熱輻射基本定律和輻射特性學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1熱輻射熱輻射(fsh)基本定律和輻射基本定律和輻射(fsh)特特性性第一頁，共57頁。2 輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。 電磁輻射的波長范圍很廣，從長達(dá)數(shù)百米的無線電電磁輻射的波長范圍很廣，從長達(dá)數(shù)百米的無線電波到小于波到小于10-14米的宇宙射線。米的宇宙射線。 由于由于(yuy)熱的原因而產(chǎn)生的電磁輻射稱為熱輻熱的原因而產(chǎn)生的電磁輻射稱為熱輻射。射。 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 / m可可見見光光X射線射線 射線射線紫外線紫外線紅外線紅外線無線電波無線電波熱輻射熱輻射0第1頁/共57頁第二頁，

2、共57頁。3 在工業(yè)上所遇到的溫度范圍內(nèi)（在工業(yè)上所遇到的溫度范圍內(nèi)（2000K以下），以下），最感興趣的是波長約從最感興趣的是波長約從0.38m到到0.76m的可見光的可見光和波長從可見光譜的紅端之外延伸到和波長從可見光譜的紅端之外延伸到1000m的紅的紅外線。外線。 有時有時(yush)以波長以波長25m為界，又將紅外線區(qū)分為界，又將紅外線區(qū)分為近紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)。為近紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)。 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 / m可可見見光光X射線射線 射線射線紫外線紫外線紅外線紅外線無線電波無線電波熱輻射熱輻射0第2頁/共57頁第三

3、頁，共57頁。4 理論理論(lln)(lln)上熱輻射的波長范圍從零到無窮大，但在日常上熱輻射的波長范圍從零到無窮大，但在日常生活和工業(yè)上常見的溫度范圍內(nèi)，熱輻射的波長主要在生活和工業(yè)上常見的溫度范圍內(nèi)，熱輻射的波長主要在0.1m0.1m至至100m100m之間之間, ,包括部分紫外線、可見光和部分紅外線三個波段。包括部分紫外線、可見光和部分紅外線三個波段。 輻射換熱：以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量交換。輻射換熱：以熱輻射的方式進(jìn)行的熱量交換。第3頁/共57頁第四頁，共57頁。5 只要物體只要物體(wt)(wt)的溫度高于的溫度高于0K0K，物體，物體(wt)(wt)總是不斷總是不斷地把熱能變化輻射

4、能，向外發(fā)出熱輻射。地把熱能變化輻射能，向外發(fā)出熱輻射。 同時，物體同時，物體(wt)(wt)也不斷地吸收周圍物體也不斷地吸收周圍物體(wt)(wt)投射投射到它上面的熱輻射，并把吸收的輻射能重新轉(zhuǎn)變成熱能。到它上面的熱輻射，并把吸收的輻射能重新轉(zhuǎn)變成熱能。 輻射換熱就是指物體輻射換熱就是指物體(wt)(wt)之間相互輻射和吸收的總效之間相互輻射和吸收的總效果。果。 一個物體一個物體(wt)(wt)如果與另一個物體如果與另一個物體(wt)(wt)相互能夠看相互能夠看得見，那么它們之間就會發(fā)生輻射熱交換。得見，那么它們之間就會發(fā)生輻射熱交換。 熱輻射不依靠中間媒介，可以在真空中傳播。熱輻射不依靠

5、中間媒介，可以在真空中傳播。第4頁/共57頁第五頁，共57頁。6輻射換熱的主要影響輻射換熱的主要影響(yngxing)(yngxing)因素：因素：（1 1）物體本身的溫度、表面輻射特性；）物體本身的溫度、表面輻射特性；（2 2）物體的大小、幾何形狀及相對位置。）物體的大小、幾何形狀及相對位置。第5頁/共57頁第六頁，共57頁。7（2 2）物體表面）物體表面(biomin)(biomin)對電磁波的對電磁波的作用作用 當(dāng)熱輻射的能量投射到物體表面上時，會發(fā)生吸收、反射當(dāng)熱輻射的能量投射到物體表面上時，會發(fā)生吸收、反射(fnsh)(fnsh)和穿透現(xiàn)象。若外界投射到物體表面上的總能量為和穿透現(xiàn)象

6、。若外界投射到物體表面上的總能量為Q Q，一，一部分部分Q Q被物體吸收，一部分被物體吸收，一部分Q Q被物體反射被物體反射(fnsh)(fnsh)，一部分，一部分Q Q穿透物體。按能量守恒定律有：穿透物體。按能量守恒定律有： Q Q Q QQ Q Q Q QQQQ1QQQQQQ第6頁/共57頁第七頁，共57頁。8 各部分百分?jǐn)?shù)各部分百分?jǐn)?shù)Q Q /Q /Q 、 Q Q /Q /Q 、Q Q /Q /Q 分別稱為該物體對投入輻分別稱為該物體對投入輻射的吸收射的吸收(xshu)(xshu)比、反射比和透射比，記為比、反射比和透射比，記為 、 和和 。 于是于是1 實際上，當(dāng)輻射能進(jìn)入固體或液體實

