輻射基本概念定律

（優(yōu)選）輻射基本概念定律本文檔共34頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期六\17點31分本章作業(yè)8-4、8-9、8-17、8-23本文檔共34頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期六\17點31分發(fā)射輻射能是各類物質(zhì)的固有特性。物質(zhì)是由分子、原子、電子等基本粒子組成，當(dāng)原子內(nèi)部的電子受激和振動時，產(chǎn)生交替變化的電場和磁場，發(fā)出電磁波向空間傳播，這就是輻射。由于激發(fā)的方法不同，所產(chǎn)生的電磁波波長就不相同，它們投射到物體上產(chǎn)生的效應(yīng)也不同。輻射的基本概念本文檔共34頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期六\17點31分

電磁輻射包含了多種形式，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0.1～100μm。電磁波譜本文檔共34頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期六\17點31分熱輻射的基本概念1.熱輻射(1)定義：由熱運動產(chǎn)生，以電磁波形式傳遞的能量；(2)特點：a任何物體，只要溫度高于0K，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b可以在真空中傳播；c伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d具有強烈的方向性；e輻射能與溫度和波長均有關(guān)；f發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。本文檔共34頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期六\17點31分t>0K的物體內(nèi)能輻射能輻射特性不同方向不同波長不同溫度輻射能吸收特性不同波長輻射吸收的總效果輻射換熱本文檔共34頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期六\17點31分當(dāng)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、反射和穿透。2.物體對熱輻射的吸收、反射和穿透

本文檔共34頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期六\17點31分對于大多數(shù)的固體和液體：對于不含顆粒的氣體：對于黑體：鏡體或白體：透明體：121=2本文檔共34頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期六\17點31分黑體輻射的基本定律1.黑體概念黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。本文檔共34頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期六\17點31分8-10、一等溫空腔的內(nèi)表面為漫射體，并維持在均勻的溫度。其上有一個面積為0.02㎡的小孔，小孔面積相對于空腔內(nèi)表面積可以忽略。今測得小孔向外界輻射的能量為70W，試確定空腔內(nèi)表面的溫度。如果把空腔內(nèi)表面全部拋光，而溫度保持不變，問這對小孔向外的輻射有何影響？帶有小孔的溫度均勻的空腔就是黑體模型。就輻射特性而言，小孔具有和黑體表面一樣的性質(zhì)，制造空腔材料本身的吸收比的大小對黑體模型沒有影響。在這樣的等溫空腔內(nèi)部，輻射是均勻而各向同性的，空腔內(nèi)表面的輻射就是同溫度下黑體的輻射，不管空腔壁面自身的輻射特性如何。本文檔共34頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期六\17點31分輻射力E：單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和。也稱為半球總輻射力，(W/m2)；光譜輻射力Eλ

：單位時間，單位波長范圍內(nèi)(包含某一給定波長)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。也稱半球光譜輻射力，(W/m3)；顯然，E和Eλ之間具有如下關(guān)系：定向輻射力EΩ：單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向某個方向發(fā)射的所有波長的能量總和。也稱為半球總輻射力，(W/m2)；輻射能量的表示方法本文檔共34頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期六\17點31分3黑體輻射的三個基本定律及其相關(guān)性質(zhì)式中，λ—

波長，m；T

—

黑體溫度，K；c1

—

第一輻射常數(shù)，3.742×10-16Wm2；c2—

第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2WK；

(1)Planck定律：本文檔共34頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期六\17點31分黑體的光譜輻射力隨著波長的增加先增大后減?。粚τ谌我獠ㄩL，溫度越高，黑體的光譜輻射力越強；同一溫度下，光譜輻射力存在一個峰值；溫度升高，峰值向短波移動。本文檔共34頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期六\17點31分某一溫度下的Ebλ有一個最大值，對應(yīng)波長為λm，λm與T的關(guān)系由Wien位移定律給出，利用光學(xué)儀器測得某黑體表面最大光譜輻射力的波長后，可以算出該黑體表面的溫度本文檔共34頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期六\17點31分(2)Stefan-Boltzmann定律：

