热辐射基本定律.ppt
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1、现在学习的是第1页,共37页1.热辐射特点热辐射特点(1)定义定义:由热运动产生的,以电磁波形式传递的能量;:由热运动产生的,以电磁波形式传递的能量;(2)特点特点:a 任何物体,只要温度高于任何物体,只要温度高于0 K,就会不停地向周围空间发出热辐射;,就会不停地向周围空间发出热辐射;b 可以可以在真空中传播;在真空中传播;c 伴随能量形式的转变;伴随能量形式的转变;d 具有强烈的方向性;具有强烈的方向性;e 辐射能与温度和波长辐射能与温度和波长均有关;均有关;f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。2.电磁波谱电磁波谱电磁辐射包含了多种形式,如图电磁辐射包含了多种形式,如
2、图7-1所示,而我们所感兴趣的,即工业上有实际意义所示,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的热辐射区域一般为0.1100m。电磁波的传播速度:电磁波的传播速度:c=f 式中:式中:f 频率,频率,s-1;波长,波长,m7-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念2022/10/6*-2 现在学习的是第2页,共37页图7-1电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念2022/10/6*-3 现在学习的是第3页,共37页当热
3、辐射投射到物体表面上时,一般会发生三种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,如图现象,即吸收、反射和穿透,如图7-2所示。所示。3.3.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 图图7.2 7.2 物体对热辐射的物体对热辐射的 吸收反射和穿透吸收反射和穿透第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念2022/10/6*-4 现在学习的是第4页,共37页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:反射又分
4、镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种图图7-3 镜反射镜反射图图7-4 漫反射漫反射第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念2022/10/6*-5 现在学习的是第5页,共37页1.1.黑体概念黑体概念黑体:黑体:是指能吸收投入到其面是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体,是上的所有热辐射能的物体,是一种科学假想的物体,现实生一种科学假想的物体,现实生活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。工制造出近似的人工黑体。图图7-5 7-5 黑体模型黑体模型7-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律第第7 7
5、章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律2022/10/6*-6 现在学习的是第6页,共37页辐射力辐射力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。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);光谱辐射力光谱辐射力E:单位时间内,单位波长范围内单位时间内,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,物体的单位表面积向半球空间发射的能量。空间发射的能量。(W/m3);2.2.热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法E、E关系关系:显然,显然,E和和E之间具有如下关系:之
6、间具有如下关系:黑体一般采用下标黑体一般采用下标b表示,如黑体的辐射力为表示,如黑体的辐射力为Eb,黑体的,黑体的光谱辐射力光谱辐射力为为Eb第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律2022/10/6*-7 现在学习的是第7页,共37页3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质黑体辐射的三个基本定律及相关性质式中,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 m2 2;c c2 2 第二辐射常数,第二辐射常数,1.4388101.438810
7、-2-2 W W K K;(1)Planck(1)Planck定律定律(第一个定律第一个定律):图图7-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。随波长和温度的依变关系。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,图图7-6 Planck 定律的图示定律的图示第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律2022/10/6*-8 现在学习的是第8页,共37页(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律(第二个定律第二个定律):式中,式中,=5.6710
8、-8 w/(m2 K4),是,是Stefan-Boltzmann常数。常数。(3)(3)黑体辐射函数黑体辐射函数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,如图射的辐射力,如图7-7所示:所示:图图7-7 7-7 特定波长区段内的黑体辐射力特定波长区段内的黑体辐射力第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律2022/10/6*-9 现在学习的是第9页,共37页定定义义: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,单单位位:sr(球球面面度度),如如图图7-8和和7-9所示:所示:(4)(4)立体角立体角黑体