7、際上，當(dāng)輻射能進(jìn)入固體或液體(yt)表面后，在一個極短的距表面后，在一個極短的距離內(nèi)就吸收完了。故對于固體和液體離內(nèi)就吸收完了。故對于固體和液體(yt)有有 因而對固體因而對固體(gt)(gt)和液體，吸收能力大的物體其反射本和液體，吸收能力大的物體其反射本領(lǐng)就小。領(lǐng)就小。 1第7頁/共57頁第八頁，共57頁。9 由于熱射線不能穿過固體由于熱射線不能穿過固體(gt)(gt)和液體，于是可以把它們和液體，于是可以把它們的吸收和反射視為一個表面過程，它們自身輻射也應(yīng)在表面完成的吸收和反射視為一個表面過程，它們自身輻射也應(yīng)在表面完成。因此，固體。因此，固體(gt)(gt)和液體上的熱輻射是表面輻射。

8、和液體上的熱輻射是表面輻射。 輻射能投射到氣體上時，情況與投射到固體或液體上不輻射能投射到氣體上時，情況與投射到固體或液體上不同。氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，可認(rèn)為反射比，同。氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，可認(rèn)為反射比， = = 0 0，故有，故有1 氣體對熱射線的吸收和穿透是在空間中進(jìn)行的，其自身的輻射氣體對熱射線的吸收和穿透是在空間中進(jìn)行的，其自身的輻射(fsh)(fsh)也是在空間中完成的。因此，氣體的熱輻射也是在空間中完成的。因此，氣體的熱輻射(fsh)(fsh)是容積是容積輻射輻射(fsh)(fsh)。 第8頁/共57頁第九頁，共57頁。10注意：注意： （1 1） 、屬于物體的輻

9、射特性，取決屬于物體的輻射特性，取決于物體的種類、溫度和表面狀況，是波長的函數(shù)于物體的種類、溫度和表面狀況，是波長的函數(shù)(hnsh)(hnsh)。 , , 不僅取決于物體的性質(zhì)，還與投射不僅取決于物體的性質(zhì)，還與投射輻射輻射能的波長分布有關(guān)。能的波長分布有關(guān)。 （2 2）固體和液體對輻射能的吸收和反射基本上）固體和液體對輻射能的吸收和反射基本上屬于表面效應(yīng)。金屬：表面層厚度小于屬于表面效應(yīng)。金屬：表面層厚度小于1m1m；絕大；絕大多數(shù)非金屬：表面層厚度小于多數(shù)非金屬：表面層厚度小于1mm1mm。 （3 3）對于固體和液體，）對于固體和液體， = 0, + =1 = 0, + =1 。第9頁/共

10、57頁第十頁，共57頁。11 由于不同物體的吸收由于不同物體的吸收(xshu)(xshu)比、反射比和透射比因具體條件不比、反射比和透射比因具體條件不同差別很大，給熱輻射的計算帶來很大困難。為了使問題簡化，我們定同差別很大，給熱輻射的計算帶來很大困難。為了使問題簡化，我們定義了一些理想物體。義了一些理想物體。 對于對于(duy)(duy)透射比透射比=1=1的物體稱為透明體。的物體稱為透明體。 反射比反射比=1=1物體稱為白體（具有漫反射的表面）或鏡體（具有鏡反物體稱為白體（具有漫反射的表面）或鏡體（具有鏡反射的表面）。射的表面）。 物體表面是漫反射還是鏡反射，這要取決于物體表面相對于輻射波物

11、體表面是漫反射還是鏡反射，這要取決于物體表面相對于輻射波長長(bchng)(bchng)的表面粗糙程度。的表面粗糙程度。第10頁/共57頁第十一頁，共57頁。12 當(dāng)表面的不平整尺寸小于投入輻當(dāng)表面的不平整尺寸小于投入輻射的波長時，形成鏡面反射，此時射的波長時，形成鏡面反射，此時入射角等于反射角。高度磨光的金入射角等于反射角。高度磨光的金屬板會形成鏡面反射。屬板會形成鏡面反射。 當(dāng)表面的不平整尺寸大于投入輻當(dāng)表面的不平整尺寸大于投入輻射的波長時形成漫反射。這時從某射的波長時形成漫反射。這時從某一方向一方向(fngxing)投射到物體表面上投射到物體表面上的輻射向空間各方向的輻射向空間各方向(f

12、ngxing)反射反射出去。出去。 1 2 1= 2第11頁/共57頁第十二頁，共57頁。13 吸收比吸收比 =1=1的物體，稱為絕對的物體，稱為絕對(judu)(judu)黑體，簡稱黑體。黑體，簡稱黑體。 盡管自然界并不存在黑體，用人工的方法可以制造出十分盡管自然界并不存在黑體，用人工的方法可以制造出十分(shfn)接近于黑體的模型。接近于黑體的模型。 選用吸收比小于選用吸收比小于1 1的材料制造一個的材料制造一個(y (y )空腔空腔，并在空腔壁面上開一個，并在空腔壁面上開一個(y (y )小孔，再設(shè)法使小孔，再設(shè)法使空腔壁面保持均勻的溫度。這時空腔上的小孔就具空腔壁面保持均勻的溫度。這時

