辐射基本概念定律课件.ppt

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1、辐辐射基本概念定律射基本概念定律射基本概念定律射基本概念定律第1页，此课件共36页哦8.18.1热辐热辐射射射射现现象的基本象的基本象的基本象的基本概概概概念念念念8.2 8.2 黑体黑体黑体黑体热辐热辐射的基本定律射的基本定律射的基本定律射的基本定律第2页，此课件共36页哦本章作业本章作业v8-4、8-9、8-17、8-23第3页，此课件共36页哦发射辐射能是各类物质的固有特性。发射辐射能是各类物质的固有特性。物质是由分子、原子、电子等基本粒子组成，当原子内部物质是由分子、原子、电子等基本粒子组成，当原子内部的电子受激和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电的电子受激和振动时，产生交替变化

2、的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。磁波向空间传播，这就是辐射。由于激发的方法不同，所产生的电磁波波长就不相同，它由于激发的方法不同，所产生的电磁波波长就不相同，它们投射到物体上产生的效应也不同。们投射到物体上产生的效应也不同。辐射的基本概念辐射的基本概念第4页，此课件共36页哦 电磁辐射包含了多种形式，而我们所感兴趣的，即工业电磁辐射包含了多种形式，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为上有实际意义的热辐射区域一般为0.10.1100100mm。电磁波谱电磁波谱第5页，此课件共36页哦热辐射的基本概念热辐射的基本概念1.1.热辐射热辐射(1)(1)定义定义：由热运

3、动产生，以电磁波形式传递的能量；由热运动产生，以电磁波形式传递的能量；(2)(2)特点特点：a a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K0 K，就会不停地向周围空间，就会不停地向周围空间发出热辐射；发出热辐射；b b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e e 辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关；f f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4 4次方。次方。第6页，此课件共36页哦t0Kt0K的物体的物体内内能能辐射能辐射能辐射特性辐射特性不同方向不同方向不同波长不同波

4、长不同温度不同温度辐射能辐射能吸收特性吸收特性不同波长不同波长辐射吸收的总效果辐射吸收的总效果辐射换热辐射换热第7页，此课件共36页哦当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透。收、反射和穿透。2.2.物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 第8页，此课件共36页哦对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：对于黑体：镜体或白体：镜体或白体：透明体：透明体：121=2第9页，此课件共36页哦黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律1.1.黑体概念黑

5、体概念黑体：是指能吸收投入到其面黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工可以人工制造出近似的人工黑体。黑体。第10页，此课件共36页哦8-108-10、一等温空腔的内表面为漫射体，并维持在均匀的温、一等温空腔的内表面为漫射体，并维持在均匀的温度。其上有一个面积为度。其上有一个面积为0.020.02的小孔，小孔面积相对于空的小孔，小孔面积相对于空腔内表面积可以忽略。今测得小孔向外界辐射的能量为腔内表面积可以忽略。今测得小孔向外界辐射的能量为70

6、W70W，试确定空腔内表面的温度。如果把空腔内表面全部抛，试确定空腔内表面的温度。如果把空腔内表面全部抛光，而温度保持不变，问这对小孔向外的辐射有何影响？光，而温度保持不变，问这对小孔向外的辐射有何影响？带有小孔的温度均匀的空腔就是黑体模型。就辐带有小孔的温度均匀的空腔就是黑体模型。就辐射特性而言，小孔具有和黑体表面一样的性质，射特性而言，小孔具有和黑体表面一样的性质，制造空腔材料本身的吸收比的大小对黑体模型没制造空腔材料本身的吸收比的大小对黑体模型没有影响。有影响。在这样的等温空腔内部，辐射是均匀而各向同性的，在这样的等温空腔内部，辐射是均匀而各向同性的，空腔内表面的辐射就是同温度下黑体的辐

7、射，不管空腔内表面的辐射就是同温度下黑体的辐射，不管空腔壁面自身的辐射特性如何。空腔壁面自身的辐射特性如何。第11页，此课件共36页哦辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所单位时间内，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。也称为半球总辐射力，有波长的能量总和。也称为半球总辐射力，(W/m(W/m2 2)；光谱辐射力光谱辐射力E E ：单位时间，单位波长范围内单位时间，单位波长范围内(包含某一给定波长包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。也称半球光谱辐射力，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。也称半球光谱辐射力，(W/m(W/m3

