1、實際實際(shj)物體輻射解析物體輻射解析第一頁，共34頁。有一個面積為A1的小輻射源，為漫射表面，其發(fā)射的定向輻射強度是I1=1.2*105W/m2.sr。輻射探測器A2與A1的法線相垂直，二者的間距為l=0.2m，在A2與A1之間的中心位置處有一不透射的屏，防止(fngzh)A1的輻射到達A2。小表面Am是一個理想的漫反射鏡，從熱源發(fā)射的輻射可由Am反射到探測器。1、計算由A1發(fā)射而投射在Am上的輻射熱流；2、假定1中的輻射熱流完全被Am漫反射，計算離開Am的定向輻射強度；3、計算離開Am的反射輻射投射到A2上的輻射熱流。第1頁/共33頁第二頁，共34頁。mmAIq11111cos212c

2、oshAmmm第2頁/共33頁第三頁，共34頁。mmmAqE1srmWEImm2/5 .95Am能夠反射(fnsh)全部投射熱流第3頁/共33頁第四頁，共34頁。22cosmmmmmAIq22222coshAm第4頁/共33頁第五頁，共34頁。第5頁/共33頁第六頁，共34頁。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；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；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；因此，定義了發(fā)射率因此，定義了發(fā)射率 ( (也稱為也稱為(chn(

3、chn wi) wi)黑度黑度) ) ：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：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: :1 1 發(fā)射率發(fā)射率4TEEEb第6頁/共33頁第七頁，共34頁。實際實際(shj)(shj)物體的輻射力：物體的輻射力：440()100bTEETc上面公式只是針對上面公式只是針對(zhndu)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。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。第7頁/共33頁第八頁，共34頁。實際物體實際物體(wt)(wt)的光譜發(fā)射率的光譜發(fā)射率實際物體實

4、際物體(wt)(wt)的光譜輻射力隨波長作不規(guī)則變化，不符合普朗克定律，但定性上是一致的的光譜輻射力隨波長作不規(guī)則變化，不符合普朗克定律，但定性上是一致的黑體，T真實表面，TbEE)(實際物體實際物體(wt)的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比：的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比：第8頁/共33頁第九頁，共34頁。40)(TdEEEbb光譜發(fā)射率與實際物體光譜發(fā)射率與實際物體(wt)(wt)的發(fā)射率之間的關(guān)系的發(fā)射率之間的關(guān)系實際實際(shj)(shj)物體的輻射力不是與溫度嚴格地成四次方關(guān)系，實用中用此關(guān)系，修正系數(shù)物體的輻射力不是與溫度嚴格地成四次方關(guān)系，實用中用此關(guān)系，修正系數(shù)與與T T有

5、關(guān)。有關(guān)。第9頁/共33頁第十頁，共34頁。8-158-15、已知材料、已知材料A A、B B的光譜發(fā)射率與波長的關(guān)的光譜發(fā)射率與波長的關(guān)系如圖所示，試估計這兩種材料的發(fā)射率隨溫系如圖所示，試估計這兩種材料的發(fā)射率隨溫度變化的特性度變化的特性(txng)(txng)，并說明理由。，并說明理由。A的光譜發(fā)射率隨波長增加而降低，即其善于發(fā)射短波輻射，所以其發(fā)射率隨溫度(wnd)升高而升高，B的光譜發(fā)射率隨波長增加而增加，即其善于發(fā)射長波輻射，所以其發(fā)射率隨溫度(wnd)升高而降低。第10頁/共33頁第十一頁，共34頁。 實際物體的單色輻射力隨波長的變化如圖，它只能通過輻射光譜的實測才能確定。實際物

6、體的發(fā)射率可以(ky)用它的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比來表示40)(TdEEEbb第11頁/共33頁第十二頁，共34頁?；殷w的概念：物體的輻射光譜是連續(xù)的，且曲線的變化關(guān)系灰體的概念：物體的輻射光譜是連續(xù)的，且曲線的變化關(guān)系與同溫度下黑體的變化關(guān)系相似，即在所有與同溫度下黑體的變化關(guān)系相似，即在所有(suyu)(suyu)波長下：波長下：),(TfEconstEEEEEEnbnbb2211)(符合符合(fh)(fh)這種規(guī)律的物體稱為灰體這種規(guī)律的物體稱為灰體對灰體而言，其單色黑度與波長無關(guān)對灰體而言，其單色黑度與波長無關(guān)(wgun)(wgun)，因此，灰體均滿足，因此，灰體均滿足)(第