13、空腔上的小孔就具有黑體輻射的特性。有黑體輻射的特性。 第12頁/共57頁第十三頁，共57頁。14 若小孔占內(nèi)壁面積小于若小孔占內(nèi)壁面積小于0.6%，當(dāng)內(nèi)壁吸收比為當(dāng)內(nèi)壁吸收比為0.6時，小孔的吸時，小孔的吸收比可大于收比可大于0.996。 黑體將所有投射在它上面的一黑體將所有投射在它上面的一切波長和所有方向切波長和所有方向(fngxing)上上的輻射能全部吸收，在所有物體的輻射能全部吸收，在所有物體之中，它吸收熱輻射的能力最強(qiáng)之中，它吸收熱輻射的能力最強(qiáng)。第13頁/共57頁第十四頁，共57頁。15（1 1）輻射力）輻射力 總輻射力總輻射力 輻射力也稱全色輻射力，其定義為單位時間單位輻射面積輻射

14、力也稱全色輻射力，其定義為單位時間單位輻射面積(min j)向半球空間輻射出去的一切波長的輻射能量。向半球空間輻射出去的一切波長的輻射能量。dAdQE 式中：式中：E E為輻射為輻射(fsh)(fsh)力，其單位為力，其單位為W/m2W/m2；dQdQ為微元面積為微元面積dAdA向半球向半球空間輻射空間輻射(fsh)(fsh)出去的總輻射出去的總輻射(fsh)(fsh)能。能。第14頁/共57頁第十五頁，共57頁。16 單色輻射力（光譜單色輻射力（光譜(gungp)(gungp)輻射力）輻射力） 單色輻射力被定義為單位單色輻射力被定義為單位(dnwi)(dnwi)時間單位時間單位(dnwi)(

15、dnwi)輻射面積向半球空間輻射出去的某一波長范圍的輻射能量，用輻射面積向半球空間輻射出去的某一波長范圍的輻射能量，用來描述輻射能量隨波長的分布特征。來描述輻射能量隨波長的分布特征。 EE為物體表面的單色輻射力；為物體表面的單色輻射力；dQdQ為微元面積為微元面積dAdA向半球空間向半球空間(kngjin)(kngjin)輻射出去的某一波長的輻射能；輻射出去的某一波長的輻射能；為熱射線的波為熱射線的波長，單位為長，單位為mm。dAdQddAdQE2輻射力和單色輻射力之間的關(guān)系輻射力和單色輻射力之間的關(guān)系 :0dEE第15頁/共57頁第十六頁，共57頁。17 方向方向(fngxing)(fngx

16、ing)輻射力（輻射力（定向輻射力）定向輻射力） 方向輻射力是定義來描述物體表面輻射能量在半球空間中的分布方向輻射力是定義來描述物體表面輻射能量在半球空間中的分布特征，其定義為單位時間單位輻射面積特征，其定義為單位時間單位輻射面積(min j)(min j)向半球空間中某向半球空間中某一個方向上單位立體角內(nèi)輻射的所有波長的輻射能量。一個方向上單位立體角內(nèi)輻射的所有波長的輻射能量。 dd為微元為微元立體角立體角dAdQdE2方向方向(fngxing)輻射力與輻射力之間的關(guān)系：輻射力與輻射力之間的關(guān)系：2EE d第16頁/共57頁第十七頁，共57頁。18立體角是用來衡量空間中的面相對于某一點(diǎn)所立體

17、角是用來衡量空間中的面相對于某一點(diǎn)所張開的空間角度的大小，如圖張開的空間角度的大小，如圖c所示，其定義所示，其定義為：為：2rdfddf為空間中的微元面積，為空間中的微元面積，r為該面積與發(fā)射點(diǎn)為該面積與發(fā)射點(diǎn)之間的距離。之間的距離。dAdA dAdfrddQdQ（a）微元表面總輻射）微元表面總輻射 （b）微元表面單色輻射）微元表面單色輻射 （c）微元表面方向輻射）微元表面方向輻射第17頁/共57頁第十八頁，共57頁。19第18頁/共57頁第十九頁，共57頁。20在球坐標(biāo)系中，如圖所示，按幾何關(guān)系有在球坐標(biāo)系中，如圖所示，按幾何關(guān)系有其單位為其單位為W/(m2Sr)，Sr為為球面度球面度,是立

18、體角的單位。是立體角的單位。dddfn球坐標(biāo)系中的立體角球坐標(biāo)系中的立體角rrdrddfsinddrdfdsin2dAddQdEsin2由于半球面積為由于半球面積為2r2,故半球面對球心所張開故半球面對球心所張開的立體角的立體角=2Sr。第19頁/共57頁第二十頁，共57頁。21 輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度 由于處于不同的空間位置所能看見的輻射面積由于處于不同的空間位置所能看見的輻射面積是變化的，也就是隨著是變化的，也就是隨著角的增大，輻射面積角的增大，輻射面積在該方向上的可見面積（投影面積）就越小在該方向上的可見面積（投影面積）就越小。dAcosdAnd輻射強(qiáng)度的定義圖輻射強(qiáng)度的定義圖定義定義輻射強(qiáng)度

