熱輻射的基本定律分解PPT學習教案

1、會計學1 熱輻射的基本定律分解熱輻射的基本定律分解 第1頁/共46頁 2021-7-15 第2頁/共46頁 2021-7-15 第3頁/共46頁 2021-7-15 第4頁/共46頁 2021-7-15 n熱輻射的特點熱輻射的特點： n（1）所有溫度大于所有溫度大于0K的物體都具有輻射能力的物體都具有輻射能力 ，溫度溫度 越高，輻射能力越強。越高，輻射能力越強。 n（2）熱輻射）熱輻射不依靠中間介質不依靠中間介質，可以在真空中傳，可以在真空中傳 播。播。 n（3）物體間以熱輻射方式進行的熱量傳遞是）物體間以熱輻射方式進行的熱量傳遞是雙雙 向向的，的，并且伴隨著能量形式的轉換并且伴隨著能量形式的

2、轉換 。 第5頁/共46頁 2021-7-15 當熱輻射投射到物體當熱輻射投射到物體 表面上時，一般會發(fā)表面上時，一般會發(fā) 生三種現(xiàn)象，即吸收生三種現(xiàn)象，即吸收 、反射和穿透，如圖、反射和穿透，如圖 所示。所示。 圖圖8-2 8-2 熱射線的吸收、反射和透射熱射線的吸收、反射和透射 第6頁/共46頁 2021-7-15 n吸收率(吸收比)n反射率(反射比)n透射率(透射 比) 1 1 Q Q Q Q Q Q QQQQ 第7頁/共46頁 2021-7-15 黑體：黑體：物體能吸收全部的外來射線，物體能吸收全部的外來射線，=1 白體：白體：物體能反射全部外來射線，物體能反射全部外來射線，=1 透明

3、體：透明體：物體能被外來射線所全部透射，物體能被外來射線所全部透射，=1 對于對于固體、液體：固體、液體：可認為可認為=0，1 對于對于氣體：氣體：可認為可認為=0，1 第8頁/共46頁 2021-7-15 1-3 輻射強度和輻射力輻射強度和輻射力 輻射能的分布輻射能的分布 按按空間空間方向分布方向分布 按按波長波長分布分布 一、定向輻射強度一、定向輻射強度 立體角立體角：空間角度空間角度。單位單位為為sr（球面度）。（球面度）。 以立體角的角端為中心，作半徑為以立體角的角端為中心，作半徑為r的半球，將半的半球，將半 球表面上被立體角所切割的面積球表面上被立體角所切割的面積A除以半徑的平方除以

4、半徑的平方 r2，即得到立體角的，即得到立體角的量度量度： 半球的立體角半球的立體角2 2 2 r A 第9頁/共46頁 2021-7-15 dd r drrd r dA d sin sin 2 2 2 圖圖8-3a dA1上某點對上某點對dA2所張的立體角所張的立體角 圖圖8-3b 定向輻射強度定向輻射強度 面積面積dA=長長x寬寬 第10頁/共46頁 2021-7-15 22 2 d,d, W/(msr) d dd d cos I AA n單位：單位：W/(m2.sr) 第11頁/共46頁 2021-7-15 光譜定向輻射強度（單色輻射強度）光譜定向輻射強度（單色輻射強度） ：在某給定輻射

5、在某給定輻射 方向上，單位時間、單位可見輻射面積，在波長方向上，單位時間、單位可見輻射面積，在波長 附附 近的近的單位波長單位波長間隔內，單位立體角所發(fā)射的能量，稱為間隔內，單位立體角所發(fā)射的能量，稱為 光譜定向輻射強度，又稱為單色定向輻射強度。光譜定向輻射強度，又稱為單色定向輻射強度。 0 , dII 單位：單位：W/(m2.sr.m) 光譜定向輻射強度光譜定向輻射強度和和定向輻射強度定向輻射強度的關系的關系 2 , d W/(msr m) d I I 第12頁/共46頁 2021-7-15 二、輻射力二、輻射力 定向輻射力：在定向輻射力：在某給定輻射方向上，某給定輻射方向上，單位時間內，物

