第2章 熱輻射定律及輻射源1.ppt

第2章熱輻射定律及輻射源 物體因溫度而輻射能量的現(xiàn)象叫熱輻射 熱輻射是自然界中普遍存在的現(xiàn)象 一切物體 只要其溫度高于絕對(duì)零度 273 15 C 都將產(chǎn)生輻射 黑體 或稱絕對(duì)黑體 是一個(gè)能完全吸收入射在它上面的輻射能的理想物體 其在輻射度學(xué)中占有十分重要的地位 黑體輻射在輻射度學(xué)中起到了基準(zhǔn)的作用 黑體本身也不是一個(gè)抽象的概念 現(xiàn)實(shí)世界中許多光源可認(rèn)為或近似認(rèn)為是黑體 2 1黑體輻射的基本定律 1 基爾霍夫定律當(dāng)輻射能入射到物體表面時(shí) 一部分能量被物體吸收 一部分能量從物體表面反射 一部分透射 1859年基爾霍夫指出 物體的輻射出射度M和吸收本領(lǐng)a的比值M a與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān) 都等于同一溫度下絕對(duì)黑體 a 1 的輻射出射度M0 基爾霍夫定律基爾霍夫定律不但對(duì)所有波長(zhǎng)的全輻射 而且對(duì)波長(zhǎng)為 的任何單色輻射都是正確的 即 2 1黑體輻射的基本定律 基爾霍夫定律是一切物體熱輻射的普遍定律 吸收本領(lǐng)大的物體 其發(fā)射本領(lǐng)也大 如果物體不能發(fā)射某波長(zhǎng)的輻射 則也不能吸收該波長(zhǎng)的輻射 絕對(duì)黑體對(duì)于任何波長(zhǎng)在單位時(shí)間 單位面積上發(fā)出或吸收的輻射能都比同溫度下的其它物體要多 引入輻射發(fā)射率或比輻射率 0 1 是 T和表面性質(zhì)的函數(shù)黑體 1 灰體 1 與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)選擇體 1 一些常用材料及地面覆蓋物的輻射發(fā)射率 點(diǎn)溫儀 距離系數(shù) L D 2 1黑體輻射的基本定律 2 普朗克輻射定律1900年 普朗克提出一種與經(jīng)典理論完全不同的學(xué)說 建立了輻射出射度公式 最常用的形式是以波長(zhǎng)表示的方式 其中 第一輻射常數(shù)c1 2 hc2 3 7418 10 16 W m2 第二輻射常數(shù)c2 hc k 1 4388 10 2 m K k為波爾茲曼常數(shù) c為光速 2 1黑體輻射的基本定律 由于光波的波長(zhǎng)與頻率v可通過光速進(jìn)行轉(zhuǎn)換 因此 普朗克公式也可用頻率表示由于黑體是朗伯輻射體 故也可得到輻亮度公式若exp c2 T 1 可改寫維恩近似式物理意義 黑體輻射的光譜分布 2 1黑體輻射的基本定律 3 斯蒂芬 玻爾茲曼定律在全波長(zhǎng)內(nèi)普朗克公式積分 得到黑體輻射出射度與溫度之間的關(guān)系 斯蒂芬 玻爾茲曼定律 W m2 其中 5 6696 10 8 W m 2 K 4 稱為斯蒂芬 玻爾茲曼常數(shù) 物理意義 黑體在單位面積單位時(shí)間內(nèi)輻射的總能量與黑體溫度T的四次方成正比 2 1黑體輻射的基本定律 4 維恩位移定律黑體光譜輻射是單峰函數(shù) 利用極值條件求得峰值波長(zhǎng) m滿足維恩位移定律 m K 式中 常數(shù)b c2 4 9651 2898 m K 物理意義 當(dāng)黑體的溫度升高時(shí) 其光譜輻射的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng) 幾個(gè)黑體輻射的特征波長(zhǎng) 2 1黑體輻射的基本定律 5 最大輻射定律將峰值波長(zhǎng) m代入普朗克公式 得到最大輻射出射度式中 1 2862 10 11 W