热辐射基础学习教案.pptx

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1、会计学1热辐射基础热辐射基础(jch)第一页，共22页。图图图图12-1 12-1 12-1 12-1 电磁辐射电磁辐射电磁辐射电磁辐射(din c f sh)(din c f sh)(din c f sh)(din c f sh)波谱波谱波谱波谱第1页/共22页第二页，共22页。当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种(sn zhn)现象，即吸收、反射和穿透，如右图所示。3.物体对热辐射的吸收、反射(fnsh)和穿透 图12-2物体对热辐射的 吸收(xshu)反射和穿透第2页/共22页第三页，共22页。对于大多数的固体和液体(yt)：对于不含颗粒的气体：对于黑体：镜体或白体：透明体：反射(

2、fnsh)又分镜反射(fnsh)和漫反射(fnsh)两种（镜体和白体）（a）镜反射(fnsh)（b）漫反射第3页/共22页第四页，共22页。1.黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体(wt)，是一种科学假想的物体(wt)，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。图12-4黑体(hit)模型12-2 黑体(hit)辐射的基本定律第4页/共22页第五页，共22页。定义：球面面积除以球半径的平方(pngfng)称为立体角，单位：sr(球面度)，如图12-6和12-7所示：立体角定义：单位(dnwi)时间内，物体在垂直发射方向的单位(dnwi)面积上，在单位(dnwi

3、)立体角内发射的一切波长的能量，如见图12-5。定向(dn xin)辐射强度I：图12-5定向辐射强度的定义图 2.热辐射能量的表示方法第5页/共22页第六页，共22页。图12-6立体角定义(dngy)图第6页/共22页第七页，共22页。图12-7 计算微元立体角的几何(j h)关系第7页/共22页第八页，共22页。辐射力E：单位(dnwi)时间内，物体的单位(dnwi)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 E：单位(dnwi)时间内，单位(dnwi)波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位(dnwi)表面积向半球空间发射的能量。(W/m3)；E、E关系:显然，

4、E和E之间具有(jyu)如下关系：黑体一般采用下标(xi bio)b表示，如黑体的辐射力为 Eb，黑体的光谱辐射力为 Eb第8页/共22页第九页，共22页。3.黑体辐射的三个基本定律及相关(xinggun)性质式中，波长(bchng)，m；T 黑体温度，K；c1 第一辐射常数，-16 Wm2；c2 第二辐射常数，1.438810-2 WK；(1)普朗克定律(dngl)：右图是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的变化关系。max与T 的关系由维恩位移定律给出，图12-8普朗克定律的图示第9页/共22页第十页，共22页。(2)斯特藩-波尔兹曼定律(dngl)：式中，=5.669610-8 w

5、/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数(chngsh)。a.黑体辐射(fsh)函数黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力，如右图所示：图12-9特定波长区段内的黑体辐射力b.相对辐射力:第10页/共22页第十一页，共22页。(3)兰贝特定律(dngl)它说明(shumng)黑体的定向辐射力随纬度角呈余弦规律变化，见图 12-10，因此，Lambert定律也称为余弦定律。图12-10 Lambert定律(dngl)图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:第11页/共22页第十二页，共22页。12-3-1 实际物体(wt)的辐射特性 灰体1 发射率前面定义了黑体的发射特性：同

6、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，定义了发射率 (也称为(chn wi)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:第12页/共22页第十三页，共22页。对应于黑体的辐射力Eb，光谱(gungp)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，单色发射率()和定向发射率()，其表达式和物理意义如下实际物体(wt)的辐射力与黑体辐射力之比:实际物体的光谱(gungp)辐射力与黑体的光谱(gungp)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：第13页/共22页第十四页，共

7、22页。2 吸收比 与黑体不同，实际物体对投射辐射不能完全吸收，还存在反射和透射，即只有不封透射辐射能被物体吸收。吸收比不仅与表面的材料性质、表面状况(zhungkung)和温度有关，同时与透射辐射的特性有关。基尔霍夫定律将重点讨论物体辐射率与吸收比之间的关系。3 反射比 被表面反射的能量与透射到表面的能量之比。4 灰体 单色发射率不随波长变化的物体，发射的光谱和黑体相似，只是单色辐射力低于同温度下的黑体。第14页/共22页第十五页，共22页。黑体、灰体、白体等都是理想物体，而实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同(xin tn)，比如，(1)实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见

8、图12-11；(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；(3)实际物体的定向辐射强度也不严格遵守Lambert定律，等等。所有这些差别全部归于上面的系数，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发射面。图12-11 实际物体(wt)、黑体和灰体的辐射能量光谱第15页/共22页第十六页，共22页。12-3-2固、液表面(biomin)的热辐射特征图12-12 几种(j zhn)金属导体在不同方向上的定向发射率()1.1.金属表面的辐射金属表面的辐射(fsh)(fsh)特征特征金属表面的投射比为零金属表面的投射比为零金属与非导体的定向发射率随

9、金属与非导体的定向发射率随角的变化有明显的区别。角的变化有明显的区别。第16页/共22页第十七页，共22页。图12-13 几种非导电体材料在不同方向(fngxing)上的定向发射率()2.2.非金属表面非金属表面(biomin)(biomin)的辐射特征的辐射特征第17页/共22页第十八页，共22页。12-3-3 基尔霍夫定律(dngl)上一节简单介绍(jisho)了实际物体的发射情况，那么当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？1859年，基尔霍夫用热力学方法回答了这个问题，从而提出(t ch)了基尔霍夫定律。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

10、图12-14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，有 图12-14 平行平板间的辐射换热第18页/共22页第十九页，共22页。此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等于它的发射率。但该式具有如下(rxi)限制：整个系统处于热平衡状态；如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；投射辐射源必须是同温度下的黑体。为了将Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、推导(tudo)了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式，见表12-1。第19页/共22页第二十页，共22页。层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向光谱，半球光谱，半球全波段，半球全波段，半球无条件，无条件，为维度角为维度角漫射表面漫射表面与黑体处于热平衡或对与黑体处于热平衡或对漫灰表面漫灰表面表12-1 Kirchhoff 定律(dngl)的不同表达式第20页/共22页第二十一页，共22页。第21页/共22页第二十二页，共22页。