物體的熱輻射特性ppt課件

1、第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性1第七章第七章 熱輻射基本定律及熱輻射基本定律及 物體的輻射特性物體的輻射特性第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性27-1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念1. 熱輻射特點熱輻射特點(1) 定義：由熱運動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量；定義：由熱運動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量；(2) 特點：特點：a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 K，就會不停地向周，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；圍空間發(fā)出熱輻射；b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播；c 伴隨能量形伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；式的轉(zhuǎn)變；d 具有強烈的方向性；具有強烈的方向性；e 輻射能與溫度

2、和波長輻射能與溫度和波長均有關(guān)；均有關(guān)；f 發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。次方。2. 電磁波譜電磁波譜電磁輻射包含了多種形式，如圖電磁輻射包含了多種形式，如圖7-17-1所示，而我們所感興趣所示，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實際意義的熱輻射區(qū)域一般為的，即工業(yè)上有實際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.1100m0.1100m。電磁波的傳播速度：電磁波的傳播速度： c = f c = f 式中：式中：f f 頻率，頻率，s-1; s-1; 波長，波長，mm第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性3電電 磁磁 輻輻 射射 波波 譜譜圖7-1第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性4當熱輻射投

3、射到物體表面上時，一般當熱輻射投射到物體表面上時，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖透，如圖7-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ3. 3. 物體對熱輻射的吸收、反射和穿透物體對熱輻射的吸收、反射和穿透 圖圖7.27.2物體對熱輻射的物體對熱輻射的吸收、反射和穿透吸收、反射和穿透吸收比、反射比、透射比體現(xiàn)了能量的守衡體現(xiàn)了能量的守衡第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性5對于大多數(shù)的固體和液體：對于大多數(shù)的固體和液體：對于不含顆粒的氣體：對于不含顆粒的氣體：對于黑體：對于黑體： 鏡體或白體：鏡體或白體：1111,01,0透明體：透明體：反射又分鏡面

4、反射和漫反射兩種反射又分鏡面反射和漫反射兩種圖圖7-3 鏡面反射鏡面反射圖圖7-4 漫反射漫反射第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性6第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性71.1.黑體概念黑體概念黑體：是指能吸收投入到其面黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，上的所有熱輻射能的物體，（吸收比（吸收比=1=1的物體），是的物體），是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實生一種科學(xué)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。圖圖7-5 7-5 黑體模型黑體模型7-2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律第七章 熱輻射基本定

5、律及物體的輻射特性8第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性9輻射力輻射力E E：單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和。波長的能量總和。 (W/m2) (W/m2)；單色單色( (或光譜或光譜) )輻射力輻射力EE：單位時間內(nèi)，對某一給定波長，物體的單位表面積向半單位時間內(nèi)，對某一給定波長，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。球空間發(fā)射的能量。 (W/m2) (W/m2)；2.2.熱輻射能量的表示方法熱輻射能量的表示方法E、E關(guān)系關(guān)系:顯然，顯然， E和和E之間具有如下關(guān)系：之間具有如下關(guān)系：dEE0黑體一般采用下標黑體

6、一般采用下標b表示，如黑體的輻射力為表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的單色黑體的單色(或光譜或光譜)輻射力為輻射力為Eb第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性103.黑體輻射的三個基本定律及相關(guān)性質(zhì)黑體輻射的三個基本定律及相關(guān)性質(zhì) 1)(512TcbecE式中，式中， 波長，波長，m m ； T T 黑體溫度，黑體溫度，K K ； c1 c1 第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，3.7423.74210-16 Wm210-16 Wm2； c2 c2 第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.43881.438810-2 W10-2 WK K； (1)(1)普朗克定律普朗克定律( (第一個定律第一個定律) )：圖

7、圖7-67-6是根據(jù)上式描繪的黑體單是根據(jù)上式描繪的黑體單色輻射力隨波長和溫度的依變色輻射力隨波長和溫度的依變關(guān)系。關(guān)系。mm與與T T 的關(guān)系由維恩的關(guān)系由維恩WienWien定律給出，定律給出，2897mTm K圖圖7-6 Planck 定律的圖示定律的圖示2/()W m m第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性11(2)(2)斯忒藩斯忒藩- -珀耳茲曼珀耳茲曼Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律定律( (第二第二個定律個定律) )： 25041()01cbbTcE ddeET式中，式中，= 5.67= 5.6710-8 W/(m210-8 W/(m2K4)

8、K4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常數(shù)。常數(shù)。40240()1005.67/(),.bTECCWmK黑體輻射系數(shù)又稱為四次方定律又稱為四次方定律.2/W m第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性121)(512TcbecE第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性13圖圖7-8 7-8 立體角定義圖立體角定義圖定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面度球面度)，如圖，如圖7-8和和7-9所示半球的立體角為所示半球的立體角為2）ddsindd2rAc(3)(3)立體角立體角第七章 熱輻射基本