9、辐射函数黑体辐射函数:第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律2022/10/6*-10 现在学习的是第10页,共37页图图7-8 7-8 立体角定义图立体角定义图第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律2022/10/6*-11 现在学习的是第11页,共37页图图7-9 7-9 计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几何关系第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律2022/10/6*-12 现在学习的是第12页,共37页定义:定义:单位时间内,物体
10、在垂直发射方向的单位面积上,在单位立体角内发射的一切波单位时间内,物体在垂直发射方向的单位面积上,在单位立体角内发射的一切波长的能量,参见图长的能量,参见图7-10。(5)定向辐射强度定向辐射强度L(,):图图7-10 7-10 定向辐射强度的定义图定向辐射强度的定义图(6)Lambert 定律定律(黑体辐射的第三个基本定律黑体辐射的第三个基本定律)它说明黑体的定向辐射力随天顶角它说明黑体的定向辐射力随天顶角 呈余弦呈余弦规律变化,见图规律变化,见图7-10,因此,因此,Lambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-2 黑体辐射的基本定律
11、黑体辐射的基本定律2022/10/6*-13 现在学习的是第13页,共37页图图7-11 Lambert7-11 Lambert定律图示定律图示沿半球方向积分上式,可获得了半球辐射强度沿半球方向积分上式,可获得了半球辐射强度E:E:第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律2022/10/6*-14 现在学习的是第14页,共37页 7-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性1 发射率发射率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,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;
12、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(也称为黑度也称为黑度):相同温度下,实际物体的半球: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总辐射力与黑体半球总辐射力之比:第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性2022/10/6*-15 现在学习的是第15页,共37页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。
13、随方向和光谱变化的。WavelengthDirection(angle from the surface normal)第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性2022/10/6*-16 现在学习的是第16页,共37页因此,我们需要定义因此,我们需要定义方向光谱发射率方向光谱发射率,对于某一指定的方向,对于某一指定的方向(,)和波长和波长 对上面公式在所有波长范围内积分,可得到方向总发射率,即对上面公式在所有波长范围内积分,可得到方向总发射率,即实际物体的定向实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比:辐射强度与黑体的定向辐射强度
14、之比:第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性2022/10/6*-17 现在学习的是第17页,共37页对于指定波长,而在方向上平均的情况,则定义对于指定波长,而在方向上平均的情况,则定义了半球光谱发射率,即了半球光谱发射率,即实际物体的光谱辐射力与实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比黑体的光谱辐射力之比这样,前面定义的半球总发射率则可以写为:这样,前面定义的半球总发射率则可以写为:半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-3 实际固体和液
15、体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性2022/10/6*-18 现在学习的是第18页,共37页 对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力Eb,光谱辐射力,光谱辐射力Eb 和定向辐射强度和定向辐射强度L,分别引入了三个修正系数,分别引入了三个修正系数,即,发射率即,发射率,光谱发射率,光谱发射率()和定向发射率和定向发射率(),其表达式和物理意义如下,其表达式和物理意义如下实际物体的辐射力与黑体辐实际物体的辐射力与黑体辐射力之比射力之比:实际物体的光谱辐射力与黑体实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比:的光谱辐射力之比:实际物体的定向辐射强度与黑体实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比:
16、的定向辐射强度之比:第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性2022/10/6*-19 现在学习的是第19页,共37页漫发射漫发射的概念:表面的方向发射率的概念:表面的方向发射率 ()与方向无关,即定向辐射强度与与方向无关,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面,这是对大多数实际表面方向无关,满足上诉规律的表面称为漫发射面,这是对大多数实际表面的一种很好的近似。的一种很好的近似。图图7-15 几种金属导体在不同方向上的定向发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率()(t=150)第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射
17、基本定律7-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性2022/10/6*-20 现在学习的是第20页,共37页图图7-16 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率()(t=093.3)第第7 7章章 热辐射基本定律热辐射基本定律7-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性2022/10/6*-21 现在学习的是第21页,共37页前前面面讲讲过过,黑黑体体、灰灰体体、白白体体等等都都是是理理想想物物体体,而而实实际际物物体体的的辐辐射射特特性性并并不不完完全全与与这这些些理理想想物物体体相相同同,比比如如,(1)实实际际物物体体的
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