8、3)；显然，显然，E E和和E E之间具有如下关系：之间具有如下关系：定向辐射力定向辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积向某个方向发射的所有单位时间内，物体的单位表面积向某个方向发射的所有波长的能量总和。也称为半球总辐射力，波长的能量总和。也称为半球总辐射力，(W/m(W/m2 2)；2 2辐射能量的表示方法辐射能量的表示方法第12页，此课件共36页哦3 3 黑体辐射的三个基本定律及其相关性质黑体辐射的三个基本定律及其相关性质式中，式中，波长，波长，m m；T T 黑体温度，黑体温度，K K；c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.742103.74210-16-16 W W m

9、m2 2；c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.4388101.438810-2-2 W W K K；(1)Planck(1)Planck定律：定律：第13页，此课件共36页哦v黑体的光谱辐射力随着波长的增加黑体的光谱辐射力随着波长的增加先增大后减小；先增大后减小；v 对于任意波长，温度越高，黑对于任意波长，温度越高，黑体的光谱辐射力越强；体的光谱辐射力越强；v同一温度下，光谱辐射力存在同一温度下，光谱辐射力存在一个峰值；温度升高，峰值向一个峰值；温度升高，峰值向短波移动。短波移动。第14页，此课件共36页哦某一温度下的某一温度下的Eb有一个最大值，对应波长为有一个最大值，对应波长为m

10、，m与与T 的关系由的关系由Wien位移定律给出，位移定律给出，利用光学仪器测得某黑体表面最大光谱辐射力的利用光学仪器测得某黑体表面最大光谱辐射力的波长后，可以算出该黑体表面的温度波长后，可以算出该黑体表面的温度第15页，此课件共36页哦(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律：定律：它给出了黑体辐射力它给出了黑体辐射力E与热力学温度的依变关系。与热力学温度的依变关系。式中，式中，=5.6710=5.6710-8-8 w/(m w/(m2 2 K K4 4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。随着温度的上升

11、，辐射力急剧增加随着温度的上升，辐射力急剧增加第16页，此课件共36页哦黑体辐射能按波段分布黑体辐射能按波段分布实际问题中，有时需要确定某一实际问题中，有时需要确定某一特定波长范围内的辐射能量，即特定波长范围内的辐射能量，即黑体在波长黑体在波长1和和2区段内所发区段内所发射的辐射力射的辐射力黑体辐射函数黑体辐射函数:黑体在黑体在0 0波长范围内发出的辐射能在其辐射力中所占的份额波长范围内发出的辐射能在其辐射力中所占的份额。第17页，此课件共36页哦解释金属加热时的颜色变化：随解释金属加热时的颜色变化：随着金属温度的升高，可见光部分着金属温度的升高，可见光部分的能量所占的比例逐渐加大。在的能量所

12、占的比例逐渐加大。在500以下，金属发出的基本都是以下，金属发出的基本都是红外线，因此呈原色；到红外线，因此呈原色；到600以上，随着温度升高，金属相继呈以上，随着温度升高，金属相继呈暗红、红、黄，温度超过暗红、红、黄，温度超过1300时开始发白。时开始发白。有趣的辐射有趣的辐射有趣的辐射有趣的辐射辐射理论和公式的应用辐射理论和公式的应用辐射理论和公式的应用辐射理论和公式的应用第18页，此课件共36页哦计算温度为计算温度为3800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长。的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长。黑体温度在黑体温度在3800K以下时，其峰值波长处在红外线段。所以，以下时，其峰值波长处在红

13、外线段。所以，在一般工程中所遇到的辐射换热，基本都属于红外辐射。在一般工程中所遇到的辐射换热，基本都属于红外辐射。第19页，此课件共36页哦测得对应于太阳最大单色辐射力的峰值波长约为测得对应于太阳最大单色辐射力的峰值波长约为0.5m若太阳若太阳可以近似作为黑体看待，求太阳的表面温度。可以近似作为黑体看待，求太阳的表面温度。第20页，此课件共36页哦v太阳表面温度约太阳表面温度约5797K5797K，其峰值波长处于，其峰值波长处于可见光波段，且在可见光波段太阳辐射能可见光波段，且在可见光波段太阳辐射能量占总辐射能的量占总辐射能的44.63%44.63%，红外线波段的辐，红外线波段的辐射能量占总辐

