高于0K，物體總是不斷地把熱能變化輻射能，向外發(fā)出熱輻射。（2）物體在對(duì)外發(fā)出熱輻射的同時(shí)也不斷地吸收周?chē)矬w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。輻射換熱是指物體之間相互輻射和吸收的總效果。宙唾腕惱據(jù)耀嚎悉爐轎暮柏朵荊敦洶桃銀糧釘寺著茸羅矢捌偵衡坍粒南貍-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-§7-1-2吸收、反射和透射一個(gè)物體如果與另一個(gè)物體相互能夠看得見(jiàn)，那么它們之間就會(huì)發(fā)生輻射熱交換。當(dāng)熱輻射的能量投射到物體表面上時(shí)，會(huì)發(fā)生吸收、反射和穿透現(xiàn)象。若外界投射到物體表面上的總能量為Q，一部分Q被物體吸收，一部分Q被物體反射，一部分Q穿透物體。按能量守恒定律有：

QQQ

Q

或迅梨埋塹凹習(xí)悔自廣覺(jué)破瑣函附鞋某粘坡峰諷熟寇癌廓惡享敵甘葡戮杉荔-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-各部分百分?jǐn)?shù)Q/Q、Q/Q、Q/Q分別稱(chēng)為該物體對(duì)投入輻射的吸收比(率)、反射比（率）和透射比（率），記為、和。于是

熱射線不能穿過(guò)固體和液體，因此固體和液體上的熱輻射是表面輻射。當(dāng)輻射能進(jìn)入固體或液體表面后，在一個(gè)極短的距離內(nèi)就吸收完了。故對(duì)于固體和液體有上式表明，對(duì)固體和液體而言，吸收能力大的物體其反射本領(lǐng)就小。

縣釜臂姥腦硅哎硬濰碟姐彩汁相候睹墾儀醫(yī)慘潞毀禾裂然埔堤膿抨釣彥恨-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-輻射能投射到氣體上時(shí)，情況與投射到固體或液體上不同。氣體對(duì)輻射能幾乎沒(méi)有反射能力，可以認(rèn)為反射比=0，故有氣體對(duì)熱射線的吸收和穿透是在空間中進(jìn)行的，其自身的輻射也是在空間中完成的。因此，氣體的熱輻射是容積輻射。不同物體的吸收比、反射比和透射比因具體條件不同差別很大，給熱輻射的計(jì)算帶來(lái)很大困難。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，定義了一些理想物體。礦疚肺妓槽莽浪堆嘶除駕給詛瑩懂隋敗概鋤極知亂痔掃融剛屎藉噬那確禍-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-幾種特殊情況：(1)鏡反射。當(dāng)表面的不平整尺寸小于投入輻射的波長(zhǎng)時(shí)，形成鏡面反射，此時(shí)入射角等于反射角。高度磨光的金屬板會(huì)形成鏡面反射。121=2(2)漫反射。反射能均勻地分布在物體表面的各個(gè)方向上。當(dāng)表面的不平整尺寸大于投入輻射的波長(zhǎng)時(shí)一般形成漫反射。這時(shí)從某一方向投射到物體表面上的輻射向空間各方向反射出去。砧搽龜犁蛀按封盅惦謎窄蟲(chóng)幌瓦瘤匿性譴禮楊誹輕涵披漫喉五詛絲逆辯互-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-注：物體表面是漫反射還是鏡反射取決于物體表面相對(duì)于輻射波長(zhǎng)的表面粗糙程度。(3)全反射。ρ=1。外來(lái)的射線在物體表面被全部反射出去。全反射表面物體稱(chēng)為白體（具有漫反射的表面）或鏡體（具有鏡反射的表面）。(4)透明體。外來(lái)射線能全部穿過(guò)的物體。此時(shí)透射比（率）τ=1(5)黑體（全吸收）。外部熱輻射能被其全部吸收的物體。此時(shí)吸收比=1。自然界并不存在黑體，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑體的模型。錄寇崇椿轍咎排卯臻匪舍蜘旗濃姜鮮對(duì)國(guó)亡憶育耀狙杭崖匣起籬郊布福震-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-選用吸收比小于1的材料制造一個(gè)空腔，并在空腔壁面上開(kāi)一個(gè)小孔，再設(shè)法使空腔壁面保持均勻的溫度。這時(shí)空腔上的小孔就具有黑體輻射的特性。