9、定律及物體的輻射特性14圖圖7-9 7-9 計算微元立體角的幾何關(guān)系計算微元立體角的幾何關(guān)系第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性15定義：單位時間內(nèi)，物體在單位面積上，在單位立體角內(nèi)定義：單位時間內(nèi)，物體在單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長的能量。發(fā)射的一切波長的能量。 (4)定向輻射力定向輻射力EdQ( )d dEA2EE d2/()W m sr第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性16定義：單位時間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上，定義：單位時間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長的能量，參見圖在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長的能量，參見圖7-107-10

10、。 d ( )( )d codsQLA(5) (5) 定向輻射強度定向輻射強度L(L(, , ) )：圖圖7-10 7-10 定向輻射強度定向輻射強度 的定義圖的定義圖(6) 蘭貝特蘭貝特 （ Lambert ）定律）定律(黑黑體輻射的第體輻射的第 三個基本定律三個基本定律)dQ( )cosd dELA它說明黑體的定向輻射力隨天頂角它說明黑體的定向輻射力隨天頂角呈余弦規(guī)律變化，見圖呈余弦規(guī)律變化，見圖7-11，因，因此，此， Lambert定律也稱為余弦定定律也稱為余弦定律。律。2/()W m sr黑體的定向輻射強黑體的定向輻射強度與方向無關(guān)。度與方向無關(guān)。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特

11、性17圖圖7-11 Lambert7-11 Lambert定律圖示定律圖示LLEdcos2沿半球方向積分上式，可獲得半球輻射強度沿半球方向積分上式，可獲得半球輻射強度E:E:(dsindd) 第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性18第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性19第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性20 7-3 實際固體和液體的輻射特性實際固體和液體的輻射特性1 發(fā)射率發(fā)射率前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強，包括所有方向和所有波長；的能力最強，包括所有方向和所有波長；真實物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的

12、黑體；真實物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；因此，定義了發(fā)射率因此，定義了發(fā)射率 (也稱為黑度也稱為黑度) ：相同溫度下，實：相同溫度下，實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:4TEEEb第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性21上面公式只是針對方向和光譜平均的情況，但實際上，真實表面上面公式只是針對方向和光譜平均的情況，但實際上，真實表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性

13、22bbLLLL)()()()( 對應(yīng)于黑體的輻射力對應(yīng)于黑體的輻射力Eb，光譜輻射力，光譜輻射力Eb和定向輻射強度和定向輻射強度L，分別引，分別引入了三個修正系數(shù)，即，發(fā)射率入了三個修正系數(shù)，即，發(fā)射率，光譜發(fā)射率，光譜發(fā)射率( )和定向發(fā)射率和定向發(fā)射率( )，其表達式和物理意義如下其表達式和物理意義如下40)(TdEEEbb實際物體的輻射力與實際物體的輻射力與黑體輻射力之比黑體輻射力之比:實際物體的光譜輻射實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比力之比(光譜輻射力光譜輻射力)bEE)(實際物體的定向輻射實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻強度與黑體的定向輻射強度之比：

14、射強度之比：(定向發(fā)定向發(fā)射率射率)第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性23漫發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射率漫發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射率 () 與方向無關(guān)，與方向無關(guān)，即定向輻射強度與方向無關(guān)，滿足上述規(guī)律的表面稱為漫即定向輻射強度與方向無關(guān)，滿足上述規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面，這是對大多數(shù)實際表面的一種很好的近似。發(fā)射面，這是對大多數(shù)實際表面的一種很好的近似。圖圖7-15 幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率( )(t=150)第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性24圖圖7-16 幾種非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率幾種非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向發(fā)

15、射率( )(t=093.3)第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性25黑體、灰體等都是理想物體，實際物黑體、灰體等都是理想物體，實際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同，比如，體相同，比如，(1)(1)實際物體的輻射實際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見圖力與黑體和灰體的輻射力的差別見圖7-147-14；(2) (2) 實際物體的輻射力并不完實際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；(3) (3) 實際物體的定向輻射強度也不嚴格遵實際物體的定向輻射強度也不嚴格遵守守LambertLambert定律，等等。所有這些

16、差定律，等等。所有這些差別全部歸于上面的系數(shù)，因此，他們別全部歸于上面的系數(shù)，因此，他們一般需要實驗來確定，形式也可能很一般需要實驗來確定，形式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將真實表面假復(fù)雜。在工程上一般都將真實表面假設(shè)為漫發(fā)射面。設(shè)為漫發(fā)射面。圖圖7-14 實際物體、黑體實際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜和灰體的輻射能量光譜第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性26本節(jié)中，還有幾點需要注意本節(jié)中，還有幾點需要注意將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜，很將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜，很難理論確定，實際上是一種權(quán)宜之計；難理論確定，實際上是一種權(quán)宜之計；服從服從La

