热辐射基本定律和辐射特性

关于热辐射基本定律和辐射特性8.1.2从电磁波的角度描述热辐射的特性1.传播速率与波长、频率间的关系真空中光速，大气中略低。热辐射的本质是电磁波：波速、波长和频率的关系：——频率，、；——波长，、；第2页,共44页，2024年2月25日，星期天2.电磁波的波谱热辐射的波长范围：①工业应用：，（红外线）①太阳辐射：，（可见光）近红外线：，远红外线：第3页,共44页，2024年2月25日，星期天3.物体表面对电磁波的作用（1）吸收比、反射比与穿透比之间的一般关系热辐射投射到物体表面上：吸收、反射、穿透入射总能：吸收、反射、穿透第4页,共44页，2024年2月25日，星期天①吸收比：黑体：，理想吸收体。一般：，固体、液体在表面吸收，气体在内部吸收。②反射比：镜体：，理想反射体。气体：，第5页,共44页，2024年2月25日，星期天两类反射：镜面反射：磨光表面，遵循反射定律。漫反射：一般表面，粗糙度大于波长。注意：（a）漫反射中，白体；（b）工业材料表面都为漫反射。③穿透比：透明体：，理想透明体。固体、液体：，第6页,共44页，2024年2月25日，星期天8.1.3黑体模型及其重要性黑体：，无反射，常为黑色；典型的热辐射模型，研究黑体可得到热辐射规律。黑体模型：带有空腔的小孔。热辐射由小孔射入，空腔吸收全部辐射能，从小孔反射出来的能量可忽略。此外：空腔内壁热辐射能量由小孔射出，在小孔外侧，可测黑体空腔的热辐射。注意：黑体吸收能力最强，其辐射能力也最强。第7页,共44页，2024年2月25日，星期天8.2黑体热辐射的基本定律8.2.1斯忒藩-玻耳兹曼定律关于热辐射：①物体表面向空间发射、吸收辐射能——半球空间；②物体热辐射各种波长的辐射能，但强度不同。辐射力：单位时间、单位面积上辐射的总能量。注意：包括全部波长、半球空间所有方向。黑体辐射力：黑体辐射系数：第8页,共44页，2024年2月25日，星期天8.2.2普朗克定律1.光谱辐射力：单位时间，单位表面积，包含的单位波长范围的辐射能。表明波长的电磁波的辐射能力。2.普朗克定律：由量子理论推得黑体光谱辐射力

第一辐射常量

第二辐射常量

第9页,共44页，2024年2月25日，星期天维恩位移定律：黑体的光谱辐射力存在峰值①——最大光谱辐射力的波长；②温度升高，向短波移动。（一般物体类似）3.普朗克定律与斯忒藩-玻耳兹曼定律的关系

第10页,共44页，2024年2月25日，星期天4.黑体辐射能按波段的分布

①在波长范围内辐射能：②黑体辐射函数：即：在内的辐射能所占的百分比。③在波长范围内辐射能：第11页,共44页，2024年2月25日，星期天第12页,共44页，2024年2月25日，星期天8.2.3兰贝特定律1.立体角：电磁波沿直线传播，在同一锥体内，不同面积上的辐射能相同。单位：空间度①是垂直的面积；②半球空间。在球坐标系中：纬度角经度角第13页,共44页，2024年2月25日，星期天2.定向辐射强度可见辐射面积：对辐射面积，法线方向—可见辐射面积最大方向—可见辐射面积定向辐射强度：（表示某一方向辐射强度）在某一方向上，单位时间内，