研究發(fā)現(xiàn)，若小孔占內(nèi)壁面積小于0.6%，當(dāng)內(nèi)壁吸收比為0.6時(shí)，小孔的吸收比可大于0.996。

黑體將所有投射在它上面的一切波長(zhǎng)和所有方向上的輻射能全部吸收，因此在所有物體之中，它吸收熱輻射的能力最強(qiáng)。姻積兌郡醞七敘胎歐湖枷涌堤人閻民保固腹到晝鯨烘瘴牽妄矽拍包硯贈(zèng)噶-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-由于熱輻射包含了一個(gè)波長(zhǎng)范圍，因此其輻射的強(qiáng)弱隨波長(zhǎng)而變化。光譜能反映這種依賴(lài)關(guān)系。一般而言，對(duì)于某一波長(zhǎng)下的輻射（稱(chēng)為單色輻射），同樣存在、、是物體表面的輻射特性，和物體的性質(zhì)、溫度和表面狀況有關(guān)。奏入雀謝殆閉奠睬沫異行唱民涼潦竣牛叢彈涌柑宇渣旱隕逢財(cái)耐尚肩兄疫-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-§7-1-3輻射力和輻射強(qiáng)度1輻射力

①總輻射力輻射力也稱(chēng)全色輻射力，其定義為單位時(shí)間單位輻射面積向半球空間輻射出去的一切波長(zhǎng)的輻射能量。E為輻射力，其單位為W/m2；dQ為微元面積dA向半球空間輻射出去的總輻射能。脾藹絳幻涸嚷裙芬榷浸黑債嫩咱循妮鵲乎織鈉淀乓習(xí)夷緘地蛤礫丑遷沁默-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-②

單色輻射力

單色輻射力被定義為單位時(shí)間單位輻射面積向半球空間輻射出去的某一波長(zhǎng)范圍的輻射能量，用來(lái)描述輻射能量隨波長(zhǎng)的分布特征。

Eλ為物體表面的單色輻射力；dQλ為微元面積dA向半球空間輻射出去的某一波長(zhǎng)的輻射能；λ為熱射線的波長(zhǎng)，單位為μm。輻射力和單色輻射力之間的關(guān)系:丙紋綴撲貼閹城攪臥姬左梨欣楔粕形磺蔑浪浚羔液苞疫歐譏舅氮濘禽孿踴-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-③

方（定）向輻射力

方向輻射力是定義來(lái)描述物體表面輻射能量在半球空間中的分布特征，其定義為單位時(shí)間單位輻射面積向半球空間中某一個(gè)方向上單位立體角內(nèi)輻射的所有波長(zhǎng)的輻射能量。dω為微元立體角得奪匝湛逗醫(yī)伯舔茂趴甸達(dá)號(hào)慌益其縣締媳廷箭螢阮逼諱督罩睹箍酪岡慮-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-立體角是用來(lái)衡量空間中的面相對(duì)于某一點(diǎn)所張開(kāi)的空間角度的大小，如圖c所示，其定義為：球面上微元面df與球的半徑的平方之比。其中：df為空間中的微元面積，r為該面積與發(fā)射點(diǎn)之間的距離。即：在球坐標(biāo)系中，如圖所示，按幾何關(guān)系有dθdφdfφθn球坐標(biāo)系中的立體角r汰奶哀塵烙愛(ài)嬰顧錦朝歉蔚陵撈味鄉(xiāng)耐咎鉀慷紳尤擰么雛房陸煙炯岸授撇-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-其單位為W/(m2Sr)，Sr為球面度,是立體角的單位。由于半球面積為2πr2,故半球面對(duì)球心所張開(kāi)的立體角ω=2π[Sr]。④輻射強(qiáng)度

處于不同的空間位置所能看見(jiàn)的輻射面積是變化的，隨著?

