实际物体辐射解析学习教案

1、实际实际(shj)物体辐射解析物体辐射解析第一页，共34页。有一个面积为A1的小辐射源，为漫射表面，其发射的定向辐射强度是I1=1.2*105W/m2.sr。辐射探测器A2与A1的法线相垂直，二者的间距为l=0.2m，在A2与A1之间的中心位置处有一不透射的屏，防止(fngzh)A1的辐射到达A2。小表面Am是一个理想的漫反射镜，从热源发射的辐射可由Am反射到探测器。1、计算由A1发射而投射在Am上的辐射热流；2、假定1中的辐射热流完全被Am漫反射，计算离开Am的定向辐射强度；3、计算离开Am的反射辐射投射到A2上的辐射热流。第1页/共33页第二页，共34页。mmAIq11111cos212c

2、oshAmmm第2页/共33页第三页，共34页。mmmAqE1srmWEImm2/5 .95Am能够反射(fnsh)全部投射热流第3页/共33页第四页，共34页。22cosmmmmmAIq22222coshAm第4页/共33页第五页，共34页。第5页/共33页第六页，共34页。前面定义了黑体的发射特性：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；前面定义了黑体的发射特性：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；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；因此，定义了发射率因此，定义了发射率 ( (也称为也称为(chn(

3、chn wi) wi)黑度黑度) ) ：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比: :1 1 发射率发射率4TEEEb第6页/共33页第七页，共34页。实际实际(shj)(shj)物体的辐射力：物体的辐射力：440()100bTEETc上面公式只是针对上面公式只是针对(zhndu)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。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。第7页/共33页第八页，共34页。实际物体实际物体(wt)(wt)的光谱发射率的光谱发射率实际物体实

4、际物体(wt)(wt)的光谱辐射力随波长作不规则变化，不符合普朗克定律，但定性上是一致的的光谱辐射力随波长作不规则变化，不符合普朗克定律，但定性上是一致的黑体，T真实表面，TbEE)(实际物体实际物体(wt)的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：第8页/共33页第九页，共34页。40)(TdEEEbb光谱发射率与实际物体光谱发射率与实际物体(wt)(wt)的发射率之间的关系的发射率之间的关系实际实际(shj)(shj)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，修正系数与与T T有

5、关。有关。第9页/共33页第十页，共34页。8-158-15、已知材料、已知材料A A、B B的光谱发射率与波长的关的光谱发射率与波长的关系如图所示，试估计这两种材料的发射率随温系如图所示，试估计这两种材料的发射率随温度变化的特性度变化的特性(txng)(txng)，并说明理由。，并说明理由。A的光谱发射率随波长增加而降低，即其善于发射短波辐射，所以其发射率随温度(wnd)升高而升高，B的光谱发射率随波长增加而增加，即其善于发射长波辐射，所以其发射率随温度(wnd)升高而降低。第10页/共33页第十一页，共34页。 实际物体的单色辐射力随波长的变化如图，它只能通过辐射光谱的实测才能确定。实际物

6、体的发射率可以(ky)用它的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比来表示40)(TdEEEbb第11页/共33页第十二页，共34页。灰体的概念：物体的辐射光谱是连续的，且曲线的变化关系灰体的概念：物体的辐射光谱是连续的，且曲线的变化关系与同温度下黑体的变化关系相似，即在所有与同温度下黑体的变化关系相似，即在所有(suyu)(suyu)波长下：波长下：),(TfEconstEEEEEEnbnbb2211)(符合符合(fh)(fh)这种规律的物体称为灰体这种规律的物体称为灰体对灰体而言，其单色黑度与波长无关对灰体而言，其单色黑度与波长无关(wgun)(wgun)，因此，灰体均满足，因此，灰体均满足)(第

7、12页/共33页第十三页，共34页。实际实际(shj)(shj)物体的定向发射率物体的定向发射率黑体真实表面实际物体辐射按空间方向实际物体辐射按空间方向(fngxing)(fngxing)的分布，也不符合蓝贝特定律的分布，也不符合蓝贝特定律bbIIII)()()()(bbbbIdIIdIEE22cos)(cos)(实际物体的定向实际物体的定向(dn xin)辐射强辐射强度与黑体的定向度与黑体的定向(dn xin)辐射强辐射强度之比：度之比：第13页/共33页第十四页，共34页。8-198-19、一表面、一表面(biomin)(biomin)的定向发射率随角度的定向发射率随角度的变化如图所示，确

8、定该表面的变化如图所示，确定该表面(biomin)(biomin)的发的发射率与法向发射率的比值。射率与法向发射率的比值。5 . 0sincos3 . 0sincos7 . 02sincos)(cos)(402420202ddddd第14页/共33页第十五页，共34页。漫发射漫发射(fsh)(fsh)的概念：表面的方向发射的概念：表面的方向发射(fsh)(fsh)率率 ( () ) 与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫发射与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫发射(fsh)(fsh)面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。面，这是对大多数实际

9、表面的一种很好的近似。)(第15页/共33页第十六页，共34页。nM定向定向(dn xin)(dn xin)发射率是个常数发射率是个常数, ,可用法向的发射率来近似代替可用法向的发射率来近似代替对于对于(duy)(duy)高度磨光的金属表面：高度磨光的金属表面：M=1.0M=1.01.31.3非导体：非导体： M=0.95 M=0.951.01.0第16页/共33页第十七页，共34页。前面讲过，黑体、灰体等都是理想物体，而实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同，比如，前面讲过，黑体、灰体等都是理想物体，而实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同，比如，(1)(1)实际物体的光谱辐射力

