黑体辐射定律小结.ppt

1 第八章热辐射基本定律及辐射特性 2 回答下列问题 辐射 Radiation 热辐射 Thermalradiation 辐射传热镜面反射 Specularreflection 漫反射 Diffusereflection 黑体 Blackbody 白体 Whitebody 透明体 transparentbody 一 热辐射现象的基本概念 名词解释 3 回答下列问题 一 热辐射现象的基本概念 名词解释 辐射力 Emissivepower 光谱辐射力 SpectralEmissivepower 定向辐射力光谱定向辐射力立体角 Solidangle 辐射强度 I 或定向辐射强度 Directionalradiationintensity 光谱 单色 辐射强度 4 热辐射的特点 气体 固体和液体辐射能的吸收 反射和透射如何 简要说明黑体 白体与黑色物体 白色物体的不同 写出黑体辐射基本定律的数学表达式 并分别说明其描述的内容 Stefan Boltzmann定律 普朗克 Planck 定律 维恩 Wien 位移定律 兰贝特 Lambert 定律 二 黑体热辐射的基本定律 简答 5 8 1热辐射现象的基本概念 8 1 1热辐射的定义和特点 基本概念 辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式 热辐射 由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射 发射辐射能是各类物质的固有特性 辐射传热 物体之间相互辐射和吸收的总效果 当物体与环境处于热平衡时 其表面上的热辐射仍在进行 但净辐射传热量等于零 6 热辐射 发射辐射能是各类物质的固有特性 7 热辐射的特点 不需要物体直接接触 热辐射不需中间介质 可以在真空中传递 而且在真空中辐射能的传递最有效 在辐射换热过程中 不仅有能量的转换 而且伴随有能量形式的转化 辐射 辐射体内热能 辐射能 吸收 辐射能 受射体内热能 只要温度大于0K就有能量辐射 不仅高温物体向低温物体辐射热能 而且低温物体向高温物体辐射热能 总的结果是热由高温传向低温 物体的辐射能力与其温度性质有关 与绝对温度的四次方成正比 8 热辐射的特点 只要温度大于0K就有能量辐射 不仅高温物体向低温物体辐射热能 而且低温物体向高温物体辐射热能 总的结果是热由高温传向低温 9 8 1 2从电磁波的角度描述热辐射的特性 1 传播速率与波长 频率间的关系 各种电磁波都以光速在空间传播 10 热辐射是电磁辐射 电磁波 的一种电磁波波长从几万分之一微米到数千米 图8 1电磁辐射波谱 2 电磁波的波谱 11 2 电磁波的波谱 可见光 0 38 0 76 m 紫外线 x射线 射线等 1000 m 热射线 0 1 100 m 包括可见光 部分紫外线红外线 太阳辐射主要能量集中在0 2 2 m波长范围 12 3 物体表面对电磁波的作用 投射辐射G Irradiation 一部分被吸收 Absorption一部分被反射 Reflection还有一部分可能穿透物体Transmission 吸收率 Absorptivity 反射率 Reflectivity 透射率 Transmissivity G G G G 1 G G G G 13 固体表面两种极端情况 镜反射 漫反射 镜反射 Specularreflection 入射角 反射角 表面粗糙度 投入辐射波长 例如 光滑的金属表面 玻璃 塑料等 漫反射 Diffusereflection 被反射的辐射能均匀分布在各方向 表面粗糙度 投入辐射波长 一般粗糙非金属表面接近于漫反射 图8 4漫反射 图8 3镜反射 14 辐射能的吸收 反射和透射 若投射能量是某波长下的 单色 辐射 Spectral G G G G 或 1其中 光谱吸收率 光谱反射率 光谱透射率或 单色吸收率 单色反射率 单色透射率 及 是物体表面的辐射特性 与物体的性质 温度及表面状况有关 全波长的特性 还与投射能量的波长分布有关 15 物体辐射能的吸收 反射和透射 气体 对辐射能几乎没有反射能力 0 1 固体和液体 分子排列非常紧密 投射辐射能在进入物体很小距离内就被全部吸收 具有在物体表面上进行的特点而不涉及物体内部如 金属导体 该距离约为1 m 非导体 1000 m 故 对一般固体和液体 0 1 黑体 能全部吸收外来射线的物体 1 白体 能全部反射外来射线的物体 1 透明体 能被外来射线全部透过的物体 1 自然界中并不存在黑体 白体和透明体 它们只是实际物体热辐射性能的理想模型 煤烟 0 96 高度磨光的纯金 0 98 黑体是一个理想的吸收体 它能吸收来自各个方向 各种波长的全部投射能量 16 注意 黑体 白体与黑色物体 白色物体不同 颜色是对可见光而言的 黑体 白体及透明体都是对全波长而言的 而可见光只占全波长中的一小部分 故 物体对外来全波长射线的吸收能力的高低 不能凭物体的颜色来判断 白颜色物体 反射的射线在可见光部分呈白色 不一定是白体 黑颜色物体不一定是黑体 例如 雪对可见光是良好的反射体 对肉眼是白色的 但对红外线几乎能全部吸收 0 985 0 8 白布和黑布对可见光吸收率不同 但对红外线的吸收率基本相同 玻璃只透过可见光 对 3 m的红外线不透明 17 具有一个小孔的等温空腔表面 若有外部投射辐射从小孔进入空腔内 必将在其内表面经历无数次的吸收和反射 最后能够从小孔重新选出去的辐射能量必定微乎其微 认为几乎全部入射能量都被空腔吸收殆尽 从这个意义上讲 小孔非常接近黑体的性质 对于黑体 1 0 0 8 1 3黑体模型及其重要性 人工黑体 空腔上的小孔接近于黑体 18 基本概念1 立体角2 定向辐射强度 