19、輻射強(qiáng)度，用以，用以表示表示單位時間在某一輻射方向單位時間在某一輻射方向上的上的單位可見輻射面積單位可見輻射面積向向該方向單位立體角內(nèi)輻射該方向單位立體角內(nèi)輻射的所有波長的輻射能。的所有波長的輻射能。第20頁/共57頁第二十一頁，共57頁。22dAcosdAnd輻射強(qiáng)度的定義圖輻射強(qiáng)度的定義圖dAdQdIcos2單位為單位為W/(m2Sr)，式中，式中 為給定方向上的可見輻射面積，為給定方向上的可見輻射面積，也就是垂直于該方向的流通面也就是垂直于該方向的流通面積。積。 dAcos輻射強(qiáng)度與方向輻射力的關(guān)系輻射強(qiáng)度與方向輻射力的關(guān)系 :cosIE與輻射力之間的關(guān)系與輻射力之間的關(guān)系 : 2020

20、sincosddIE第21頁/共57頁第二十二頁，共57頁。23（2 2）黑體）黑體(hit)(hit)輻射基本定律輻射基本定律 普朗克定律普朗克定律(dngl)(dngl)普朗克定律表示的是黑體的輻射能按波長的分布普朗克定律表示的是黑體的輻射能按波長的分布規(guī)律，給出了黑體的單色輻射力與熱力學(xué)溫度規(guī)律，給出了黑體的單色輻射力與熱力學(xué)溫度T、波長波長 之間的函數(shù)之間的函數(shù)(hnsh)關(guān)系，由量子理論得關(guān)系，由量子理論得到的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：到的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：c1為第一輻射常數(shù)，為第一輻射常數(shù)，c1=3.74210-16Wm2；c2為第二輻射常數(shù)，為第二輻射常數(shù)，c2=1.4388 10-2mK1)(

21、512TcbecE第22頁/共57頁第二十三頁，共57頁。24圖中給出了在溫度為參變量下的單色輻射力隨圖中給出了在溫度為參變量下的單色輻射力隨波長變化的一組曲線。單色輻射力隨著波長的波長變化的一組曲線。單色輻射力隨著波長的增加而增加，達(dá)到某一最大值后又隨著波長的增加而增加，達(dá)到某一最大值后又隨著波長的增加而慢慢減小。增加而慢慢減小。 在同一波長下黑體溫度在同一波長下黑體溫度越高，對應(yīng)的單色輻射越高，對應(yīng)的單色輻射力越大。力越大。 T1T2T1T2 d E 第23頁/共57頁第二十四頁，共57頁。25E Ebb0 0T T1 1T T2 2T T3 3T T5 5黑體單色輻射力隨波長和溫度變化黑

22、體單色輻射力隨波長和溫度變化T T4 4隨著溫度的升高黑體輻隨著溫度的升高黑體輻射能的分布在向波長短射能的分布在向波長短的方向集中，也就是高的方向集中，也就是高溫輻射中短波熱射線含溫輻射中短波熱射線含量大而長波熱射線含量量大而長波熱射線含量相對少。相對少。 維恩位移定律維恩位移定律 第24頁/共57頁第二十五頁，共57頁。26Eb 最大處的波長最大處的波長 m也隨溫度不同而變也隨溫度不同而變化。令化。令 0bEKm109 . 2Km108976. 233Tm可見可見 m與與T成反比，成反比，T越高，越高， 則則 m越小，這一越小，這一規(guī)律為維恩（規(guī)律為維恩（Wien）位移定律，歷史上先發(fā)現(xiàn)）位

23、移定律，歷史上先發(fā)現(xiàn)的是的是維恩位移定律維恩位移定律。第25頁/共57頁第二十六頁，共57頁。27例例7-1：試分別計算溫度：試分別計算溫度(wnd)為為2000K和和5800K的黑體的最大光譜輻射力所對應(yīng)的波長的黑體的最大光譜輻射力所對應(yīng)的波長 m 。解：解：按按Km109 . 23Tm計算計算(j sun)：當(dāng)當(dāng)T=2000K時，時， m1045. 1K2000Km109 . 263m當(dāng)當(dāng)T=5800K時，時， m105 . 0K5800Km109 . 263m可見工業(yè)上一般高溫輻射可見工業(yè)上一般高溫輻射(fsh)（2000K內(nèi)），黑體內(nèi)），黑體最大光譜輻射最大光譜輻射(fsh)力的波長位

