吉林大學(xué)光電子學(xué)chp1-3

1、$1-3 熱輻射的一般概念一、熱傳遞的三種方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。 （1）傳導(dǎo)熱從物體溫度較高的部分沿著物體傳到溫度較低的部分，叫做傳導(dǎo)。 熱傳導(dǎo)是固體中熱傳遞的主要方式。在氣體或液體中，熱傳導(dǎo)過程往往和對(duì)流同時(shí)發(fā)生。各種物質(zhì)都能夠傳導(dǎo)熱，但是不同物質(zhì)的傳熱本領(lǐng)不同。善于傳熱的物質(zhì)叫做熱的良導(dǎo)體，不善于傳熱的物質(zhì)叫做熱的不良導(dǎo)體。各種金屬都是熱的良導(dǎo)體，其中最善于傳熱的是銀，其次是銅和鋁。瓷、紙、木頭、玻璃、皮革都是熱的不良導(dǎo)體。最不善于傳熱的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、軟木和其他松軟的物質(zhì)。液體中，除了水銀以外，都不善于傳熱，氣體比液體更不善于傳熱。 （2）對(duì)流靠液體或氣體的流動(dòng)來傳熱的

2、方式叫做對(duì)流。 對(duì)流是液體和氣體中熱傳遞的主要方式，氣體的對(duì)流現(xiàn)象比液體更明顯。 （3）物體的溫度在高于絕對(duì)零度時(shí)向外界發(fā)出輻射（電磁波），這種輻射稱為熱輻射。 用輻射方式傳遞熱，不需要任何介質(zhì)，因此，輻射可以在真空中進(jìn)行。 地球上得到太陽的熱，就是太陽通過輻射的方式傳來的。 一般情況下，熱傳遞的三種方式往往是同時(shí)進(jìn)行的。 一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多。熱輻射的光譜是連續(xù)譜，波長(zhǎng)覆蓋范圍理論上可從0直至，一般的熱輻射主要靠波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見光和紅外線。由于電磁波的傳播無需任何介質(zhì)，所以熱輻射是在真空中唯一的傳熱方式。人體表面的熱輻射波長(zhǎng)在

3、2.5-15um范圍，峰值波長(zhǎng)約在 9.3um處。溫度較低時(shí)，主要以不可見的紅外光進(jìn)行輻射，當(dāng)溫度為300攝氏度時(shí)熱輻射中最強(qiáng)的波長(zhǎng)在紅外區(qū)。當(dāng)物體的溫度在500度以上至800度時(shí)，熱輻射中最強(qiáng)的波長(zhǎng)成分在可見光區(qū)。關(guān)于熱輻射,其重要規(guī)律有4個(gè)：基爾霍夫輻射定律，普朗克輻射分布定律，斯蒂藩-玻耳茲曼定律，維恩位移定律。+:0二、描述熱輻射的物理量輻射量客觀量（適用于整個(gè)波段）兩套量光度量主觀量（可見光段）單色量（d ）單色輻射量，單色光度量每套量全色量（） 輻射量，光度量2231111=222=ormeeeeJ mdQdtWJ S e、輻射能量密度 ：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所具有的輻射能（1-3-1）的單

4、位為：、輻射通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位面積的輻射能量（1-3-2）的單位為或者總輻射通量輻射功率：輻射源發(fā)出的能量包括所有方向。2213()4eeeeQW mAA tdQW srdt eeee、輻射出射度M 輻出度從物體的表面單位面積上所輻射的通量，亦即：從物體的表面單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上輻射的能量。M單位：輻射出射度也稱為發(fā)射本領(lǐng)或輻射通量密度。、輻射強(qiáng)度I輻射源在某一方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量亦即：輻射源在單位時(shí)間內(nèi)、單位立體角內(nèi)輻射的能量I單位：20 020 00I, )I, )sinI, )sinIIsinI2cos4 Ieeeeddd dd dd d eeeeee一般情況下，輻射強(qiáng)度

5、隨方向而變，是關(guān)于（ ， ）的函數(shù)在球坐標(biāo)系中，通過（ ， ）方向上立體角d 的輻射通量為：(點(diǎn)光源發(fā)出的總輻射通量為：(對(duì)均勻發(fā)光體， 不隨角度變化2215=coscoseeeLdLdAW msr e、輻射亮度面輻射源在某一方向上的單位投影面積，在單位立體角內(nèi)的輻射通量I（ ）（ A）單位：面元法線與輻射方向之間的夾角。00002()=cos=06eeeLLLALdW mdA e朗伯光源 余弦輻射體 ： 與 無關(guān)朗伯光源的輻射強(qiáng)度可表示為：I( ) II( )為時(shí)的亮度、輻射照度單位受光面積上所接收的輻射通量單位：0780380( )( )( )( )( )( )( )=()=()( )ee