I 3 8 2黑体热辐射的基本定律 19 热辐射能量的表示方法 光谱辐射力E 单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的包含波长 在内的单位波长内的能量称为光谱辐射力 W m2 m 辐射力E 单位时间内 物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和 W m2 从总体上表征物体发射辐射能本领的大小 定向辐射力 发射体的单位面积 在单位时间内 向某个方向单位立体角内发射的辐射能E W m2Sr 光谱定向辐射力 发射体的单位面积 在单位时间内 向半球空间的某给定方向单位立体角内 在波长 附近的单位波长间隔内发射的辐射能量 E W m2 sr m 20 21 立体角 22 即 环绕发射表面dA1的半球空间立体角为2 23 辐射强度 I 或定向辐射强度 Radiationintensity 辐射强度 物体表面朝着某给定方向 对垂直于该方向的单位投影面积而言 在单位时间 单位立体角内所发射的全波长的能量I W m2 Sr Sr 立体角 Solidangles 的单位 球面度 24 辐射强度 Radiationintensity 对于各向同性的物体表面 辐射强度与角度 无关 本课限于各向同性的物体表面 光谱 单色 辐射强度 针对某波长 波长间隔为d 25 定义 单位可见面积发射出去的落在空间任意方向的单位立体角中的能量 定向辐射强度I 可见面积 在不同方向上所能看到的辐射面积是不一样的 微元辐射面dA位于球心地面上 在任意方向p看到的辐射面积不是dA 而是dAcos 黑体辐射的定向辐射强度与方向无关 26 E E 关系 显然 E和E 之间具有如下关系 黑体一般采用下标b表示 如黑体的辐射力为Eb 黑体的光谱辐射力为Eb 27 8 2 1Stefan Boltzmann定律 式中 5 67 10 8w m2 K4 Stefan Boltzmann常数 c0 5 67w m2 K4 黑体辐射系数 描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律 1879年Stefan实验 1884年Boltzman热力学理论得出 将Plank sLaw积分即得 8 2黑体热辐射的基本定律 28 式中 波长 m T 黑体温度 K c1 第一辐射常数 3 7419 10 16W m2 c2 第二辐射常数 1 4388 10 2W K 8 2 2普朗克定律 1900年 描述了黑体光谱辐射力随波长及温度的变化规律 29 Planck定律的图示 黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系 30 m与T的关系由Wien位移定律给出 维恩位移定律的发现在普朗克定律之前 但可以通过将普朗克定律对 求导并使其等于零得到 维恩Wien位移定律 1893热力学理论得出 普朗克定律与Stefan Boltzmann定律的关系 31 解 应用Wien位移定律T 2000K时 max 2 9 10 3 2000 1 45 mT 5800K时 max 2 9 10 3 5800 0 50 m常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区 例 试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长 32 在实际中 有时需求出某一特定波长的辐射能量 如图中的在 1和 2之间的线下面积 黑体在波长 1和 2区段内所发射的辐射力 特定波长区段内的黑体辐射力 黑体辐射按波段的分布 33 黑体辐射函数 通常把波段区间的辐射能表示为同温度下黑体辐射力 从0到 的整个波谱的辐射能 的百分数 记作 黑体辐射函数 34 例 试求温度为3000K和6000K时的黑体辐射中可见光所占的份额 Fb 1 2 Fb 0 2 Fb 0 1 11 5 14 11 36 同样的做法可以得出5000K的黑体在可见光范围所占的份额为Fb 1 2 Fb 0 2 Fb 0 1 57 0 11 5 45 5 解 可见光的波长范围是从0 38 到0 76 对于3000K的黑体其 T值分别为1140和2280 可从查表8 1得Fb 0 1 和Fb 0 2 分别为0 14 和11 5 于是可见光所占份额为 35 定义 立体角为一空间角 即被立体角所切割的球面面积除以球半径的平方称为立体角 单位 sr 球面度 1 立体角 8 3 2兰贝特Lambert定律 36 3Lambert定律 余弦定律 黑体单位面积辐射出去的能量在空间的不同方向分布是不均匀的 其定向辐射力随纬度角 呈余弦规律变化 Lambert定律也称为余弦定律 黑体辐射能在空间不同方向上的分布不均匀 法向最大 切向最小 为零 兰贝特 Lambert 指出 黑体辐射的定向辐射强度是个常量 与空间方向无关 37 黑体辐射力E 遵循兰贝特定律的辐射 数值上其辐射力等于定向辐射强度的 倍 38 Stefan Boltzmann定律 确定黑体辐射力随表面温度变化的规律 Planck定律 黑体辐射能量按波长分布规律 Lambert定律 黑体辐射能量按空间方向的分布规律 4 维恩位移定律 确定黑体的光谱辐射力峰值所对应的最大波长 黑体辐射定律小结 39 8 3 1实际物体的辐射力 8 3固体和液体的辐射特性 实际物体的辐射力 同温度下 黑体发射热辐射的能力最强 包括所有方向和所有波长 真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体 因此定义发射率 也称为黑度 相同温度下 