m 2 m 1 K 5 物理意義 黑體最大輻射出射度與T的五次方成正比 2 2黑體輻射的計(jì)算 1 光譜輻射的計(jì)算令 并以 應(yīng)用黑體函數(shù)表f x 可計(jì)算給定溫度T黑體輻射的光譜分布 由 m 2898 T確定 m 并確定M0 m T BT5 由要求的波段選擇相應(yīng)的波長(zhǎng) i 確定xi i m值 確定yi f xi 確定M0 i T 重復(fù)直至求出各個(gè)波長(zhǎng)處的單色輻射出射度M0 T 2 2黑體輻射的計(jì)算 2 波段輻射的計(jì)算令 應(yīng)用黑體函數(shù)表z x 可計(jì)算 由 m 2898 T確定 m 求出x1 1 m和x2 2 m 并查表得到z x1 和z x2 解 太陽(yáng)黑體 故 m Ts 2898 即太陽(yáng)的表面溫度Ts 6037 5 K 太陽(yáng)發(fā)射的輻射強(qiáng)度為 例 已知太陽(yáng)峰值輻射波長(zhǎng) m 0 48 m 日地平均距離L 1 495 108km 太陽(yáng)半徑Rs 6 955 105km 如將太陽(yáng)和地球均近似看作黑體 求太陽(yáng)和地球的表面溫度 地球吸收太陽(yáng)的輻射通量為 同時(shí) 地球向外的輻射通量為 達(dá)到平衡時(shí) ea ee 溫度保持平衡 得到 2 3輻射體的溫度 一般地 各種發(fā)射輻射能的物體表面在不同的溫度下可能具有不同的光譜輻射特性 其發(fā)射的輻射能比黑體發(fā)射的輻射能小 且發(fā)射率是波長(zhǎng) 溫度的函數(shù) 在輻射度學(xué)和光度學(xué)及其應(yīng)用中 常常需要類似于黑體那樣 用溫度描述光源 輻射體等的某些輻射特性 常用的有分布溫度 色溫 相關(guān)色溫 亮溫和輻射溫度 2 3 1分布溫度 光源分布溫度是在一定譜段范圍內(nèi)光源光譜輻亮度曲線和黑體的光譜輻亮度曲線成比例或近似地成比例時(shí)的黑體溫度 因而分布溫度可描述光源的光譜能量分布特性 與黑體光譜能量分布近似的發(fā)射體可用分布溫度的概念 例如白熾燈在可見譜段內(nèi)的光譜輻射特性和黑體的十分近似 a Tb 2 3 1分布溫度 并非所有的光源都可求其分布溫度 例如線狀或帶狀的不連續(xù)光譜光源 其光譜輻射特性與黑體相差很大 求出的分布溫度已沒有實(shí)際意義 故一般僅限于光源光譜能量分布和黑體的相差不大于5 的情況 灰體的分布溫度就是其真實(shí)溫度 但是對(duì)于發(fā)射率是波長(zhǎng)函數(shù)的發(fā)射體 分布溫度和其真實(shí)溫度有所差別 例如白熾燈 由于鎢的發(fā)射率在短波部分比在長(zhǎng)波部分高 由維恩位移定律 L T 的光譜輻亮度曲線將和峰值波長(zhǎng)為 m 溫度為T1 T 的黑體光譜輻射出射度成比例 2 3 2色溫和相關(guān)色溫 色溫是顏色溫度的簡(jiǎn)稱 當(dāng)發(fā)射體和某溫度的黑體有相同的顏色時(shí) 黑體溫度稱為發(fā)射體的色溫 即色溫是人眼主觀色度感覺上把光源作為一定溫度的黑體來(lái)描述 色溫的概念不僅限于人眼色覺上的一致 可擴(kuò)展到任意波長(zhǎng) 根據(jù)色度學(xué) 色具有同色異譜的性質(zhì) 即相同的顏色可由具有不同的光譜能量分布特性的光構(gòu)成 因此 色溫不能象分布溫度那樣近似說明光源的光譜能量分布特性 但對(duì)于具有不連續(xù)光譜的發(fā)射體或具有連續(xù)光譜但其光譜能量分布特性與黑體相差甚大的發(fā)射體 可用色溫來(lái)描述 任意光源的色只能說與某一溫度黑體的色相近 不可能完全相同 相關(guān)色溫就是發(fā)射體和某溫度的黑體有最相近的色時(shí)黑體的溫度 2 3 