7、12頁/共33頁第十三頁，共34頁。實際實際(shj)(shj)物體的定向發(fā)射率物體的定向發(fā)射率黑體真實表面實際物體輻射按空間方向?qū)嶋H物體輻射按空間方向(fngxing)(fngxing)的分布，也不符合藍貝特定律的分布，也不符合藍貝特定律bbIIII)()()()(bbbbIdIIdIEE22cos)(cos)(實際物體的定向?qū)嶋H物體的定向(dn xin)輻射強輻射強度與黑體的定向度與黑體的定向(dn xin)輻射強輻射強度之比：度之比：第13頁/共33頁第十四頁，共34頁。8-198-19、一表面、一表面(biomin)(biomin)的定向發(fā)射率隨角度的定向發(fā)射率隨角度的變化如圖所示，確

8、定該表面的變化如圖所示，確定該表面(biomin)(biomin)的發(fā)的發(fā)射率與法向發(fā)射率的比值。射率與法向發(fā)射率的比值。5 . 0sincos3 . 0sincos7 . 02sincos)(cos)(402420202ddddd第14頁/共33頁第十五頁，共34頁。漫發(fā)射漫發(fā)射(fsh)(fsh)的概念：表面的方向發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射(fsh)(fsh)率率 ( () ) 與方向無關(guān)，即定向輻射強度與方向無關(guān)，滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射與方向無關(guān)，即定向輻射強度與方向無關(guān)，滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射(fsh)(fsh)面，這是對大多數(shù)實際表面的一種很好的近似。面，這是對大多數(shù)實際

9、表面的一種很好的近似。)(第15頁/共33頁第十六頁，共34頁。nM定向定向(dn xin)(dn xin)發(fā)射率是個常數(shù)發(fā)射率是個常數(shù), ,可用法向的發(fā)射率來近似代替可用法向的發(fā)射率來近似代替對于對于(duy)(duy)高度磨光的金屬表面：高度磨光的金屬表面：M=1.0M=1.01.31.3非導(dǎo)體：非導(dǎo)體： M=0.95 M=0.951.01.0第16頁/共33頁第十七頁，共34頁。前面講過，黑體、灰體等都是理想物體，而實際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同，比如，前面講過，黑體、灰體等都是理想物體，而實際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同，比如，(1)(1)實際物體的光譜輻射力

10、與黑體和灰體的不同，隨溫度和波長成不規(guī)則變化；實際物體的光譜輻射力與黑體和灰體的不同，隨溫度和波長成不規(guī)則變化；(2) (2) 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；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；(3) (3) 實際物體的定向輻射強度也不嚴格遵守實際物體的定向輻射強度也不嚴格遵守LambertLambert定律，等等。所有這些差別全部歸于上面定律，等等。所有這些差別全部歸于上面(shng mi(shng min)n)的系數(shù)，因此，他們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設(shè)為漫射灰體。的系數(shù)，因此，他們一般需要實驗來確定，形式也可能

11、很復(fù)雜。在工程上一般都將真實表面假設(shè)為漫射灰體。第17頁/共33頁第十八頁，共34頁。 物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面物體表面的發(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)狀況。這說明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)(yugun)，而不涉及外界條件。，而不涉及外界條件。影響影響(yngxing)(yngxing)物體發(fā)射率的因素物體發(fā)射率的因素第18頁/共33頁第十九頁，共34頁。2 2 吸收吸收(xshu)(xshu)比比當(dāng)外界的輻射當(dāng)外界的輻射(fsh)(fsh)投入到物體表面上時，該物體對投入輻射投入到物體表面上時，該物體對投入輻射(f

12、sh)(fsh)吸收的情況又是如何呢？吸收的情況又是如何呢？(1)(1)投入輻射投入輻射(fsh)(fsh)：單位時間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射：單位時間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射(fsh)(fsh)能能 (2)(2)選擇性吸收：投入輻射選擇性吸收：投入輻射(fsh)(fsh)本身具有光譜特性，因此，實際本身具有光譜特性，因此，實際 物體對投入輻射物體對投入輻射(fsh)(fsh)的吸收能力也根據(jù)其波長的不同而變的吸收能力也根據(jù)其波長的不同而變 化，稱之為選擇性吸收化，稱之為選擇性吸收(3)(3)吸收比：物體對投入輻射吸收比：物體對投入輻射(fsh)(fsh)所吸收的百分數(shù)，通常用所吸收的

13、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第19頁/共33頁第二十頁，共34頁。(4) (4) 光譜光譜(gungp)(gungp)吸收比：物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分數(shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比：物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分數(shù)，也叫單色吸收比。光譜(gungp)(gungp)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。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。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第20頁/共33頁第二十一頁，共34頁。 物體的選擇性吸收特性，即對有些波長的投入輻射吸收多，而對另一些波長的輻射吸