6、體單位時間內，物體 單位輻射面積、在單位單位輻射面積、在單位立體角立體角內所發(fā)射全波長的能量，內所發(fā)射全波長的能量， 稱為定向輻射力稱為定向輻射力 。 dAd d E ),( 2 單位：單位：W/(m2.sr) E cos IE nn IE 當（當（=0）時）時 因為因為定向輻射力定向輻射力是以發(fā)射輻射能物體的單位面積作為計算依據，而是以發(fā)射輻射能物體的單位面積作為計算依據，而 定向輻射強度定向輻射強度是站在給定輻射方向所是站在給定輻射方向所看到的（相當于投影面積）看到的（相當于投影面積）單單 位面積，所以二者之間存在以下關系：位面積，所以二者之間存在以下關系： 第13頁/共46頁 2021-

7、7-15 輻射力：輻射力：單位時間內，物體的單位時間內，物體的每單位輻射面積向每單位輻射面積向 半球空間半球空間所發(fā)射的所發(fā)射的全部波長全部波長的總能量。的總能量。 2 cos dIE 20 cosddIE E 單位：單位： W/m2 輻射力輻射力與與定向輻射強度定向輻射強度的關系的關系 輻射力輻射力與與單色輻射強度單色輻射強度的關系的關系 2 dEE 輻射力輻射力與與定向輻射力定向輻射力的關系的關系 第14頁/共46頁 2021-7-15 0 dEE d dE E 光譜輻射力（單色輻射力）：光譜輻射力（單色輻射力）：單位時間內，物體的每單單位時間內，物體的每單 位面積，在波長位面積，在波長附

8、近的附近的單位波長間隔單位波長間隔內，向半球空間所內，向半球空間所 發(fā)射全波長的能量。發(fā)射全波長的能量。 E單位：單位：W/(m2.m) 第15頁/共46頁 2021-7-15 20 , ddEE dd dE E 光譜定向輻射力（單色定向輻射力）：光譜定向輻射力（單色定向輻射力）：單位時單位時 間內，物體的每間內，物體的每單位面積單位面積、向半球空間的某給、向半球空間的某給 定輻射方向上，在定輻射方向上，在單位立體角單位立體角內所發(fā)射在波長內所發(fā)射在波長 附近的附近的單位波長間隔內單位波長間隔內的能量。的能量。 , E 單位：單位：W/(m2.sr.m) cos , IE 第16頁/共46頁

9、2021-7-15 本節(jié)有本節(jié)有4個定律個定律， 用用黑體黑體來討論，來討論， 黑體用角標黑體用角標“b” 表示表示 圖圖8-4 人工黑體模型人工黑體模型 1.黑體概念黑體概念 黑體：黑體：是指能吸收投入到其面是指能吸收投入到其面 上的所有熱輻射能的物體，是上的所有熱輻射能的物體，是 一種科學假想的物體，現(xiàn)實生一種科學假想的物體，現(xiàn)實生 活中是不存在的。但卻可以人活中是不存在的。但卻可以人 工制造出近似的人工黑體。工制造出近似的人工黑體。 第17頁/共46頁 2021-7-15 一、普朗克定律一、普朗克定律 從量子理論出發(fā)，得出了黑體從量子理論出發(fā)，得出了黑體單色輻射力單色輻射力和和波長、波長

10、、 熱力學溫度熱力學溫度之間的函數(shù)關系。之間的函數(shù)關系。 1 2 5 1 T C b e C E Km101.439C/m;mW10743. 3 4 2 48 1 C 式中，式中， 波長，波長，m ； T 黑體溫度，黑體溫度，K ； c1 第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，3.74210-16 W m2； c2 第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.438810-2 W K； 第18頁/共46頁 2021-7-15 圖圖8-5a 普朗克定律揭示的關系普朗克定律揭示的關系 Eb=f (，T) 第19頁/共46頁 2021-7-15 圖圖8-5b Eb與與 T的函數(shù)關系的函數(shù)關系 第20頁/共46頁 2021