2色溫和相關(guān)色溫 國(guó)際照明委員會(huì)1960 UCS均勻色度圖 由不同黑體溫度對(duì)應(yīng)的色坐標(biāo)點(diǎn)所連成的曲線 普朗克軌跡 只要發(fā)射體的色坐標(biāo)落在普朗克軌跡上 則這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的黑體溫度就是發(fā)射體的色溫 與普朗克軌跡正交的一組直線族稱為等相關(guān)色溫線 線上標(biāo)出的數(shù)值是麥爾德 Mired 值 簡(jiǎn)寫成MRD MicroReciprocalDegrees 2 3 2色溫和相關(guān)色溫 所謂 和黑體有相近色 并不嚴(yán)格 相近可表示很接近 也可以是相差甚遠(yuǎn)但卻能找到一個(gè)與某溫度黑體的色最近似的相關(guān)色溫值 因此上圖中直線族的長(zhǎng)度是有限度的 約與 15麥克亞當(dāng) MacAdam 閾值單位 表示人眼恰能分辨色差異閾值的單位 相當(dāng) 色差異多大就不能用相關(guān)色溫表示 也是不完全準(zhǔn)確 等相關(guān)色溫線提供了衡量待測(cè)色和黑體色之間近似差異程度的可能 任意發(fā)射體的色坐標(biāo)離普朗克軌跡越遠(yuǎn) 用黑體色來(lái)描述發(fā)射體色的可能性就越小 當(dāng)光源的光譜分布和黑體相近時(shí) 光源的色溫就與其分布溫度一致 在可見光譜范圍內(nèi) 大多數(shù)金屬 非金屬的發(fā)射率隨波長(zhǎng)增加而下降 增長(zhǎng) 其色溫比真實(shí)溫度稍高 低 2 3 3輻亮度溫度 實(shí)際發(fā)射體在某一波長(zhǎng) 窄譜段范圍內(nèi) 的光譜輻亮度和黑體在某一溫度同一波長(zhǎng)下的光譜輻亮度相等時(shí) 黑體溫度稱為發(fā)射體的輻亮度溫度 如果波長(zhǎng)在可見光譜范圍內(nèi)用人眼 或具有人眼光譜光視效率響應(yīng)的探測(cè)器 來(lái)判斷其間亮度相等時(shí) 則稱為亮度溫度 簡(jiǎn)稱亮溫 在波長(zhǎng) 處 溫度為Tb的黑體輻亮度L0 Tb 與溫度為T的輻射物體輻亮度L T 相等 則Tb就是輻射物體的輻亮度溫度 2 3 3輻亮度溫度 若c2 T 1 用維恩近似公式 有 若己知輻射體在選定波長(zhǎng)的發(fā)射率 則由測(cè)得的輻亮度溫度Tb可求出輻射體的真實(shí)溫度T 輻射測(cè)溫基本公式由于待測(cè)輻射體的溫度是客觀的 若取不同的測(cè)量波長(zhǎng)值 則輻亮度溫度值可能隨著改變 因此 工業(yè)光學(xué)高溫計(jì)常用中心波長(zhǎng)為0 65 m的一個(gè)窄譜段來(lái)測(cè)溫 2 3 3輻亮度溫度 1 測(cè)溫靈敏度 物理意義 c2 T表示輻射體單位相對(duì)溫度變化引起相對(duì)輻亮度變化的比例 表征了輻射測(cè)溫的靈敏度 2 真實(shí)溫度與輻亮度溫度由于輻射體的發(fā)射率總小于1 故T Tb 即輻射體的實(shí)際溫度高于輻亮度溫度 對(duì)具有確定工作波長(zhǎng)的測(cè)溫儀 可通過預(yù)先標(biāo)定的溫度修正表 對(duì)測(cè)得的輻亮度溫度和輻射體的發(fā)射率進(jìn)行查表 得到實(shí)際溫度的修正值 2 3 3輻亮度溫度 3 環(huán)境輻射的影響在測(cè)量中 由于 T 1 環(huán)境溫度輻射也作為一個(gè)輻射源在待測(cè)物體表面反射而進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng) 因此環(huán)境溫度的影響必須考慮 假定輻射體為朗伯源時(shí) 則當(dāng)環(huán)境溫