24、于紅外線區(qū)段，而太力的波長位于紅外線區(qū)段，而太陽輻射陽輻射(fsh)（5800K）對應(yīng)的最大光譜輻射）對應(yīng)的最大光譜輻射(fsh)的波長則位于可見光區(qū)段。的波長則位于可見光區(qū)段。第26頁/共57頁第二十七頁，共57頁。28 斯忒藩波爾茲曼定律斯忒藩波爾茲曼定律(dngl) (dngl) 在黑體輻射的研究在黑體輻射的研究(ynji)中，斯忒藩（中，斯忒藩（Stefan）于）于1879年年由實驗確定黑體的輻射力與熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系，其后由實驗確定黑體的輻射力與熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系，其后由波爾茲曼（由波爾茲曼（Boltzmann）于）于1884年從熱力學(xué)關(guān)系式導(dǎo)出。年從熱力學(xué)關(guān)系式導(dǎo)出。 Eb為黑

25、體的輻射力（為黑體的輻射力（W/m2）；）；T為黑體的絕對溫度為黑體的絕對溫度(juduwnd)（K）；）；0為斯忒藩波爾茲曼常數(shù)，其值為斯忒藩波爾茲曼常數(shù)，其值為為5.6710-8W/(m2K4);C0為黑體輻射系數(shù)（為黑體輻射系數(shù)（5.67 W/(m2K4)）40400/510b10012TCTdeCdEETCb第27頁/共57頁第二十八頁，共57頁。29例例7-2：一黑體置于室溫為一黑體置于室溫為27的廠房中，試求的廠房中，試求在熱平衡條件下黑體表面的輻射力。如果將黑在熱平衡條件下黑體表面的輻射力。如果將黑體加熱到體加熱到327，它的輻射力又是多少？，它的輻射力又是多少？解：解：在熱平衡

26、條件下，黑體溫度與室溫相同，在熱平衡條件下，黑體溫度與室溫相同，輻射力為：輻射力為：244424101W/m459K10027327KmW67. 5100TcEb327黑體的輻射力為黑體的輻射力為244424202W/m7350K100273327KmW67. 5100TcEb第28頁/共57頁第二十九頁，共57頁。30 蘭貝特定律蘭貝特定律(dngl) (dngl) （LambertLambert）（余弦定律）（余弦定律(dngl)(dngl)）黑體輻射黑體輻射(fsh)的輻射的輻射(fsh)強(qiáng)度與方向無關(guān)，即強(qiáng)度與方向無關(guān)，即 .constIdAdQdIcos2因為因為(yn wi) 故對

27、于服從蘭貝特定律的輻射有：故對于服從蘭貝特定律的輻射有：cos)(2IdAddQ即單位輻射面積發(fā)出的輻射能，落到空間不同方即單位輻射面積發(fā)出的輻射能，落到空間不同方向單位立體角的能量的數(shù)值不相等，其值正比于向單位立體角的能量的數(shù)值不相等，其值正比于該方向與輻射面法線方向夾角的余弦。所以蘭貝該方向與輻射面法線方向夾角的余弦。所以蘭貝特定律又稱特定律又稱余弦定律余弦定律。第29頁/共57頁第三十頁，共57頁。31 2020sincosddIEbbIIE因此，對遵守蘭貝特定律的輻射，輻射力在數(shù)因此，對遵守蘭貝特定律的輻射，輻射力在數(shù)值上等于輻射強(qiáng)度的值上等于輻射強(qiáng)度的 倍。倍。第30頁/共57頁第三

28、十一頁，共57頁。321. 1. 實際實際(shj)(shj)物體的輻射力物體的輻射力實際物體實際物體(wt)表面的表面的熱輻射性能均弱于黑體熱輻射性能均弱于黑體表面。表面。實際物體實際物體(wt)的光譜的光譜輻射力往往隨波長作不輻射力往往隨波長作不規(guī)則的變化。規(guī)則的變化。黑體黑體 E 實際實際物體物體圖為同溫度下黑體輻射和實際物體輻射的單色輻射力隨圖為同溫度下黑體輻射和實際物體輻射的單色輻射力隨波長變化的曲線。波長變化的曲線。第31頁/共57頁第三十二頁，共57頁。33 實際表面實際表面(biomin)的輻射力與同溫度下黑體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值，稱為黑度（發(fā)射率）。輻射力的比值

29、，稱為黑度（發(fā)射率）。 黑度僅僅與物體表面自身的輻射特性相關(guān)黑度僅僅與物體表面自身的輻射特性相關(guān)(xinggun)，也就是與物體的種類和它的表面，也就是與物體的種類和它的表面特征相關(guān)特征相關(guān)(xinggun)以及和物體的溫度相關(guān)以及和物體的溫度相關(guān)(xinggun)，而與物體外部的情況無關(guān)。，而與物體外部的情況無關(guān)。 總發(fā)射率總發(fā)射率bEE第32頁/共57頁第三十三頁，共57頁。34實際表面實際表面(biomin)的單的單色輻射力與同溫度下黑體色輻射力與同溫度下黑體表面表面(biomin)的單色輻的單色輻射力之比射力之比 單色發(fā)射率（光譜單色發(fā)射率（光譜(gungp)(gungp)發(fā)射率）發(fā)射

