热辐射的基本定律

关于热辐射的基本定律

第8章

热辐射的基本定律

第2页,共46页，2024年2月25日，星期天3本章主要内容1、基本概念2、热辐射的基本定律第3页,共46页，2024年2月25日，星期天4第一节基本概念1-1热辐射的本质和特点

热辐射：物体通过发射电磁波传递热量

热射线：λ=0.1~100μm，包括可见光、部分紫外线和红外线，投射到物体上能产生热效应。

第4页,共46页，2024年2月25日，星期天5第一节基本概念第5页,共46页，2024年2月25日，星期天6热辐射的特点：（1）所有温度大于0K的物体都具有辐射能力，温度越高，辐射能力越强。（2）热辐射不依靠中间介质，可以在真空中传播。（3）物体间以热辐射方式进行的热量传递是双向的，并且伴随着能量形式的转换。第6页,共46页，2024年2月25日，星期天71-2吸收、反射和透射当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图所示。图8-2热射线的吸收、反射和透射第7页,共46页，2024年2月25日，星期天8吸收率(吸收比)反射率(反射比)透射率(透射比)第8页,共46页，2024年2月25日，星期天9黑体：物体能吸收全部的外来射线，α=1白体：物体能反射全部外来射线，ρ=1透明体：物体能被外来射线所全部透射，τ=1对于固体、液体：可认为τ=0，α＋ρ＝1对于气体：可认为ρ=0，α＋τ＝1第9页,共46页，2024年2月25日，星期天101-3辐射强度和辐射力

辐射能的分布按空间方向分布按波长分布一、定向辐射强度

立体角：空间角度。单位为sr（球面度）。以立体角的角端为中心，作半径为r的半球，将半球表面上被立体角所切割的面积A除以半径的平方

r2，即得到立体角的量度：半球的立体角ω＝2π

第10页,共46页，2024年2月25日，星期天11微元立体角

图8-3adA1上某点对dA2所张的立体角 图8-3b

定向辐射强度面积dA=长x宽第11页,共46页，2024年2月25日，星期天12定向辐射强度(简称辐射强度）：在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见辐射面积、在单位立体角内所发射全部波长的能量。所谓可见辐射面积，是指站在给定辐射方向上所看到的（？）发射辐射能物体的表面积。单位：W/(m2.sr)第12页,共46页，2024年2月25日，星期天13光谱定向辐射强度（单色辐射强度）：在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见辐射面积，在波长附近的单位波长间隔内，单位立体角所发射的能量，称为光谱定向辐射强度，又称为单色定向辐射强度。单位：W/(m2.sr.μm)光谱定向辐射强度和定向辐射强度的关系第13页,共46页，2024年2月25日，星期天14二、辐射力

定向辐射力：在某给定辐射方向上，单位时间内，物体单位辐射面积、在单位立体角内所发射全波长的能量，称为定向辐射力。单位：W/(m2.sr)当（θ=0°）时因为定向辐射力是以发射辐射能物体的单位面积作为计算依据，而定向辐射强度是站在给定辐射方向所看到的（相当于投影面积）单位面积，所以二者之间存在以下关系：

第14页,共46页，2024年2月25日，星期天15辐射力：单位时间内，物体的每单位辐射面积向半球空间所发射的全部波长的总能量。单位：W/m2辐射力与定向辐射强度的关系辐射力与单色辐射强度的关系辐射力与定向辐射力的关系第15页,共46页，2024年2月25日，星期天16光谱辐射力（单色辐射力）：单位时间内，物体的每单位面积，在波长λ附近的单位波长间隔内，向半球空间所发射全波长的能量。单位：W/(m2.μm)第16页,共46页，2024年2月25日，星期天17光谱定向辐射力（单色定向辐射力）：单位时间内，物体的每单位面积、向半球空间的某给定辐射方向上，在单位立体角内所发射在波长λ附近的单位波长间隔内的能量。单位：W/(m2.sr.μm)第17页,共46页，2024年2月25日，星期天18第二节热辐射的基本定律本节有4个定律，用黑体来讨论，黑体用角标“b”表示图8-4人工黑体模型1.黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。第18页,共46页，2024年2月25日，星期天19第二节热辐射的基本定律一、普朗克定律

从量子理论出发，得出了黑体单色辐射力和波长、热力学温度之间的函数关系。式中，λ—波长，m；T—黑体温度，K；

c1

—第一辐射常数，3.742×10-16W

m2；

c2—第二辐射常数，1.4388×10-2W

K；

第19页,共46页，2024年2月25日，星期天20图8-5a

普朗克定律揭示的关系Ebλ=f(λ，T)第20页,共46页，2024年2月25日，星期天21

图8-5b

Ebλ与

T的函数关系第21页,共46页，2024年2月25日，星期天22二、维恩位移定律1891年，维恩（Wien)用热力学理论退出，黑体辐射的峰值波长与热力学温度T之间的函数关系，可以用下式来表示。第22页,共46页，2024年2月25日，星期天23例题8-1例8-1