11、-7-15 二、維恩位移定律二、維恩位移定律 Km6 .2897 max T 1891年，維恩（年，維恩（Wien)用熱力學理論退出，黑體輻射的峰值用熱力學理論退出，黑體輻射的峰值 波長波長 與熱力學溫度與熱力學溫度T之間的函數(shù)關系，可以用下式來表之間的函數(shù)關系，可以用下式來表 示。示。 max 第21頁/共46頁 2021-7-15 第22頁/共46頁 2021-7-15 KT5761 503. 0 6 .28977 .2896 max 第23頁/共46頁 2021-7-15 二、維恩位移定律二、維恩位移定律 討論討論：利用維恩定律，可根據黑體的峰值波長求黑體溫度，：利用維恩定律，可根據黑體

12、的峰值波長求黑體溫度， 它可作為光譜測溫的基礎。它可作為光譜測溫的基礎。 例如，可以解釋金屬加熱時的顏色變化。在例如，可以解釋金屬加熱時的顏色變化。在5000C以下，金屬以下，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，隨著溫度升高，金屬相繼呈現(xiàn)暗紅、紅、黃，溫度超 過過13000C時，開始發(fā)白。就是金屬輻射發(fā)出的時，開始發(fā)白。就是金屬輻射發(fā)出的可見光及可見可見光及可見 光光短波段的能量逐漸增加的緣故。短波段的能量逐漸增加的緣故。 第24頁/共46頁 2021-7-1

13、5 22 斯蒂芬玻爾茲曼定律斯蒂芬玻爾茲曼定律 斯蒂芬玻爾茲曼定律表達式：斯蒂芬玻爾茲曼定律表達式： 24 0 5 1 0 W/m 1 2 Td e C dEE b T C bb 黑體輻射常數(shù)黑體輻射常數(shù) 24 W/m) 100 ( T CE bb 黑體輻射系數(shù)黑體輻射系數(shù) 第25頁/共46頁 2021-7-15 T T c b b b b b Tb bbbb TfTd eT c T dE E E F EEdEE 0 5 1 4 0 )0( )0( )0()0()( )()( ) 1()( 2 12 2 1 21 工程上常計算某一工程上常計算某一波段范圍內黑體的輻射能波段范圍內黑體的輻射能及其

14、及其在在 輻射力中所占的百分數(shù)輻射力中所占的百分數(shù)。 黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù) 見表見表8-1 )( Tf 第26頁/共46頁 2021-7-15 )0(Tb F 第27頁/共46頁 2021-7-15 1 2 第28頁/共46頁 2021-7-15 第29頁/共46頁 2021-7-15 KmT7 .2016576235. 0 1 n查表查表8-1，可得，可得 %96. 60696. 0 )0( 1 Tb F 第30頁/共46頁 2021-7-15 KmT4 .1555757627 . 2 2 n查表查表8-1，可得，可得 %17.979717. 0 )0( 2 Tb F 第31頁/共46頁

15、 2021-7-15 %21.90%96. 6%17.97 )0()0( ) ( 12 12 TbTb TT b FFF n因此，該玻璃的太陽輻射穿透比為：因此，該玻璃的太陽輻射穿透比為： %68.76 1 %21.9085. 0 1 21 能量波長范圍內透過玻璃的從 入射到玻璃上的輻射能 透過玻璃的輻射能 第32頁/共46頁 2021-7-15 第33頁/共46頁 2021-7-15 23 蘭貝特余弦定律蘭貝特余弦定律 把物體發(fā)射的定向輻射強度與方向無關的特性成為漫發(fā)射把物體發(fā)射的定向輻射強度與方向無關的特性成為漫發(fā)射 ，而反射的定向輻射強度與方向無關的性質稱為漫反射，而反射的定向輻射強度與