角的增大，輻射面積在該方向上的可見(jiàn)面積（投影面積）就變小。定義輻射強(qiáng)度，用以表示單位時(shí)間在某一輻射方向上的單位可見(jiàn)輻射面積向該方向單位立體角內(nèi)輻射的所有波長(zhǎng)的輻射能。dAcosφdAφndω輻射強(qiáng)度的定義圖凸惹書(shū)電鳥(niǎo)逆韭適淮快蓖壞腎嘗瓢洽諱嘶卡趴猩匈烯儲(chǔ)茸帳圭倒制午尸妨-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-輻射強(qiáng)度與方向輻射力的關(guān)系:與輻射力之間的關(guān)系:單位為W/(m2Sr)，式中為給定方向上的可見(jiàn)輻射面積，也就是垂直于該方向的流通面積。在法線方向，有:恍凜逝駁師鬃殊獵熄傀弓嫌迫箭緘抒雇薊釋蕉匿尾我群執(zhí)重灘串王補(bǔ)敞郁-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-當(dāng)輻射強(qiáng)度是針對(duì)某波長(zhǎng)、波長(zhǎng)間隔d范圍而言，則稱(chēng)為單色輻射強(qiáng)度，用I表示:則:即:－光譜強(qiáng)度其中為垂直于該方向的單位投影面積單色輻射力與單色輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系為：籃靜堪鑰捅瞇矩違肖矮薛爪頸歧擴(kuò)凳陽(yáng)舷度與價(jià)以騰檄擔(dān)瀝碴擦瘓汛券轍-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-§7-2

黑體輻射基本定律①普朗克定律普朗克定律表示的是黑體的輻射能按波長(zhǎng)的分布規(guī)律，描述了黑體的單色輻射力與熱力學(xué)溫度T、波長(zhǎng)之間的函數(shù)關(guān)系。由量子理論得到的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：h為普朗克常數(shù)，h=6.625610-34Js；k為波茲曼常數(shù)，k=1.3810-23J/K挨送瀉優(yōu)刀寫(xiě)甘炬咳饒色駿咽革輕礬舜倪站簡(jiǎn)鄲宇竹雕知脅旁蚌售擅撥興-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-普朗克定律也可表示為：c1為第一輻射常數(shù)，c1=3.74210-16W·m2；c2為第二輻射常數(shù)，c2=1.438810-2m·K右圖給出了在溫度為參變量下的單色輻射力隨波長(zhǎng)變化的一組曲線?？梢?jiàn)（1）單色輻射力隨著波長(zhǎng)的增加而增加，達(dá)到某一最大值后又隨著波長(zhǎng)的增加而慢慢減?。唬?）在同一波長(zhǎng)下，黑體的溫度越高，其對(duì)應(yīng)的單色輻射力越大。

T1T2T1>T2dE鞭寧葬熄崇關(guān)剛除宦油隱犬汾熬豎效故暇疆蘸肩酬既酞呸層防鉛甭薪宋蠟-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-②維恩（位移）定律

對(duì)普朗克公式微分，得Eb最大處的波長(zhǎng)m隨溫度不同而變化。令得Eb出現(xiàn)最大值處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)max氈介翔莎蕾番語(yǔ)驗(yàn)增微營(yíng)遇彥積杰軟靳循廚緘蚌蛔鍛洞?？杼暮鸹收鐕u-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-可見(jiàn)max與T成反比，T越高，則max越小，這一規(guī)律為維恩（Wien）位移定律.右圖描述了黑體單色輻射力隨波長(zhǎng)和溫度的變化。由圖可見(jiàn)，隨著溫度的升高，黑體輻射能的分布在向波長(zhǎng)短的方向集中，也就是高溫輻射中短波熱射線含量大而長(zhǎng)波熱射線含量相對(duì)少。λEbλ0T1T2T3T5黑體單色輻射力隨波長(zhǎng)和溫度變化T4桌晰走它驅(qū)做芯湍僻戮癸貸漱臆昂荒誠(chéng)慶順割餃舵拷丙嗽萌沸瓢喉弧薛拙-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-③

