1、第八章第八章 熱輻射基本定律及輻射特性熱輻射基本定律及輻射特性1、輻射、輻射：電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。輻射的兩種理論輻射的兩種理論 ：電磁理論與量子理論：電磁理論與量子理論電磁波的數(shù)學(xué)描述：電磁波的數(shù)學(xué)描述：cf c 某介質(zhì)中傳播速率某介質(zhì)中傳播速率, , 0ccn803.0 10c m/s 為真空中的光速為真空中的光速; ; n 為介質(zhì)的折射率。為介質(zhì)的折射率。 波長波長, 常用常用 m為單位為單位, 1 m = 10-6 m。 f 頻率頻率, 單位單位 s-1。8.1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念電磁波的波譜電磁波的波譜 射線射線： 510-5 mX射線射線： 51

2、0-7 m 510-2 m紫外線紫外線： 410-3 m 0.38 m可見光可見光： 0.38 m 0.76 m紅外線紅外線： 0.76 m 103 m 2 、 熱 輻、 熱 輻射射由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動而使物體向外發(fā)射輻射能的由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動而使物體向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。現(xiàn)象。 （1 1）熱輻射的主要特點）熱輻射的主要特點 a. 所有溫度大于所有溫度大于0 K的物體都具有發(fā)射熱輻射的能力，溫的物體都具有發(fā)射熱輻射的能力，溫 度愈高，發(fā)射熱輻射的能力愈強。度愈高，發(fā)射熱輻射的能力愈強。 發(fā)射熱輻射時：發(fā)射熱輻射時： 內(nèi)熱能內(nèi)熱能 輻射能輻射能 ； b. 所有實際物體都具有吸收

3、熱輻射的能力所有實際物體都具有吸收熱輻射的能力物體吸收熱輻射時：物體吸收熱輻射時： 輻射能輻射能 內(nèi)熱能內(nèi)熱能 ； c. 熱輻射不依靠中間媒介，可以在真空中傳播，且傳播效熱輻射不依靠中間媒介，可以在真空中傳播，且傳播效 率最高；率最高； d. 物體間以熱輻射方式進行的熱量物體間以熱輻射方式進行的熱量 傳遞是雙向的。傳遞是雙向的。 高溫高溫物體物體低溫低溫物體物體當(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，如圖所示。吸收、反射和穿透，如圖所示。11QQQQQQQQQQ（2）物體對熱輻射的吸收、反射和穿透）物體對熱輻射的吸收

4、、反射和穿透 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：1,01,0固體表面鏡反射與漫反射固體表面鏡反射與漫反射鏡反射鏡反射漫反射漫反射11對于鏡體或白體：對于鏡體或白體：對于透明體：對于透明體：3、黑體模型、黑體模型黑體是指能吸收投入到其面上黑體是指能吸收投入到其面上所有熱輻射能的物體，是一種所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體?？茖W(xué)假想的物體。現(xiàn)實生活中不存在，但卻可以現(xiàn)實生活中不存在，但卻可以人工制造出近似的人工黑體。人工制造出近似的人工黑體。人工黑體模型人工黑體模型輻射力輻射力E：單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長單位

5、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。的能量總和。 (W/m2)；光譜輻射力光譜輻射力E：單位時間內(nèi)，單位波長范圍內(nèi)單位時間內(nèi)，單位波長范圍內(nèi)(包含某一給定波長包含某一給定波長)，物體的，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。 (W/m3)；1 1、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:dEE0黑體一般采用下標(biāo)黑體一般采用下標(biāo)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，黑體的光譜輻射力光譜輻射力為為Eb8.2 黑體熱輻射的基本定律黑體熱輻射的基本定律定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：定義：球

6、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)，如圖所示：，如圖所示：立體角立體角2ddcAr dsincArdrd dsin d d d( )=d cosdIA定向輻射強度定向輻射強度 I輻射強度：空間某一表面在單位時間，與輻射方向垂直的單輻射強度：空間某一表面在單位時間，與輻射方向垂直的單位面積上，單位立體角發(fā)射的波長為位面積上，單位立體角發(fā)射的波長為0 的能量，用的能量，用I表示。表示?？臻g某一表面，面積為空間某一表面，面積為dA的黑體微元，在微元立體角的黑體微元，在微元立體角d內(nèi)內(nèi)輻射出去的能量為輻射出去的能量為d，則，則I I為常數(shù)，與為常數(shù)，與無關(guān)。無關(guān)。d cosA