10、与黑体和灰体的不同，随温度和波长成不规则变化；实际物体的光谱辐射力与黑体和灰体的不同，随温度和波长成不规则变化；(2) (2) 实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；(3) (3) 实际物体的定向辐射强度也不严格遵守实际物体的定向辐射强度也不严格遵守LambertLambert定律，等等。所有这些差别全部归于上面定律，等等。所有这些差别全部归于上面(shng mi(shng min)n)的系数，因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能很复杂。在工程上一般都将真实表面假设为漫射灰体。的系数，因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能

11、很复杂。在工程上一般都将真实表面假设为漫射灰体。第17页/共33页第十八页，共34页。 物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关状况。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关(yugun)，而不涉及外界条件。，而不涉及外界条件。影响影响(yngxing)(yngxing)物体发射率的因素物体发射率的因素第18页/共33页第十九页，共34页。2 2 吸收吸收(xshu)(xshu)比比当外界的辐射当外界的辐射(fsh)(fsh)投入到物体表面上时，该物体对投入辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射(f

12、sh)(fsh)吸收的情况又是如何呢？吸收的情况又是如何呢？(1)(1)投入辐射投入辐射(fsh)(fsh)：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射(fsh)(fsh)能能 (2)(2)选择性吸收：投入辐射选择性吸收：投入辐射(fsh)(fsh)本身具有光谱特性，因此，实际本身具有光谱特性，因此，实际 物体对投入辐射物体对投入辐射(fsh)(fsh)的吸收能力也根据其波长的不同而变的吸收能力也根据其波长的不同而变 化，称之为选择性吸收化，称之为选择性吸收(3)(3)吸收比：物体对投入辐射吸收比：物体对投入辐射(fsh)(fsh)所吸收的百分数，通常用所吸收的

13、百分数，通常用表表 示，即示，即)(投入辐射投入的能量吸收的能量第19页/共33页第二十页，共34页。(4) (4) 光谱光谱(gungp)(gungp)吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱(gungp)(gungp)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。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。能量投入的某一特定波长的能量吸收的某一特定波长的),(1T第20页/共33页第二十一页，共34页。 物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，而对另一些波长的辐射吸

14、收少，在实际生产中利用的例子很多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一般有两种处理(chl)方法，即灰体法，即将光谱吸收比 () 等效为常数，即 = () = const。并将()与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。第21页/共33页第二十二页，共34页。8-218-21、温度、温度(wnd

15、)(wnd)为为310K310K的的4 4个表面置于太阳个表面置于太阳光的照射下，设此时各光的照射下，设此时各表面的光谱吸收比随波表面的光谱吸收比随波长的变化如附图所示。长的变化如附图所示。试分析，在计算与太阳试分析，在计算与太阳能的交换时，哪些表面能的交换时，哪些表面可以作为灰体处理？为可以作为灰体处理？为什么？什么？第22页/共33页第二十三页，共34页。物体的吸收物体的吸收(xshu)(xshu)比除与自身表面性质和温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标比除与自身表面性质和温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1 1、2 2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的

16、物体，则物体分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1 1的吸收的吸收(xshu)(xshu)比为比为)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性质表面的性质，表面投入的总能量吸收的总能量TTfTETTETTbb第23页/共33页第二十四页，共34页。图给出了一些材料图给出了一些材料(cilio)对黑体辐射的吸收比与温度的关系。对黑体辐射的吸收比与温度的关系。如果投入辐射来自黑体，由于如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为，则上式可变为1),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性质

17、表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb第24页/共33页第二十五页，共34页。第25页/共33页第二十六页，共34页。在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者之间具在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者之间具有什么样的联系，有什么样的联系，1859年，年，Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问题，用热力学方法回答了这个问题，提出了提出了Kirchhoff 定律。定律。最简单的推导是用两块无限大平板最简单的推导是用两块无限大平板(pngbn)间的热力学平衡方法。间的热力学平衡方法。板板1是黑体，板是黑体，板2是任意物体，参数分别为是任意物

18、体，参数分别为Eb, T以及以及E, , T，则当系统，则当系统处于热平衡时，有处于热平衡时，有 bbEEEE第26页/共33页第二十七页，共34页。 此即此即Kirchhoff Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热平衡状态下，定律的表达式之一。该式说明，在热平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有(jyu)(jyu)如下限制：如下限制：整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；投射辐射源必须是同温度下的黑体。投射辐射源必须是同温度下的黑体。第27页/共33页第二十八页，共34页。为了将为了将Kirchhoff Kirchh

19、off 定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用(shyng)(shyng)条件，形成了该定律不同层次上的表达式条件，形成了该定律不同层次上的表达式. .层层 次数学数学表达达式成立条条件光谱谱，定向光谱谱，半球全波段，半球无条条件， 为为天顶顶角漫射表面与与黑体处处于热热平衡或对对漫灰表面),(),(TT),(),(TT)()(TT漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合(fh)Lambert(fh)Lambert定律的物体表面；定律的物体表面；灰体：指光谱吸收

20、比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。只是减小了一个相同的比例。第28页/共33页第二十九页，共34页。某漫射表面温度某漫射表面温度T1T1300K300K，其单色吸收率如图。把它放在壁温，其单色吸收率如图。把它放在壁温T2=1200KT2=1200K的黑体空腔中，计算的黑体空腔中，计算(j sun)(j sun)此表面的吸收率和发射率此表面的吸收率和发射率69. 0)1 ()()(d)(d)(),()50(2)50(15225021020211bbbbbbbFFEdTEdTETETET漫射表面温度漫射表面温度T1300K),(),(TT11. 0)1 ()()()()50(2)50(1151150111bbbbbFFTEdTEdTE第