14、射能量的射能量占总辐射能量的45.45%45.45%。可见，太。可见，太阳辐射能量绝大多数是可见光和红外线。阳辐射能量绝大多数是可见光和红外线。第21页，此课件共36页哦Ultraviolet 阳光中不同波长的紫外线对皮肤会造阳光中不同波长的紫外线对皮肤会造成不同程度的伤害，波长越短，伤害成不同程度的伤害，波长越短，伤害越重。据此，可将紫外线为为越重。据此，可将紫外线为为 UVAUVA、UVBUVB和和 UVCUVC三种。三种。第22页，此课件共36页哦UVAUVA为长波紫外线，长期作用于人的皮肤，为长波紫外线，长期作用于人的皮肤，可造成皮肤弹性降低、皱纹增多和老化加速等可造成皮肤弹性降低、皱

15、纹增多和老化加速等的伤害。在日常生活中，不论在室外曝晒，还的伤害。在日常生活中，不论在室外曝晒，还是在室内被强光源照射，皮肤都会在不知不觉是在室内被强光源照射，皮肤都会在不知不觉中受到紫外线中受到紫外线A A的影响，所以的影响，所以UVAUVA也称为也称为“生生活紫外线活紫外线”。第23页，此课件共36页哦UVBUVB为中波紫外线，它对人体有利的方面是能促进机体生成为中波紫外线，它对人体有利的方面是能促进机体生成维生素维生素D D，有利于钙的代谢，同时它也刺激皮肤生成大量黑，有利于钙的代谢，同时它也刺激皮肤生成大量黑色素，使皮肤要黑，以增加皮肤对紫外线的抵抗力。但过色素，使皮肤要黑，以增加皮肤

16、对紫外线的抵抗力。但过度曝晒，度曝晒，UVBUVB会损害表皮的结缔组织，使皮肤发生红斑反应，会损害表皮的结缔组织，使皮肤发生红斑反应，造成表皮层增厚和老化，甚至形成皮肤癌。当人们在海滨、造成表皮层增厚和老化，甚至形成皮肤癌。当人们在海滨、泳池、山顶等地休闲游玩时，长时间曝晒，紫外线泳池、山顶等地休闲游玩时，长时间曝晒，紫外线B B对皮肤对皮肤的伤害最明显，所以有人称之为的伤害最明显，所以有人称之为“休闲紫外线休闲紫外线”。第24页，此课件共36页哦UVCUVC一般能被大气中的臭氧层吸收，很少一般能被大气中的臭氧层吸收，很少到达地面。少部分到达地面的那部分，可到达地面。少部分到达地面的那部分，可

17、被皮肤角质层吸收，引起皮肤癌。被皮肤角质层吸收，引起皮肤癌。第25页，此课件共36页哦白炽灯里的钨丝发光时温度约白炽灯里的钨丝发光时温度约2800K2800K，其可，其可见光波段内的辐射能量占总辐射能量的比例仅见光波段内的辐射能量占总辐射能量的比例仅有有8.8%8.8%，其余发出的辐射能不起照明作用。，其余发出的辐射能不起照明作用。实际白炽灯的发光效率还要低，故用辐射方实际白炽灯的发光效率还要低，故用辐射方法照明是很浪费的，必须推广使用节能灯。法照明是很浪费的，必须推广使用节能灯。第26页，此课件共36页哦400K400K以下的物体即使在黑暗空间也看不到可见光，以下的物体即使在黑暗空间也看不到