7、稱為可見面積2、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) Planck定律定律1)(512TcbecE式中，式中，Eb光譜輻射力，光譜輻射力，W/m3；：波長，：波長，m ；T ：黑體：黑體溫度，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； 根據(jù)上式可得：不同溫度根據(jù)上式可得：不同溫度下下Eb隨波長隨波長的變化曲線的變化曲線。Wien位移定律給出位移定律給出m與與T 的關(guān)系：的關(guān)系：KmTm3108976. 2Planck定律與定律與Stefan-Bol

8、tzmann定律的關(guān)系定律的關(guān)系2541()001bbcTcEddTEe4bET即式中，式中，= 5.6710-8 W/(m2 K4)，Stefan-Boltzmann常數(shù)。常數(shù)。(2) Stefan-Boltzmann定律定律Lambert 定律定律：單位時間內(nèi)，黑體單位可見面積，在單位：單位時間內(nèi)，黑體單位可見面積，在單位立體角中輻射出去的能量相等，或定向輻射強度立體角中輻射出去的能量相等，或定向輻射強度I是常數(shù)。是常數(shù)。Lambert 定律也稱為余弦定律。定律也稱為余弦定律。單位時間內(nèi)，黑體單位面單位時間內(nèi)，黑體單位面積，在單位立體角中輻射出去的能量積，在單位立體角中輻射出去的能量隨天頂

9、角隨天頂角 呈余弦規(guī)律呈余弦規(guī)律變化。變化。(3) Lambert 定律定律對上式沿半球方向積分，可獲得了半球輻射力對上式沿半球方向積分，可獲得了半球輻射力 E:cos dEII Lambert定律圖示定律圖示Lambert定律與定律與Stefan-Boltzmann定律的關(guān)系定律的關(guān)系8.3 固體和液體的輻射特性固體和液體的輻射特性定向輻射強度定向輻射強度 光譜輻射力光譜輻射力上面公式只是針對光譜和方向平均的情況，但是，實際上面公式只是針對光譜和方向平均的情況，但是，實際上，真實表面的發(fā)射能力隨上，真實表面的發(fā)射能力隨光譜光譜和和方向方向變化。變化。1、實際物體發(fā)射率、實際物體發(fā)射率 同溫度

10、下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強；同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強； 真實物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；真實物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體； 發(fā)射率發(fā)射率 (也稱為黑度也稱為黑度) ：相同溫度下，實際物體的輻射：相同溫度下，實際物體的輻射力與黑體輻射力之比力與黑體輻射力之比:4TEEEb bEE光譜發(fā)射率：實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜光譜發(fā)射率：實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比輻射力之比E2、 實際物體的光譜輻射力實際物體的光譜輻射力b04( )EbdEET幾種非導(dǎo)電體材料在不同幾種非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率方向上的定向發(fā)射率 ( ) (t=090)幾種金屬

11、導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射 ( )(t=150)3、實際物體的定向輻射強度、實際物體的定向輻射強度定向發(fā)射率：實際物體的定向輻射強度與黑體的定向發(fā)射定向發(fā)射率：實際物體的定向輻射強度與黑體的定向發(fā)射強度之比強度之比( )( )( )( )bbIIII ( )( )( )( )bbIIII 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I，分別引入了三個修正系數(shù)，即分別引入了三個修正系數(shù)，即（總）發(fā)射率（總）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(dá)式和物理意義如下，其表

12、達(dá)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發(fā)射力之比黑體發(fā)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發(fā)射力與黑體的光譜發(fā)射力之比：力之比：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發(fā)強度與黑體的定向發(fā)射強度之比：射強度之比：實際物體輻射的簡化處理方式實際物體輻射的簡化處理方式 光譜發(fā)射率光譜發(fā)射率 ( )為常數(shù)為常數(shù)=灰體假設(shè)；灰體假設(shè)；1. 定向發(fā)射率定向發(fā)射率 ( )為常數(shù)為常數(shù)=漫射表面假設(shè)；漫射表面假設(shè)；因此，實際物體的光譜發(fā)射率并不是常數(shù)；定向發(fā)射率因此，實際物體的光譜發(fā)射率并不是常數(shù)；定向發(fā)射率也并不完