斯忒芬－波爾茲曼定律

斯忒芬（Stefan）于1879年由實(shí)驗(yàn)確定黑體的輻射力與熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系，其后由波爾茲曼（Boltzmann）于1884年從熱力學(xué)關(guān)系式導(dǎo)出。某溫度下黑體得全波長(zhǎng)輻射力Eb可記為式中：Eb為黑體的輻射力（W/m2）；T為黑體的絕對(duì)溫度（K）；σ0為斯忒芬－波爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8[W/(m2K4)]。僳銥往四逸豬拭敲拄賬象墳杖鵬源只琉茶零硅要樸沛敏棍柄匆澎粱窘儈羅-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-于是，給定溫度下，從0波長(zhǎng)間隔的發(fā)射輻射占全部輻射的份額可寫(xiě)為

Ebλ0λ2λ1λ一定波長(zhǎng)范圍黑體的輻射力殊絹柬展什輕嫁泊轍漱盯恩幾疆進(jìn)晶甚繹窟僑祖圾震藐貢挎堤棉攀魔藐藻-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-

表示波長(zhǎng)從0到λ的波段輻射函數(shù)。f(T)稱(chēng)為黑體輻射函數(shù)，見(jiàn)表7-1。于是，任何兩個(gè)波長(zhǎng)1和2之間（波段)的輻射能量占總輻射能量的份額可描寫(xiě)為

醒鄙洗押扯澳譚資握?qǐng)@跑詹賴(lài)鑒敵粘抑瓷夕注將述連占婁鑒詣煩球罷怎粗-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-④蘭貝特余弦定律（Lambert）Lambert認(rèn)為，黑體和漫輻射體的輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，即

由于又且于是，有上式稱(chēng)為蘭貝特余弦定律。即單位輻射面積發(fā)出的輻射能，落到空間不同方向單位立體角的能量的數(shù)值不相等，其值正比于該方向與輻射面法線方向夾角的余弦?；钅帐銌⑿拾Y突唬漏涪姜況養(yǎng)筆詞專(zhuān)熔乳鄂控軍真鋼墊后潰凈萌系替爽-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-對(duì)于漫輻射表面，由lambert定律，可得

即：輻射力是任意方向輻射強(qiáng)度的倍。于是，有對(duì)于非漫輻射表面，引入

稱(chēng)為表面定向發(fā)射率文賣(mài)揩艘抑騰閃盾嘶匣斗苞塘擋佐奮愿鋼煥盯茬榜肩僧寒納張忠鞠頂滋坯-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-例7-1：試分別計(jì)算溫度為2000K和5800K的黑體的最大光譜輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)m。解：按計(jì)算：當(dāng)T=2000K時(shí)，

當(dāng)T=5800K時(shí)，

可見(jiàn)工業(yè)上一般高溫輻射（2000K內(nèi)），黑體最大光譜輻射力的波長(zhǎng)位于紅外線區(qū)段，而太陽(yáng)輻射（5800K）對(duì)應(yīng)的最大光譜輻射的波長(zhǎng)則位于可見(jiàn)光區(qū)段。晶膛地鉸搓溉拱牲聽(tīng)振黎搜穢鴿番爸俯酶狽總媳及兌疾也浸凄內(nèi)坎懲吭洱-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-例7-2：一黑體置于室溫為27℃的廠房中，試求在熱平衡條件下黑體表面的輻射力。如果將黑體加熱到327℃，它的輻射力又是多少？解：在熱平衡條件下，黑體溫度與室溫相同，輻射力為：327℃時(shí)黑體的輻射力為無(wú)腑四脹贅哺烈介勁政希壩求因笛環(huán)卓墾及奈候敖裙娥芽疵缺鋒蛇澎摩紀(jì)-熱輻射基本定律--熱輻射基本定律-例7-3：試分別計(jì)算溫度為1000