30、率） bEEb0bEdE發(fā)射率與單色發(fā)射率之間發(fā)射率與單色發(fā)射率之間的關(guān)系的關(guān)系(gun x)為為 第33頁/共57頁第三十四頁，共57頁。35 物體表面在某方向上的方向輻射力與同溫度物體表面在某方向上的方向輻射力與同溫度(wnd)黑體輻射在該方向上的方向輻射力之比，亦黑體輻射在該方向上的方向輻射力之比，亦可表示為物體在某方向上的輻射強(qiáng)度與同溫度可表示為物體在某方向上的輻射強(qiáng)度與同溫度(wnd)黑體輻射在該方向上的輻射強(qiáng)度之比黑體輻射在該方向上的輻射強(qiáng)度之比 方向方向(fngxing)(fngxing)發(fā)射率發(fā)射率( (定向發(fā)射定向發(fā)射率）率） bbbIIIIEEcoscos 如果實際物體的方

31、向輻射力遵守如果實際物體的方向輻射力遵守(znshu)蘭貝特蘭貝特定律，該物體表面稱為漫射表面。黑體表面就是漫射定律，該物體表面稱為漫射表面。黑體表面就是漫射表面。表面。第34頁/共57頁第三十五頁，共57頁。36如果實際物體是漫射表面如果實際物體是漫射表面(biomin)，則其方向輻射率應(yīng)，則其方向輻射率應(yīng)等于常數(shù)，而與角度無關(guān)。等于常數(shù)，而與角度無關(guān)。事實上實際物體不是漫發(fā)射體，即輻射強(qiáng)度在空間各個事實上實際物體不是漫發(fā)射體，即輻射強(qiáng)度在空間各個方向的分布不遵循蘭貝特定律，是方向角的函數(shù)。方向的分布不遵循蘭貝特定律，是方向角的函數(shù)。 對于非金屬表面在很大范圍內(nèi)對于非金屬表面在很大范圍內(nèi)方向

32、黑度為一個常數(shù)值，表現(xiàn)方向黑度為一個常數(shù)值，表現(xiàn)出等強(qiáng)輻射的特征，而在出等強(qiáng)輻射的特征，而在60之后之后(zhhu)方向黑度急劇減小方向黑度急劇減小 第35頁/共57頁第三十六頁，共57頁。37對于金屬表面在一個小的對于金屬表面在一個小的角范圍內(nèi)亦有等強(qiáng)輻射角范圍內(nèi)亦有等強(qiáng)輻射的特征的特征(tzhng)，方向黑度可視為不變，然后隨著，方向黑度可視為不變，然后隨著角增大而急劇增大，直到角增大而急劇增大，直到接近接近90才有減小。才有減小。 第36頁/共57頁第三十七頁，共57頁。38例例7-3：試計算溫度處于：試計算溫度處于(chy)1400的碳化硅涂料的碳化硅涂料表面的輻射力。表面的輻射力。解

33、：由表查得對解：由表查得對10101400，碳化硅，碳化硅 n =0.820.92，故可取對應(yīng)，故可取對應(yīng)1400的的 n為為0.92，即，即 = n =0.92，輻射力為：，輻射力為： 23444240W/m10409K1002731400KmW67. 592. 0100TcE第37頁/共57頁第三十八頁，共57頁。39 實際物體發(fā)射率數(shù)值大小實際物體發(fā)射率數(shù)值大小(dxio)(dxio)取決于材料的種類取決于材料的種類、溫度和表面狀況，通常由實驗測定。對絕大多數(shù)實際工程、溫度和表面狀況，通常由實驗測定。對絕大多數(shù)實際工程材料來說，可以近似地認(rèn)為半球總發(fā)射率等于法向總發(fā)射率材料來說，可以近似

34、地認(rèn)為半球總發(fā)射率等于法向總發(fā)射率，即，即 n n金屬表面金屬表面M M取取1-1.31-1.3，非導(dǎo)體，非導(dǎo)體M M取取0.95-1.00.95-1.0。除了高度磨光的。除了高度磨光的表面外，工程計算中一般表面外，工程計算中一般(ybn)(ybn)取取M=1M=1，一般，一般(ybn)(ybn)工程手冊上給出的工程手冊上給出的物體發(fā)射率常為法向發(fā)射率，物體發(fā)射率常為法向發(fā)射率，將物體表面間的輻射傳熱看作將物體表面間的輻射傳熱看作漫射體。漫射體。第38頁/共57頁第三十九頁，共57頁。40實際實際(shj)(shj)物體的發(fā)射率具有以下特點(diǎn)：物體的發(fā)射率具有以下特點(diǎn)：（1 1）金屬表面發(fā)射率偏