单位可见辐射面积上辐射出去的，落在单位立体角内的辐射能。在与辐射面法向成角的方向上：单位：第14页,共44页，2024年2月25日，星期天3.兰贝特定律（余弦定律）实验测定表明：黑体的定向辐射强度是个常量。余弦定律：即：从单位辐射面积上发出的辐射能，在空间各个方向上是不同的。第15页,共44页，2024年2月25日，星期天4.兰贝特定律与斯忒藩-玻耳兹曼定律间的关系对半球空间，黑体辐射力：（单位时间，单位面积辐射能）第16页,共44页，2024年2月25日，星期天P363例题8-3试分别计算温度为1000K、1400K、3000K、6000K、时可见光和红外线辐射在黑体总辐射中所占的份额。解：以时，黑体辐射可见光为例：可见光波长范围第17页,共44页，2024年2月25日，星期天第18页,共44页，2024年2月25日，星期天P364例题8-4如图所示，有一个微元黑体面积dAb=10-3m2，与该黑体表面相距0.5m处另有三个微元面积dA1、dA2、dA3，面积均为10-3m2，该三个微元面积的空间方位如图中所示。试计算从dAb发出分别落在dA1、dA2与dA3对dAb所张的立体角中的辐射能量。解：①立体角：第19页,共44页，2024年2月25日，星期天②辐射能：第20页,共44页，2024年2月25日，星期天8.3固体和液体的辐射特性8.3.1实际物体的辐射力固体与液体热辐射特性相似，与气体辐射相差很大。实际物体的辐射力与同温度下的黑体不同。定义，发射率（黑度）：注意：表明物体的辐射特性，与环境无关。实际物体：第21页,共44页，2024年2月25日，星期天8.3.2实际物体的光谱辐射力实验发现：实际物体的光谱辐射力与黑体不同，但总的变化趋势——定性关系基本一致。定义，光谱发射率（单色黑度）：光谱发射率与发射率关系：注意：实验发现与温度有关。第22页,共44页，2024年2月25日，星期天8.3.3实际物体的定向辐射强度实际物体的定向辐射强度，在不同方向发生变化。定义，定向发射率（定向黑度）：——与辐射面法线的夹角1.定向发射率随角的变化规律①黑体：定向辐射强度为常量，②漫射体：定向辐射强度为常量，黑体漫射体第23页,共44页，2024年2月25日，星期天，开始增大③金属导体：理论分析与实验基本一致（极坐标），，第24页,共44页，2024年2月25日，星期天，开始减小，，④非导电体：1-潮湿的冰2-木材3-玻璃4-纸5-粘土6-氧化铜7-氧化铝第25页,共44页，2024年2月25日，星期天定向辐射强度：指从单位可见面积发射出去的，落在空间任意方向的单位立体角中的能量。2.定向发射率与半球平均发射率间的关系第26页,共44页，2024年2月25日，星期天说明：①理论和实验表明：在大半个半球空间基本为常量，——修正系数②实验测定：金属（高度磨光取上限）非金属（粗糙表面取上限）工程计算中：，因此：工程中一般给出法向发射率，并看成是漫射体。第27页,共44页，2024年2月25日，星期天3.影响物体发射率的因素①物质种类；②表面温度；③表面状况第28页,共44页，2024年2月25日，星期天P370例题8-6实验测得2500K钨丝的法向一单色发射率如图所示，试计算其辐射力及发光效率。解：①发射率：第29页,共44页，2024年2月25日，星期天P360表8-1第30页,共44页，2024年2月25日，星期天②可见光范围由图得发射率第31页,共44页，2024年2月25日，星期天8.4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系8.4.1实际物体的吸收比黑体：，，；实际物体：，，投入辐射：单位时间，外界投入到物体上单位面积的辐射能。吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分比。

取决于两因素：①吸收物体的特性：种类、表面温度、表面状况；②投入辐射的特性：波长范围、能量分布。第32页,共44页，2024年2月25日，星期天1.光谱吸收比实验表面：实际物体对不同波长的辐射能，其吸收不同。指对所有波长的辐射能吸收的平均值。光谱吸收比：物体吸收某一特定波长辐射能的百分比。第33页,共44页，2024年2月25日，星期天非导体的光谱吸收比：波长小于时，光谱吸收比小于；波长大于时，光谱吸收比高达。第34页,共44页，2024年2月25日，星期天2.实际物体的吸收具有选择性选择性吸收：指物体的光谱吸收比随波长变化。实际当中，大量存在：①温室效应温室玻璃对太阳辐射穿透比高，辐射能进入温室；玻璃对室内红外辐射穿透比低，阻止热量散失。②物体颜色太阳光照射到物体上时，吸收不同，颜色不同：全部吸收——黑色；全部反射——白色；均匀吸收并反射——灰色；只反射一种波长——单色。第35页,共44页，2024年2月25日，星期天3.实际物体吸收的选择性对辐射传热计算所造成的困难①表面1吸收表面2的辐射表面2辐射：表面1吸收：第36页,共44页，2024年2月25日，星期天②表面1吸收黑体的辐射简化：实际中测物体对黑体的吸收比。第37页,共44页，2024年2月25日，星期天8.4.2灰体的概念及其工程应用为简化吸收的计算，提出灰体的概念。灰体：光谱吸收比与波长无关，即注意：①灰体的吸收与辐射物体无关，只与自身性质有关；②工业上热辐射物体，可当作灰体处理。第38页,共44页，2024年2月25日，星期天8.4.3吸收比与发射率的关系——基尔霍夫定律1.实际物体吸收比和发射率间的关系设：表面1为黑体，辐射力，吸收比表面2为实物，辐射力，吸收比对实际物体2：辐射热量热平衡时，①注意：是与黑体的吸收比。②条件：热平衡；黑体投入辐射。定律表明：物体辐射能力大，其吸收能力也强。例如黑体。第39页,共44页，2024年2月25日，星期天2.漫射灰体吸收比和发射率间的关系漫射灰体（漫