C8-9热辐射基本定律及物体的辐射特性.ppt

第八章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,本章首先从电磁辐射的观点来认识热辐射的本质及辐射能传递过程的一些特性，然后着重讨论热辐射的几个基本定律，最后介绍实际物体的辐射特性，以便为下一章讨论辐射换热的计算打下基础。,本章的特点是基本概念较多。,8-1 热辐射的基本概念,一、辐射及热辐射,辐射是物体通过电磁波传递能量的现象。,辐射有很多种形式，它们的区别是导致发射电磁波的激励方式不同，而外在表现是辐射的波长不一样，以及吸收该辐射能量后引起的效应不同。,热辐射是物体由于热的原因所产生的辐射。它的作用：物体吸收辐射能后将其转变成自身的内能。波长范围：0.1100m,可见光的波长范围：0.380.76m,紫 蓝 青 绿 黄 橙 赤,二、辐射与导热、对流的区别,传递方式不同 导热和对流需要媒介，辐射换热不需要中间介质。,2. 辐射换热过程存在能量形式的转换,热能电磁能,电磁能热能,3. 辐射表面具有方向性和选择性,辐射换热属于表面的物理过程，在换热表面的不同方向强度不一定相同，且与波长分布有关。,三、吸收、反射和透射,周围物体在单位时间内投射到物体单位表面积上的辐射能。用G表示，单位W/m2 。,1、投射辐射,被物体吸收、反射和透射的部分所占总投射辐射的份额分别称为吸收比、反射比 和透射比 。,2、吸收比、反射比和透射比,视物体表面状况（平整程度）和投入辐射的波长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。,3、镜反射和漫反射,漫反射是把来自任意方向、任意波长的投入辐射以均匀的强度（不是“能量”）反射到半球空间所有方向上去。,(a)镜反射,(b)漫反射,注：除了经特殊处理的金属表面，大 部分工程材料均可视为漫射表面。,吸收比 = 1的物体称为黑体。,4、黑体、白体和透明体,黑体、白体和透明体都是理想物体，自然界中并不存在，主要用它们作为研究辐射规律的参照物。特别是黑体的概念，是整个热辐射研究和工程应用的理论基础。,反射比 = 1的物体称为白体（或镜体）。,透射比 = 1的物体称之为透明体。,对于某一特定波长下的辐射称为光谱辐射或单色辐射。,5、光谱辐射（单色辐射）,对光谱辐射相应有光谱吸收比、光谱反射比和光谱透射比。,关于物体的颜色,我们所看到的物体颜色是由于从该表面发出的单色光线（辐射）投入到了我们的眼睛。,而从表面发出的辐射可能是自身发射的，也可能是反射投入其表面上的可见光。,三、辐射力与辐射强度,1、光谱辐射力,在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有方向发射的从到+d波长的辐射能称为光谱辐射力，用符号E表示，单位为W/m3。,2、辐射力,在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有方向发射的全部波长范围内的辐射能称为辐射力，用符号E表示，单位为W/m2。,3、定向辐射强度与定向辐射力,定向辐射强度与定向辐射力都是表示辐射在空间方向上的分布情况。介绍它们之前，先介绍几个的名词。,(1) 立体角,立体角是指球面上的面积与球心所对应的空间角度。立体角的单位叫球面度，用Sr表示。,右图中微元面积dA2对球心所张的微元立体角为：,(2) 可见辐射面积,是指从空间某方向所看到的表面有效面积。如右图中的可见辐射面积为：,(3) 定向辐射强度,是指单位时间内在空间指定方向的单位立体角内离开表面单位看见辐射面积的全波段辐射能量。用符号 表示。,如果仅考虑某特定波长的辐射，那么相应的量被称为定向光谱辐射强度 。,因此可得：,(4) 定向辐射力,是指单位时间、单位辐射面积向空间指定方向所在的单位立体角内发射的全波段辐射能量。用符号 表示。,8-2 黑体辐射的基本定律,一、黑体与黑体模型,黑体是吸收比等于1的理想物体。它具有同温度下辐射能力最大的性质。,尽管在自然界并不存在黑体，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。如：空腔上的小孔。,空腔内壁的温度应均匀，小孔的面积占总面积尽量小。小孔内表面实际的吸收比对此影响不大。 