35、小，且隨波長的增大而減?。┙饘俦砻姘l(fā)射率偏小，且隨波長的增大而減小, ,一般隨溫度升高而增大；一般隨溫度升高而增大；（2 2）非金屬表面發(fā)射率較高，且隨著波長的增大而）非金屬表面發(fā)射率較高，且隨著波長的增大而增大，一般還隨溫度升高而減小；增大，一般還隨溫度升高而減??；（3 3）法向發(fā)射率隨溫度的變化規(guī)律與光譜法向發(fā)射）法向發(fā)射率隨溫度的變化規(guī)律與光譜法向發(fā)射率隨波長的變化規(guī)律有關(guān)，因為溫度越高，短波輻射率隨波長的變化規(guī)律有關(guān)，因為溫度越高，短波輻射的比例越大。的比例越大。（4 4）材料的表面狀況（粗糙度、氧化程度等）是影）材料的表面狀況（粗糙度、氧化程度等）是影響發(fā)射率大小的重要因素。響發(fā)射率

36、大小的重要因素。第39頁/共57頁第四十頁，共57頁。41第40頁/共57頁第四十一頁，共57頁。42第41頁/共57頁第四十二頁，共57頁。43實際物體表面對熱輻射的吸收實際物體表面對熱輻射的吸收(xshu)是針對投入輻是針對投入輻射而言的。射而言的。實際物體對入射輻射實際物體對入射輻射(fsh)吸收的百分?jǐn)?shù)稱之吸收的百分?jǐn)?shù)稱之為該物體的吸收比。為該物體的吸收比。 物體表面的吸收特性就不僅僅與物體表面的吸收特性就不僅僅與物體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、表面特征以及溫度狀況有關(guān)表面特征以及溫度狀況有關(guān)，而且還與，而且還與投入輻射投入輻射的輻射能隨波長和溫度的變化的輻射能隨波長和溫度的變化密切相

37、關(guān)。密切相關(guān)。 （1 1）實際物體的吸收比實際物體的吸收比第42頁/共57頁第四十三頁，共57頁。44輻射源溫度對吸收比的影響是因為實際物體輻射源溫度對吸收比的影響是因為實際物體(wt)的單色吸收比不等于常數(shù)的緣故。的單色吸收比不等于常數(shù)的緣故。 假定投入輻射假定投入輻射(fsh)來自黑體表面來自黑體表面2，那么吸，那么吸收表面收表面1對其的吸收比可以定義為：對其的吸收比可以定義為： )()()()()()(420021020211TdTETdTEdTETbbb為物體為物體(wt)表面對黑體輻射的單色吸收表面對黑體輻射的單色吸收比（光譜吸收比）比（光譜吸收比） ),(1T下面給出了實驗得出的一

38、些材料對黑體輻射的單下面給出了實驗得出的一些材料對黑體輻射的單色吸收比隨黑體溫度的變化關(guān)系。色吸收比隨黑體溫度的變化關(guān)系。 第43頁/共57頁第四十四頁，共57頁。45第44頁/共57頁第四十五頁，共57頁。46物體表面的單色吸收率隨波長變化的特性稱為物體表面的單色吸收率隨波長變化的特性稱為物體表物體表面對波長（光譜）的選擇性面對波長（光譜）的選擇性。 暖房暖房：當(dāng)太陽光照射到玻：當(dāng)太陽光照射到玻璃上時，玻璃對波長小于璃上時，玻璃對波長小于3 3 m m的輻射能吸收比很小，的輻射能吸收比很小，從而使大部分太陽能可以從而使大部分太陽能可以進(jìn)入到暖房內(nèi)。暖房中的進(jìn)入到暖房內(nèi)。暖房中的物體溫度低，輻

39、射能絕大物體溫度低，輻射能絕大部分位于紅外區(qū)，而玻璃部分位于紅外區(qū)，而玻璃對于波長大于對于波長大于3 3 m m的輻射的輻射能吸收比很大，阻止了輻能吸收比很大，阻止了輻射能向暖房外的散失。射能向暖房外的散失。第45頁/共57頁第四十六頁，共57頁。47墨鏡：焊接工人工作墨鏡：焊接工人工作(gngzu)時帶一黑色眼鏡是為了時帶一黑色眼鏡是為了讓對人體有害的紫外線能被特種玻璃所吸收。讓對人體有害的紫外線能被特種玻璃所吸收。五顏六色的世界：五顏六色的世界：當(dāng)陽光照射到一個物體表面時，如果該物體幾乎全部當(dāng)陽光照射到一個物體表面時，如果該物體幾乎全部吸收各種可見光，它就是黑色；吸收各種可見光，它就是黑色

40、；如果幾乎全部反射可見光，它就是白色；如果幾乎全部反射可見光，它就是白色；如果幾乎均勻吸收各色可見光并均勻地反射各色可見如果幾乎均勻吸收各色可見光并均勻地反射各色可見光，它就是灰色；光，它就是灰色；如果只反射了一種波長的可見光而幾乎全部吸收了其如果只反射了一種波長的可見光而幾乎全部吸收了其它可見光，則它就呈現(xiàn)被反射的這種輻射線的顏色。它可見光，則它就呈現(xiàn)被反射的這種輻射線的顏色。第46頁/共57頁第四十七頁，共57頁。48如果如果(rgu)投入輻射不是來自黑體，則必須研投入輻射不是來自黑體，則必須研究物體表面單色吸收率隨投入輻射波長變化的究物體表面單色吸收率隨投入輻射波長變化的規(guī)律。規(guī)律。 如