14、收少，在實際生產(chǎn)中利用的例子很多，但事情往往都具有雙面性，人們在利用選擇性吸收的同時，也為其傷透了腦筋，這是因為吸收比與投入輻射波長有關(guān)的特性給工程中輻射換熱的計算帶來巨大麻煩，對此，一般有兩種處理(chl)方法，即灰體法，即將光譜吸收比 () 等效為常數(shù)，即 = () = const。并將()與波長無關(guān)的物體稱為灰體，與黑體類似，它也是一種理想物體，但對于大部分工程問題來講，灰體假設(shè)帶來的誤差是可以容忍的；譜帶模型法，即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，每個小區(qū)域被稱為一個譜帶，在每個譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體假設(shè)。第21頁/共33頁第二十二頁，共34頁。8-218-21、溫度、溫度(wnd

15、)(wnd)為為310K310K的的4 4個表面置于太陽個表面置于太陽光的照射下，設(shè)此時各光的照射下，設(shè)此時各表面的光譜吸收比隨波表面的光譜吸收比隨波長的變化如附圖所示。長的變化如附圖所示。試分析，在計算與太陽試分析，在計算與太陽能的交換時，哪些表面能的交換時，哪些表面可以作為灰體處理？為可以作為灰體處理？為什么？什么？第22頁/共33頁第二十三頁，共34頁。物體的吸收物體的吸收(xshu)(xshu)比除與自身表面性質(zhì)和溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長的能量分布有關(guān)。設(shè)下標比除與自身表面性質(zhì)和溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長的能量分布有關(guān)。設(shè)下標1 1、2 2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的

16、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的吸收的吸收(xshu)(xshu)比為比為)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質(zhì)表面的性質(zhì)，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbb第23頁/共33頁第二十四頁，共34頁。圖給出了一些材料圖給出了一些材料(cilio)對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。如果投入輻射來自黑體，由于如果投入輻射來自黑體，由于 ，則上式可變?yōu)椋瑒t上式可變?yōu)?),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性質(zhì)

17、表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb第24頁/共33頁第二十五頁，共34頁。第25頁/共33頁第二十六頁，共34頁。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，有什么樣的聯(lián)系，1859年，年，Kirchhoff 用熱力學(xué)方法回答了這個問題，用熱力學(xué)方法回答了這個問題，提出了提出了Kirchhoff 定律。定律。最簡單的推導(dǎo)是用兩塊無限大平板最簡單的推導(dǎo)是用兩塊無限大平板(pngbn)間的熱力學(xué)平衡方法。間的熱力學(xué)平衡方法。板板1是黑體，板是黑體，板2是任意物體，參數(shù)分別為是任意物

18、體，參數(shù)分別為Eb, T以及以及E, , T，則當(dāng)系統(tǒng)，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時，有處于熱平衡時，有 bbEEEE第26頁/共33頁第二十七頁，共34頁。 此即此即Kirchhoff Kirchhoff 定律的表達式之一。該式說明，在熱平衡狀態(tài)下，定律的表達式之一。該式說明，在熱平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有(jyu)(jyu)如下限制：如下限制：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)；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。第27頁/共33頁第二十八頁，共34頁。為了將為了將Kirchhoff Kirchh

19、off 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(shyng)(shyng)條件，形成了該定律不同層次上的表達式條件，形成了該定律不同層次上的表達式. .層層 次數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)表達達式成立條條件光譜譜，定向光譜譜，半球全波段，半球無條條件， 為為天頂頂角漫射表面與與黑體處處于熱熱平衡或?qū)β冶砻?,(),(TT),(),(TT)()(TT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)，即符合漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強度與空間方向無關(guān)，即符合(fh)Lambert(fh)Lambert定律的物體表面；定律的物體表面；灰體：指光譜吸收

20、比與波長無關(guān)的物體，其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，灰體：指光譜吸收比與波長無關(guān)的物體，其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個相同的比例。只是減小了一個相同的比例。第28頁/共33頁第二十九頁，共34頁。某漫射表面溫度某漫射表面溫度T1T1300K300K，其單色吸收率如圖。把它放在壁溫，其單色吸收率如圖。把它放在壁溫T2=1200KT2=1200K的黑體空腔中，計算的黑體空腔中，計算(j sun)(j sun)此表面的吸收率和發(fā)射率此表面的吸收率和發(fā)射率69. 0)1 ()()(d)(d)(),()50(2)50(15225021020211bbbbbbbFFEdTEdTETETET漫射表面溫度漫射表面溫度T1300K),(),(TT11. 0)1 ()()()()50(2)50(1151150111bbbbbFFTEdTEdTE第