：测得对应于太阳最大光谱辐射力峰值的波长约为0.503微米，若太阳可近似看成是黑体看待，求太阳的表面温度。第23页,共46页，2024年2月25日，星期天24解：太阳表面可近似看成黑体，则可利用维恩定律，太阳表面温度为：第24页,共46页，2024年2月25日，星期天25二、维恩位移定律讨论：利用维恩定律，可根据黑体的峰值波长求黑体温度，它可作为光谱测温的基础。例如，可以解释金属加热时的颜色变化。在5000C以下，金属发出的基本都是红外线，没有可见光，因此金属呈原色。在6000C，随着温度升高，金属相继呈现暗红、红、黄，温度超过13000C时，开始发白。就是金属辐射发出的可见光及可见光短波段的能量逐渐增加的缘故。第25页,共46页，2024年2月25日，星期天262－2斯蒂芬－玻尔兹曼定律

斯蒂芬－玻尔兹曼定律表达式：黑体辐射常数黑体辐射系数第26页,共46页，2024年2月25日，星期天27工程上常计算某一波段范围内黑体的辐射能及其在辐射力中所占的百分数。黑体辐射函数见表8-1第27页,共46页，2024年2月25日，星期天28表8-1，黑体辐射函数表表示波长从0~的辐射能占到了百分之多少！第28页,共46页，2024年2月25日，星期天29例题8-3已知某太阳能集热器的透光玻璃在波长=0.35微米到=2.7微米范围内的穿透比为85%，在此范围之外是不透射的。试计算太阳辐射对该玻璃的穿透比。把太阳辐射作为黑体看待，它的表面温度为5762K。第29页,共46页，2024年2月25日，星期天30第30页,共46页，2024年2月25日，星期天31解：利用黑体辐射函数表8-1，计算某个波长范围内的辐射能量。计算：查表8-1，可得第31页,共46页，2024年2月25日，星期天32同样，计算：查表8-1，可得第32页,共46页，2024年2月25日，星期天33因此，透射在玻璃上的太阳辐射从波长0.35微米到2.7微米范围内的能量，占总能量的百分数为：因此，该玻璃的太阳辐射穿透比为：第33页,共46页，2024年2月25日，星期天34讨论：一般集热器表面的温度不超过1000C（373K)，因此集热器表面发出的长波辐射能无法穿透玻璃。因此，玻璃对短波透过、长波射线阻挡。问题1、如果用这种玻璃作为房屋的窗户，又会如何？问题2、如果集热器表面与玻璃之间保持真空或非真空，集热器的散热损失又有什么变化？第34页,共46页，2024年2月25日，星期天352－3兰贝特余弦定律

把物体发射的定向辐射强度与方向无关的特性成为漫发射，而反射的定向辐射强度与方向无关的性质称为漫反射，若某物体既有漫发射性质，又有漫反射性质，称为漫射表面。黑体在半球空间各方向上的辐射强度相等（兰贝特余弦定律）。

这是兰贝特定律的另外一个表达式，说明法线方向的定向辐射力最大。黑体的定向辐射力为：

第35页,共46页，2024年2月25日，星期天36黑体的定向辐射力随方向角按余弦规律变化，法向的定向辐射力最大。除了黑体以外，只有漫辐射表面才遵循兰贝特定律。漫辐射表面的辐射力为：说明：当物体遵守兰伯特定律时，它在任何方向上的定向辐射强度都等于辐射力E除以圆周率π，即I=E/π。第36页,共46页，2024年2月25日，星期天372－4基尔霍夫定律一、实际物体的辐射发射率物体的发射率：实际物体的辐射力与同温度下的黑体的辐射力之比。第37页,共46页，2024年2月25日，星期天38实际物体的辐射力对非金属表面ε=（0.95～1.0）对磨光金属表面ε=（1.0～1.2）第38页,共46页，2024年2月25日，星期天39灰体：物体单色辐射力与同温度黑体单色辐射力随波长的变化曲线相似，或它的单色发射率不随波长变化。灰体也是理想化的物体第39页,共46页，2024年2月25日，星期天40图8-9实际物体在各个方向上发射率的变化（a）非导体；（b）导电体1—融冰；2—玻璃；3—黏土；4—氧化亚铜；5—铋；6—铝青铜；7—铁（钝化）第40页,共46页，2024年2月25日，星期天41本节中，还有几点需要注意将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难理论确定，实际上是一种权宜之计；服从Lambert定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律，这有许多原因；物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。第41页,共46