18、可见光，但利用红外成像仪可迅速探测其位置但利用红外成像仪可迅速探测其位置红外热像仪是通过非接触探测红外能量（热量）红外热像仪是通过非接触探测红外能量（热量），并将其转换为电信号，进而在显示器上生成，并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。一种检测设备。第27页，此课件共36页哦已知某太阳能集热器的透光玻璃在波长从已知某太阳能集热器的透光玻璃在波长从0.352.7m范围内范围内的透射率为的透射率为85%，在此范围外是不透过的。计算太阳辐射，在此范围外是不透过的。计算太阳辐射对该玻璃的透射率。把太阳辐射作为

19、黑体看待，其表面温对该玻璃的透射率。把太阳辐射作为黑体看待，其表面温度度5762K。太阳辐射透过该玻璃的百分数为太阳辐射透过该玻璃的百分数为：第28页，此课件共36页哦由于集热器表面温度较低，一般不超过由于集热器表面温度较低，一般不超过373K,它它的长波辐射对玻璃是不透过的。因此，该玻璃的这种的长波辐射对玻璃是不透过的。因此，该玻璃的这种短波透射和对长波阻挡的性质，减少了集热器表面透短波透射和对长波阻挡的性质，减少了集热器表面透过玻璃向外的辐射热损失，有利于提高集热器的效率。过玻璃向外的辐射热损失，有利于提高集热器的效率。请设想若采用此种玻璃作为房屋的窗子，又会如请设想若采用此种玻璃作为房屋

20、的窗子，又会如何？何？第29页，此课件共36页哦(3)Lambert(3)Lambert定律：定律：立立体体角角的的定定义义：球球面面面面积积除除以以球球半半径径的的平平方方称称为为立立体体角角，单位：单位：sr(球面度球面度)dAc=rd rsin d ，为，为 +d 和和 +d 之间之间的微元面积，则微元立体的微元面积，则微元立体角为角为 第30页，此课件共36页哦定向辐射力：定向辐射力：单位时间内，物体单位面积上，在单位立体单位时间内，物体单位面积上，在单位立体角内发射的所有波长的能量。角内发射的所有波长的能量。定向辐射强度：定向辐射强度：单位时间内，物体在垂直发射方向的单单位时间内，物

21、体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的所有波长的能量。位面积上，在单位立体角内发射的所有波长的能量。第31页，此课件共36页哦黑体在任何方向上的定向辐射强度黑体在任何方向上的定向辐射强度I(,)与方向无关与方向无关LambertLambert定律：定律：第32页，此课件共36页哦它说明黑体的定向辐射力随纬度角它说明黑体的定向辐射力随纬度角 呈余弦规律变化，因此，呈余弦规律变化，因此，Lambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。沿半球方向积分上式，可获得沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度了半球辐射强度E:第33页，此课件共36页哦可见，遵守兰贝特定律的辐射，数值上其辐

22、射力等于可见，遵守兰贝特定律的辐射，数值上其辐射力等于定向辐射强度的定向辐射强度的 倍。倍。第34页，此课件共36页哦定向辐射强度与空间方向无关是咨意味着黑体的辐射能在半球空定向辐射强度与空间方向无关是咨意味着黑体的辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的间各方向上是均匀分布的?答：黑体辐射能按空间方向分布服从兰贝特定律。定向辐射强度答：黑体辐射能按空间方向分布服从兰贝特定律。定向辐射强度与空间方向无关并不意味着黑体辐射能在半球空间各个方向均匀分布，与空间方向无关并不意味着黑体辐射能在半球空间各个方向均匀分布，因为辐射强度是指单位可见辐射面积的辐射能，在不同方向，可见辐因为辐射强度是指单位可见辐射面积的辐射能，在不同方向，可见辐射面积是不同的，即定向辐射力是不同的。射面积是不同的，即定向辐射力是不同的。第35页，此课件共36页哦8-6、一人工黑体腔上的辐射小孔是一个直径为、一人工黑体腔上的辐射小孔是一个直径为20mm的的圆。辐射力圆。辐射力Eb=3.72105W/m2。一个辐射热流计置于该黑。一个辐射热流计置于该黑体小孔的正前方体小孔的正前方l=0.5m处，该热流计吸收热量的面积为处，该热流计吸收热量的面积为1.610-5。问该热流计所得到的黑体投入辐射是多少？。问该热流计所得到的黑体投入辐射是多少？第36页，此课件共36页哦