16、方向無關的性質稱為漫反射， 若某物體既有漫發(fā)射性質，又有漫反射性質，稱為漫射表若某物體既有漫發(fā)射性質，又有漫反射性質，稱為漫射表 面。面。 黑體在半球空間各方向上的輻射強度相等（黑體在半球空間各方向上的輻射強度相等（蘭貝蘭貝 特余弦定律）。特余弦定律）。 n III 21 coscoscos nn EIIE 這是蘭貝特定律的另外一個表達式，說明這是蘭貝特定律的另外一個表達式，說明法線方法線方 向向的定向輻射力最大。的定向輻射力最大。 黑體的黑體的定向輻射力定向輻射力為：為： 第34頁/共46頁 2021-7-15 IddIdIE 2/ 0 2 02 sincoscos 黑體的黑體的定向輻射力定

17、向輻射力隨方向角按隨方向角按余弦余弦規(guī)律變化，法向的規(guī)律變化，法向的 定向輻射力最大。定向輻射力最大。 除了黑體以外，只有除了黑體以外，只有漫輻射漫輻射表面才遵循蘭貝特定律。表面才遵循蘭貝特定律。 漫輻射漫輻射表面的輻射力為：表面的輻射力為： 說明：當物體遵守蘭伯特定律時，它在任何方向上的定向輻射強度說明：當物體遵守蘭伯特定律時，它在任何方向上的定向輻射強度 都等于輻射力都等于輻射力E除以圓周率除以圓周率，即，即I=E/。 第35頁/共46頁 2021-7-15 24 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 一、實際物體的輻射發(fā)射率一、實際物體的輻射發(fā)射率 物體的物體的發(fā)射率發(fā)射率：實際物體的輻射力與同溫度

18、下的：實際物體的輻射力與同溫度下的 黑體的輻射力之比。黑體的輻射力之比。 第36頁/共46頁 2021-7-15 Tb T T bb bb E E E E E E E E E E , , , , , , T 時單色定向發(fā)射率溫度為 單色定向發(fā)射率定向發(fā)射率 單色發(fā)射率發(fā)射率 44 ) 100 ( T CTEE bbb 實際物體的輻射力實際物體的輻射力 n n 對非金屬表面對非金屬表面 = =（0.950.951.01.0） 對磨光金屬表面對磨光金屬表面 = =（1.01.01.21.2） n 第37頁/共46頁 2021-7-15 灰體：灰體：物體物體單色輻射力單色輻射力與同溫度黑體單色輻射力

19、與同溫度黑體單色輻射力 隨波長的隨波長的變化曲線相似變化曲線相似，或它的，或它的單色發(fā)射率不隨單色發(fā)射率不隨 波長變化波長變化。 常數(shù) 灰體也是理想化的物體灰體也是理想化的物體 第38頁/共46頁 2021-7-15 圖圖8-9 實際物體在各個方向上發(fā)射率的變化實際物體在各個方向上發(fā)射率的變化 （a）非導體；（）非導體；（b）導電體）導電體 1融冰；融冰；2玻璃；玻璃；3黏土；黏土；4氧化亞銅；氧化亞銅；5鉍；鉍；6鋁青銅；鋁青銅；7鐵（鈍化）鐵（鈍化） 第39頁/共46頁 2021-7-15 本節(jié)中，還有幾點需要注意本節(jié)中，還有幾點需要注意 1.1. 將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復雜將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復雜 ，很難理論確定，實際上是一種權宜之計；，很難理論確定，實際上是一種權宜之計； 2.2. 服從服從LambertLambert定律的表面成為漫射表面。雖然實際物體的定律的表面成為漫射表面。雖然實際物體的 定向發(fā)射率并不完全符合定向發(fā)射率并不完全符合Lambert