13、全符合也并不完全符合Lambert定律。定律。8.4 實際物體的吸收比和基爾霍夫定律實際物體的吸收比和基爾霍夫定律光譜吸收比：物體吸收某一特定波長輻射能的百分?jǐn)?shù)。光譜吸收比：物體吸收某一特定波長輻射能的百分?jǐn)?shù)。表征物體對某一波長輻射能吸收特性的物理量。表征物體對某一波長輻射能吸收特性的物理量。 幾種金屬材料的光譜吸收比幾種金屬材料的光譜吸收比輻射特性隨波長變化的性質(zhì)稱為輻射特性對波長的選擇性。輻射特性隨波長變化的性質(zhì)稱為輻射特性對波長的選擇性。實際物體的吸收比實際物體的吸收比: :取決于物體本身材料的種類、溫度及表面取決于物體本身材料的種類、溫度及表面性質(zhì)，還與投入輻射的波長分布有關(guān)，因此與投

14、入輻射能的發(fā)性質(zhì)，還與投入輻射的波長分布有關(guān)，因此與投入輻射能的發(fā)射體溫度有關(guān)。射體溫度有關(guān)。 幾種非金屬材料的光譜吸收比幾種非金屬材料的光譜吸收比工程上的熱輻射主要位于工程上的熱輻射主要位于0.7610 m的紅外波長范圍的紅外波長范圍內(nèi)，絕大多數(shù)工程材料的光內(nèi)，絕大多數(shù)工程材料的光譜輻射特性在此波長范圍內(nèi)譜輻射特性在此波長范圍內(nèi)變化不大，因此在工程計算變化不大，因此在工程計算時可以近似地當(dāng)作灰體處理。時可以近似地當(dāng)作灰體處理。一些材料對黑體輻射的吸收一些材料對黑體輻射的吸收比隨黑體溫度的變化。比隨黑體溫度的變化?；鶢柣舴蚨苫鶢柣舴蚨苫鶢柣舴蚨山沂玖宋矬w吸收輻射能的能力與發(fā)射輻射能的能基

15、爾霍夫定律揭示了物體吸收輻射能的能力與發(fā)射輻射能的能力之間的關(guān)系，其表達(dá)式為力之間的關(guān)系，其表達(dá)式為 , , ,TT 重要推論：重要推論：1、吸收輻射能能力愈強的物體，發(fā)射輻射能能力也愈強。、吸收輻射能能力愈強的物體，發(fā)射輻射能能力也愈強。2、在溫度相同的物體中，黑體吸收輻射能的能力最強，發(fā)射輻射在溫度相同的物體中，黑體吸收輻射能的能力最強，發(fā)射輻射能的能力也最強。能的能力也最強。漫射灰體：輻射特性與角度和波長無關(guān)，只是溫度的函數(shù)漫射灰體：輻射特性與角度和波長無關(guān)，只是溫度的函數(shù) TT本章小結(jié)本章小結(jié)黑體的輻射定律黑體的輻射定律4=bET輻射能力輻射能力輻射力輻射力光譜輻射力光譜輻射力定向輻射

16、力定向輻射力1)(512TcbecEd ( )cosd dIA實際物體的輻實際物體的輻射定律射定律4=ET bEE bII 假定物體的輻假定物體的輻射定律射定律不隨波長變不隨波長變化，灰體化，灰體不隨發(fā)射角變不隨發(fā)射角變化，漫射表面化，漫射表面輻射力：半球空間、全部波長；E，W/m2光譜輻射力：半球空間、某段波長；E，W/(m2.m)定向輻射力：單位面積，單位立體角、全部波長，Icos，W/(m2.sr)定向輻射強度：單位可見面積、單位立體角、全部波長，I，W/(m2.sr)0EE dcos dEI三者關(guān)系三者關(guān)系思考題：思考題：1. 什么是黑體、什么是黑體、 灰體灰體? 實際物體在什么樣的條件下可以看實際物體在什么樣的條件下可以看成是灰體成是灰體?2. 光譜輻射力，定向輻射強度和輻射