41、果物體表面如果物體表面(biomin)的單色吸收比為常的單色吸收比為常數(shù)數(shù) .const)()()()()()(420021020211TdTETdTEdTETbbb那么它的吸收那么它的吸收(xshu)比也就為常數(shù)比也就為常數(shù) 。把把灰體灰體定義為單色吸收比為常數(shù)的物體定義為單色吸收比為常數(shù)的物體。 灰體也是一種理想的輻射表面，實際表面在一灰體也是一種理想的輻射表面，實際表面在一定條件下可以認(rèn)為其具有灰體的特性。定條件下可以認(rèn)為其具有灰體的特性。第47頁/共57頁第四十八頁，共57頁。49灰體是從物體表面對投入輻射的吸收特性上去灰體是從物體表面對投入輻射的吸收特性上去定義的，如果再在其發(fā)射特性

42、上給予等強(qiáng)輻射定義的，如果再在其發(fā)射特性上給予等強(qiáng)輻射的假設(shè)，即認(rèn)為是漫射表面，也就是漫射灰表的假設(shè)，即認(rèn)為是漫射表面，也就是漫射灰表面，簡稱面，簡稱漫灰表面漫灰表面。漫射灰表面的方向發(fā)射率和方向吸收比與方向漫射灰表面的方向發(fā)射率和方向吸收比與方向無關(guān)，單色發(fā)射率和單色吸收比與波長無關(guān)，無關(guān)，單色發(fā)射率和單色吸收比與波長無關(guān)，所以它對于來自任何方向和任何波長的入射輻所以它對于來自任何方向和任何波長的入射輻射的吸收比均為常數(shù)，同時其發(fā)射的輻射也等射的吸收比均為常數(shù)，同時其發(fā)射的輻射也等于對任何方向和任何波長的黑體輻射的一個固于對任何方向和任何波長的黑體輻射的一個固定份額。定份額。 第48頁/共5

43、7頁第四十九頁，共57頁。50（2 2）實際物體輻射）實際物體輻射(fsh)(fsh)與吸收之間的關(guān)系與吸收之間的關(guān)系T T1 1T2EEb Eb(1- )Eb實際物體實際物體(wt)的輻射和吸收之間有聯(lián)系的輻射和吸收之間有聯(lián)系，這就是基爾霍夫定律。，這就是基爾霍夫定律。假定兩塊平行平板距離假定兩塊平行平板距離(jl)很近，從一很近，從一塊板發(fā)出的輻射能全部落到另一塊板上。塊板發(fā)出的輻射能全部落到另一塊板上。若板若板1為黑體表面，板為黑體表面，板2為任意物體的表為任意物體的表面。面。兩者的輻射力、吸收比和表面溫度分別為兩者的輻射力、吸收比和表面溫度分別為Eb、 b(=1)、T1、E、 和和T2

44、。第49頁/共57頁第五十頁，共57頁。51板板2發(fā)出的輻射能發(fā)出的輻射能E全部被板全部被板1吸收，而板吸收，而板1發(fā)發(fā)出的輻射能出的輻射能Eb只被板只被板2吸收吸收 Eb ，對板，對板2能量能量收支為：收支為：bEEq當(dāng)體系處于熱平衡時當(dāng)體系處于熱平衡時T1=T2，q=0,所以有所以有bEEqbEEbEE或或T1T2EEb Eb(1- )Eb第50頁/共57頁第五十一頁，共57頁。52基爾霍夫定律的基爾霍夫定律的兩種數(shù)學(xué)表達(dá)式兩種數(shù)學(xué)表達(dá)式。在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和它對在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和它對來自黑體輻射的吸收比的比值恒等于同溫度來自黑體輻射的吸收比的比值恒等于同溫度

45、下黑體的輻射力。下黑體的輻射力。熱平衡時任意物體對黑體投入輻射的吸收比熱平衡時任意物體對黑體投入輻射的吸收比等于同溫度下該物體的發(fā)射率。等于同溫度下該物體的發(fā)射率。bEEbEE或或第51頁/共57頁第五十二頁，共57頁。53基爾霍夫定律基爾霍夫定律(dngl)是在物體與黑體投入輻射處于熱平是在物體與黑體投入輻射處于熱平衡條件下得出的。衡條件下得出的。對于灰體，由于其單色吸收比不隨波長變化，所以對于灰體，由于其單色吸收比不隨波長變化，所以灰體的吸收比等于其發(fā)射率，與投射源的溫度無關(guān)，灰體的吸收比等于其發(fā)射率，與投射源的溫度無關(guān)，那么不論物體與外界是否處于熱平衡狀態(tài)，也不論那么不論物體與外界是否處于熱平衡狀態(tài)，也不論投入投入(tur)輻射是否來自黑體，都存在輻射是否來自黑體，都存在灰體無條件滿足灰體無條件滿足(mnz)基爾霍夫定基爾霍夫定律。律。 第52頁