17、mbertLambert定律的表面稱為漫射表面。雖然實際物體的定定律的表面稱為漫射表面。雖然實際物體的定向發(fā)射率并不完全符合向發(fā)射率并不完全符合LambertLambert定律，但仍然近似地認為定律，但仍然近似地認為大多數(shù)工程材料服從大多數(shù)工程材料服從LambertLambert定律；定律；物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。這說明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外這說明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。界條件。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性27第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性28第七

18、章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性29第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性307-4 7-4 實際固體的吸收比和基爾霍夫定律實際固體的吸收比和基爾霍夫定律 上一節(jié)簡單介紹了實際物體的發(fā)射情況，那么當外界的輻射投入到物體表面上時，該物體對投入輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對其作出解答。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with what happens to _, while emissivity deals with _第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性311. 1. 投入輻射：單位時間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能投入輻射：單位時間內(nèi)

19、投射到單位表面積上的總輻射能 2. 2. 選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實踐選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實踐 物體對投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長的不同而變物體對投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長的不同而變 化，這叫選擇性吸收化，這叫選擇性吸收3. 3. 吸收比：物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)，通常用吸收比：物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)，通常用表表 示，即示，即)(投入輻射投入的能量吸收的能量首先介紹幾個概念：首先介紹幾個概念：第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性32(4) 光譜吸收比：物體對某一特定波長的輻射能所吸收光譜吸收比：物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分

20、數(shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長的變的百分數(shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長的變化體現(xiàn)了實際物體的選擇性吸收的特性?；w現(xiàn)了實際物體的選擇性吸收的特性。能量投入的某一特定波長的能量吸收的某一特定波長的),(1T圖圖7-17和和7-18分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸收比同分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系。波長的關(guān)系。圖圖7-17 金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長的關(guān)系金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長的關(guān)系第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性33圖圖7-18 7-18 非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系灰體：光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱為灰體

21、。此時，不灰體：光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱為灰體。此時，不管投入輻射的分布如何，吸收比管投入輻射的分布如何，吸收比都是同一個常數(shù)。都是同一個常數(shù)。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性34根據(jù)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)的溫根據(jù)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)的溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長的能量分布有關(guān)。設(shè)下標度有關(guān)外，還與投入輻射按波長的能量分布有關(guān)。設(shè)下標1 1、2 2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體1 1的的吸收比為吸收比為)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質(zhì)表面

22、的性質(zhì)，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbb第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性35在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來看一在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來看一下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，18591859年，年，Kirchhoff Kirchhoff 用熱用熱力學(xué)方法回答了這個問題，從而提出了力學(xué)方法回答了這個問題，從而提出了Kirchhoff Kirchhoff 定律。定律。最簡單的推導(dǎo)是用兩塊無限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。最簡單的推導(dǎo)是用兩塊無限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。如圖如圖7-207-20所示，板所示，板1 1是黑

23、體，板是黑體，板2 2是任意物體，參數(shù)分別為是任意物體，參數(shù)分別為Eb, T1 Eb, T1 以及以及E, E, , T2, T2，則當系統(tǒng)處于熱平衡時，有，則當系統(tǒng)處于熱平衡時，有 bbEEEE圖圖7-20 7-20 平行平板平行平板間的輻射換熱間的輻射換熱第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性36 此即此即Kirchhoff 定律的表達式之一。該式說明，在熱力學(xué)平定律的表達式之一。該式說明，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有如下衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有如下限制：限制：整個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；整個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有

24、關(guān)，因此二者只有處于同一溫物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關(guān)，因此二者只有處于同一溫度下的值才能相等；度下的值才能相等；投射輻射源必須是同溫度下的黑體。投射輻射源必須是同溫度下的黑體。為了將為了將Kirchhoff Kirchhoff 定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們考察、定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們考察、推導(dǎo)了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達推導(dǎo)了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達式，見表式，見表7-27-2。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性37層層 次次數(shù)學(xué)表達式數(shù)學(xué)表達式成立條件成立條件光譜，定向光譜，定向光譜，半球光譜，半球全波段，半球全波段，半球無條件，無條件， 為天頂角為天頂角漫射表面漫射表面與黑體處于熱平衡或?qū)εc黑體處于熱平衡或?qū)β冶砻媛冶砻?,(),(TT),(),(TT)()(TT表表7-2 Kirchhoff 7-2 Kirchhoff 定律的不同表達式定律的不同表達式注：注：漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強度與空間方向無關(guān)，漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強度與