图中应是漫反射。,二、普朗克定律,黑体辐射的基本规律可以归结为三个定律普朗克定律、斯忒藩-玻耳兹曼定律和兰贝特定律。下面分别介绍。,1900年，普朗克（M.Planck）在量子假设的基础上，从理论上确定了黑体辐射的光谱分布规律，也就是普朗克定律。,C1普朗克第一常数，C1= 3.74210-16 Wm2 ; C2普朗克第二常数， C2 = 1.43910-2 mK。,根据黑体辐射曲线可以得以下规律：,(1) 温度愈高，同一波长下的光谱辐射力愈大；,(2) 在一定的温度下，黑体的光谱辐射力随波长连续变化，并在某一波长下具有最大值；,(3) 随着温度的升高，光谱辐射力取得最大值的波长max愈来愈小，即在坐标中的位置向短波方向移动。,根据黑体辐射曲线得到的规律(3)，计算得到如下的关系：,维恩位移定律,mK,上式被称为维恩位移定律。,计算温度分别为300K和5800K时最大光谱辐射力所对应的波长max。,三、斯忒藩-玻耳兹曼定律,黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩-波尔兹曼定律：,波段范围内辐射力的计算,为了计算上式，先计算（0)的辐射占总辐射力的百分比：,表8-2给出了黑体辐射函数表，即 f( T)的数值。,例题：计算太阳辐射中可见光所占的比例。,解：太阳可认为是表面温度为T = 5762 K的黑体，可见光的波长范围是0.380.76m ，即1 = 0.38 m , 2 = 0.76 m , 于是,mK,mK,由黑体辐射函数表可查得,可见光所占的比例为,四、兰贝特定律,兰贝特定律是指定向辐射强度与方向无关的规律，即：,黑体辐射在空间上的分布符合兰贝特定律，因此，黑体辐射在半球空间上各个方向的定向辐射强度相等，黑体表面必是漫射表面。,但是,服从兰贝特定律的表面称为漫射表面,但是漫射表面不一定是黑体。,8-3 实际固体和液体的辐射特性,对于实际固体和液体的辐射特性是与黑体相比较而得到的。,分别把实际固体和液体的辐射力、光谱辐射力和定向辐射强度与同温度下黑体的数值相比较，从而得到发射率(黑度)、光谱发射率 （单色黑度）和定向发射率 （定向黑度）的概念。,一、实际物体的光谱辐射力 和光谱发射率,二、实际物体的辐射力 和发射率,三、实际物体的定向辐射强度 和定向发射率,几种非金属材料的定向发射率,几种金属材料的定向发射率,导电体和非导电体圆球加热到白炽温度时，观察到的亮度情况。,部分常见材料表面的法向发射率,8-4 实际物体的吸收比与基尔霍夫定律,一、实际物体的光谱吸收比,根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比为,温室大棚就是利用了玻璃对辐射能吸收的选择性,关于物体的颜色,物体从表面发出的辐射可能是自身发射的，也可能是反射投入其表面上的可见光。,如果物体全部吸收各种可见光，它就呈黑色；,如果物体全部反射各种可见光，它就呈白色；,如果物体只反射了一种波长的可见光，则它就呈现该反射的辐射线的颜色。,实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长有选择性这一情况给辐射换热的工程计算带来很多不便。,二、灰体,光谱吸收比与波长无关的理想物体称为灰体。,在红外线的辐射范围内大多数工程材料可以当作灰体处理。,三、基尔霍夫定律,基尔霍夫定律给出了实际物体辐射能力与吸收能力的关系。,列出处于热平衡时，实际物体2的能量收支关系。,但是，这个等式是有条件的。,基尔霍夫定律的四种表达形式：,无条件成立,漫射表面,灰体表面,漫射灰体表面或与黑体 处于热平衡,四、关于基尔霍夫定律和灰体的几点说明,1、根据基尔霍夫定律，物体的辐射能力越大，其吸收能力也越大。换句话，善于辐射的物体必善于吸收。,2、对于工程问题而言，只要在所研究的波长范围内光谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定是成立的。,3、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体当作灰体处理。,思 考 1.描述黑体辐射规律的是那几个定律，它们分别从哪些方面进行描述的？,2.金属和非金属材料的定向发射率有何不同？