实际物体的辐射力与黑体辐射力之比 上面公式只是针对方向和光谱平均的情况 但实际上 真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的 40 8 3 2实际物体的光谱辐射力 实际材料表面的光谱辐射力不遵守普朗克定律 或者说不同波长下光谱发射率随波长的变化比较大 并且不规则 41 光谱发射率 实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比 光谱发射率与实际物体的发射率之间的关系 实际物体的辐射力不是与温度严格地成四次方关系 实用中用此关系 修正系数 与T有关 42 定向发射率 实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比 8 3 3实际物体的定向辐射强度 1 定向辐射强度随 角的变化规律 漫射体 表面的定向发射率 与方向无关 即定向辐射强度与方向无关 满足上述规律的物体称为漫射体 这是对大多数实际表面的一种很好的近似 服从兰贝特定律的辐射 定向发射率在极坐标上是个半圆 43 几种金属导体在不同方向上的定向发射率 t 150 从 0 开始 在一定角度范围内 可认为是常数 然后随着角 的增加而急剧地增大 在接近 90 的极小角度范围内 又减小 在极小角度内 图中未表示出来 44 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率 t 0 93 3 0 60 基本不变 60 明显减少 90 降为0 45 2 定向发射率与半球平均发射率间的关系 无论金属还是非金属 在半球空间的大部分范围内 定向发射率是个常数 可用法向的发射率来近似代替 对于高度磨光的金属表面 M 1 0 1 3 非导体 M 0 95 1 0 认为大多数工程材料M 1 一般工程手册种给出的物体发射率常常是法向发射率的数值 46 3 影响物体发射率的因素 f 物质的种类 表面状况 表面温度 只与发射物体有关 而不涉及外界条件 不同种类物质的 常温下白大理石 0 95 常温下镀锌铁皮 0 23 同一物体不同温度 严重氧化的铝表面50 时 0 2 500 时 0 3 同一材料 不同表面状况 a常温下无光泽黄铜 0 22 磨光后的黄铜 0 05 大部分非金属材料的发射率一般在0 85 0 95之间 且与表面状况关系不大 在缺乏资料时 可近似取为0 9 47 对应于黑体的辐射力Eb 光谱辐射力Eb 和定向辐射强度L 分别引入了三个修正系数 即发射率 光谱发射率 和定向发射率 其表达式和物理意义如下 实际物体的辐射力与黑体辐射力之比 实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比 实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比 48 投入辐射 单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 7 4 1实际物体的吸收比 8 4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系 吸收比 物体对投入辐射所吸收的百分数 通常用 表示 实际物体吸收率不仅与物体本身的情况有关 还取决于投射辐射的特性 物体本身的情况 物质种类 物体温度和表面状况 49 1 光谱吸收比 物体吸收某一特定波长的辐射能的百分数称为光谱吸收比 也叫单色吸收比 光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性 50 物体的光谱吸收比随波长而异的这种特性称为物体的吸收具有选择性 2 实际物体的吸收具有选择性 工程应用 塑料膜大棚 暖房 焊接时 生活中的例子 颜色 51 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 3 实际物体吸收的选择性对辐射传热计算造成的困难 52 如果投入辐射来自黑体 由于 则上式可变为 53 图8 19物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系材料自身温度T1为294K 54 灰体 光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体 此时 不管投入辐射的分布如何 吸收比 都是同一个常数 Constant 8 4 2灰体的概念及其工程应用 引入的意义 不管投入辐射的分布如何 均为常数 即物体的吸收比只取决于本身的情况而与外界情况无关 像黑体一样 灰体也是一种理想物体 工业上通常遇到的热辐射 其主要波长区段位于红外线范围内 绝大部分0 76 10微米之间 在此范围内 大多数工程材料当作灰体处理引起的误差是可以容许的 这种简化处理给辐射换热分析带来了很大的方便 55 发射辐射与吸收辐射二者之间的联系 最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法 如图所示 板1是黑体 板2是任意物体 参数分别为Eb T1以及E T2 则当系统处于热平衡时 实际物体向外辐射能为 8 4 3吸收比与发射率的关系 基尔霍夫定律 56 在热平衡条件下 任何物体的辐射和它对来自黑体辐射的吸收比的比值 恒等于同温度下黑体的辐射力 当体系处于T1 T2的状态 即处于热平衡条件下时 q 0 则 把这种关系推广到任意物体时 可写出如下的关系式 热平衡时 任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于该物体的发射率