它給出了黑體輻射力E與熱力學(xué)溫度的依變關(guān)系。式中，σ=5.67×10-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常數(shù)。隨著溫度的上升，輻射力急劇增加本文檔共34頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期六\17點31分黑體輻射能按波段分布實際問題中，有時需要確定某一特定波長范圍內(nèi)的輻射能量，即黑體在波長λ1和λ2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力黑體輻射函數(shù):黑體在0—λ波長范圍內(nèi)發(fā)出的輻射能在其輻射力中所占的份額。本文檔共34頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期六\17點31分解釋金屬加熱時的顏色變化：隨著金屬溫度的升高，可見光部分的能量所占的比例逐漸加大。在500℃以下，金屬發(fā)出的基本都是紅外線，因此呈原色；到600℃以上，隨著溫度升高，金屬相繼呈暗紅、紅、黃，溫度超過1300℃時開始發(fā)白。有趣的輻射——輻射理論和公式的應(yīng)用本文檔共34頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期六\17點31分計算溫度為3800K的黑體的最大光譜輻射力所對應(yīng)的波長。黑體溫度在3800K以下時，其峰值波長處在紅外線段。所以，在一般工程中所遇到的輻射換熱，基本都屬于紅外輻射。本文檔共34頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期六\17點31分測得對應(yīng)于太陽最大單色輻射力的峰值波長約為0.5μm若太陽可以近似作為黑體看待，求太陽的表面溫度。本文檔共34頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期六\17點31分太陽表面溫度約5797K，其峰值波長處于可見光波段，且在可見光波段太陽輻射能量占總輻射能的44.63%，紅外線波段的輻射能量占總輻射能量的45.45%?？梢?，太陽輻射能量絕大多數(shù)是可見光和紅外線。本文檔共34頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期六\17點31分Ultraviolet陽光中不同波長的紫外線對皮膚會造成不同程度的傷害，波長越短，傷害越重。據(jù)此，可將紫外線為為UVA、UVB和UVC三種。本文檔共34頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期六\17點31分UVA為長波紫外線，長期作用于人的皮膚，可造成皮膚彈性降低、皺紋增多和老化加速等的傷害。在日常生活中，不論在室外曝曬，還是在室內(nèi)被強光源照射，皮膚都會在不知不覺中受到紫外線A的影響，所以UVA也稱為“生活紫外線”。

本文檔共34頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期六\17點31分UVB為中波紫外線，它對人體有利的方面是能促進機體生成維生素D，有利于鈣的代謝，同時它也刺激皮膚生成大量黑色素，使皮膚要黑，以增加皮膚對紫外線的抵抗力。但過度曝曬，UVB會損害表皮的結(jié)締組織，使皮膚發(fā)生紅斑反應(yīng)，造成表皮層增厚和老化，甚至形成皮膚癌。當(dāng)人們在海濱、泳池、山頂?shù)鹊匦蓍e游玩時，長時間曝曬，紫外線B對皮膚的傷害最明顯，所以有人稱之為“休閑紫外線”。本文檔共34頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期六\17點31分UVC一般能被大氣中的臭氧層吸收，很少到達地面。少部分到達地面的那部分，可被皮膚角質(zhì)層吸收，引起皮膚癌。

本文檔共34頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期六\17點31分白熾燈里的鎢絲發(fā)光時溫度約2800K，其可見光波段內(nèi)的輻射能量占總輻射能量的比例僅有8.8%，其余發(fā)出的輻射能不起照明作用。實際白熾燈的發(fā)光效率還要低，故用輻射方法照明是很浪費的，必須推廣使用節(jié)能燈。本文檔共34頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期六\17點31分400K以下的物體即使在黑暗空間也看不到可見光，但利用紅外成像儀可迅速探測其位置紅外熱像儀是通過非接觸探測紅外能量（熱量），并將其轉(zhuǎn)換為電信號，進而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對溫度值進行計算的一種檢測設(shè)備。

本文檔共34頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期六\17點31分已知某太陽能集熱器的透光玻璃在波長從0.35～2.7μm范圍內(nèi)的透射率為85%，在此范圍外是不透過的。計算太陽輻射對該玻璃的透射率。把太陽輻射作為黑體看待，其表面溫度5762K。太陽輻射透過該玻璃的百分數(shù)為：本文檔共34頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期六\17點31分由于集熱器表面溫度較低，一般不超過373K,它的長波輻射對玻璃是不透過的。因此，該玻璃的這種短波透射和對長波阻擋的性質(zhì)，減少了集熱器表面透過玻璃向外的輻射熱損失，有利于提高集熱器的效率。請設(shè)想若采用此種玻璃作為房屋的窗子，又會如何？本文檔共34頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期六\17點31分(3)Lambert定律：立體角的定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面度)dAc=rd

rsin

d

，為

~+d

和

~+d之間的微元面積，則微元立體角為

本文檔共34頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期六\17點31分定向輻射力：單位時間內(nèi)，物體單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的所有波長的能量。定向輻射強度：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)射的所有波長的能量。

本文檔共34頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期六\17點31分黑體在任何方向上的定向輻射強度I(,)與方向無關(guān)Lambert定律：本文檔共34頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期六\17點31分它說明黑體的定向輻射力隨緯度角呈余弦規(guī)律變化，因此，Lambert定律也稱為余弦定律。沿半球方向積分上式，可獲得了半球輻射強度E:本文檔共34頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期六\17點31分可見，遵守蘭貝特定律的輻射，數(shù)值上其輻