6、eeeeeeeeeeeeeeeVVMILMILdddd ee三、單色輻射量與全色輻射量的關(guān)系或輻射量（ ）積分關(guān)系單色輻射量（ ） 微分關(guān)系光度量221,(),(),()(cos ),VVVVVVVVVVdQdtlmMddAlm mddAlxIddcdLdIdAcd m 人眼對(duì)不同頻率的光波有不同的響應(yīng)，即使相同輻射通量的光波照射到人眼上，仍然有不同的亮暗感覺。所以引入光度量，以反映視覺的亮暗特性。、光度量及其單位光通量流明光出射度光照度勒克司發(fā)光強(qiáng)度坎德拉光亮度四、光度量12540 10 Hz 1/6831cd1cdlmm1lx1cdc-12光度量的所有單位都是從光強(qiáng)度的單位推導(dǎo)出來的。頻率

7、為的單色輻射， 在某方向上的輻射強(qiáng)度為（W sr ）,則稱該方向上的光強(qiáng)度為。若均勻點(diǎn)光源發(fā)出的光強(qiáng)度為，則稱光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量為1lm。若1的光通量均勻的照射在1的面積上，則稱接收面上的光照度為。若從單位面積光源上在其法線方向發(fā)出的光強(qiáng)度為，則光源在該方向上的光亮度為12d/m 。12( )( )lm/W( )1( )=555683()vveevmmemKKKVKKnmKlm W 、光譜光視效能同一波長(zhǎng)下，光通量與輻射通量之比（1-3-12）單位：3、光譜光視效率(視見函數(shù))某一波長(zhǎng)的光譜光視效能與最大光譜光視效能之比表示人眼對(duì)不同頻率光波的敏感程度。（1-3-13）當(dāng)時(shí)，最大1

8、55515550nmnmV( )=不在可見光區(qū)明視覺的響應(yīng)峰值在555nm，暗視覺的響應(yīng)峰值在500nm左右，曲線整體向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。323210cd/m380780nm555nm10cd/mnmnm人眼視網(wǎng)膜上有錐狀細(xì)胞和柱狀細(xì)胞當(dāng)光亮度時(shí)，錐狀細(xì)胞起作用，敏感范圍在范圍，在上最敏感，并且可以分辨各種顏色，稱為明視覺。當(dāng)光亮度時(shí)，錐狀細(xì)胞不敏感，主要是柱狀細(xì)胞起作用。柱狀細(xì)胞的敏感范圍是330730，在507上最敏感，并且不能分辨各種顏色，稱為暗視覺。=530=200lm=0.8612 22001=0.86683683200=0.34683 0.86200530 =588lm W0.34(

9、2)0.34 12040.86veveeeveeeWKQtJ m例：已知波長(zhǎng) nm，光通量，其光譜光視效率V( )。求：（ ）光譜輻射通量；（ ）分鐘內(nèi)輻射出的能量。K( )解：（ ）V( )=K所以（）34 3 6作業(yè)：，物體在向外輻射的同時(shí)，還吸收從其他物體輻射來的能量。物體輻射或吸收的能量與它的溫度、表面積、黑度等因素有關(guān)。但是，在熱平衡狀態(tài)下，輻射體的光譜輻射出射度（見輻射度學(xué)和光度學(xué)）r（，T）與其光譜吸收比a（，T）的比值則只是輻射波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，而與輻射體本身性質(zhì)無關(guān)，即 上述規(guī)律稱為基爾霍夫輻射定律，由德國物理學(xué)家G.R.基爾霍夫于1859年建立。式中吸收比a 的定義是：被物

10、體吸收的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射通量與入射到該物體的輻射通量之比。該定律表明，熱輻射輻出度大的物體其吸收比也大，反之亦然。 黑體是一種特殊的輻射體，它對(duì)所有波長(zhǎng)電磁輻射的吸收比恒為1。黑體在自然條件下并不存在，它只是一種理想化模型，但可用人工制作接近于黑體的模擬物。即在一封閉空腔壁上開一小孔，任何波長(zhǎng)的光穿過小孔進(jìn)入空腔后，在空腔內(nèi)壁反復(fù)反射，重新從小孔穿出的機(jī)會(huì)極小，即使有機(jī)會(huì)從小孔穿出，由于經(jīng)歷了多次反射而損失了大部分能量 。對(duì)空腔外的觀察者而言，小孔對(duì)任何波長(zhǎng)電磁輻射的吸收比都接近于1，故可看作是黑體。將基爾霍夫輻射定律應(yīng)用于黑體，有 可見，基爾霍夫輻射定律中的函數(shù)f(，T)即黑體的光譜輻射出射度。 人體表面的熱輻射波長(zhǎng)在2.5-15um范圍，峰值波長(zhǎng)約在 9.3um處，其中8-14um波段的輻射約占