热辐射基本定律.pptx

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1、 热辐射在机理上与导热和对流的区别：热辐射在机理上与导热和对流的区别：（1 1）导热与对流是由于物质微观粒子的热运量和物体的宏观运）导热与对流是由于物质微观粒子的热运量和物体的宏观运动所造成的能量转移。热辐射是一种电磁波，是各类物质的固动所造成的能量转移。热辐射是一种电磁波，是各类物质的固有特性，是由于物质的有特性，是由于物质的电磁运动电磁运动所引起的能量的传递；所引起的能量的传递；（2 2）无需媒介；）无需媒介；（3 3）是一种表面现象。辐射是离暴露表面约）是一种表面现象。辐射是离暴露表面约1 1 m m距离内的分子距离内的分子发射出的，辐射随表面性质不同而不同；发射出的，辐射随表面性质不同

2、而不同；第1页/共30页 热辐射在机理上与导热和对流的区别：热辐射在机理上与导热和对流的区别：（4 4）与温度有关。同一物体表面在不同的温度下，其辐射力）与温度有关。同一物体表面在不同的温度下，其辐射力 不同；不同；（5 5）辐射换热过程中伴随有能量形式的两次转化）辐射换热过程中伴随有能量形式的两次转化 内能内能 电磁能电磁能 内能内能（6 6）是一种特殊电磁波。其波长、波速与频率之间存在有如）是一种特殊电磁波。其波长、波速与频率之间存在有如 下关系下关系其中其中：为波长为波长；f f为频率；为频率；c c为波速为波速,C=2.998 108m/s注意：注意：（1 1）只要物体的温度高于只要物

3、体的温度高于0K，物体总是不断地把热能变化辐，物体总是不断地把热能变化辐射能，向外发出热辐射。射能，向外发出热辐射。（2）物体在对外发出热辐射的同时也不断地吸收周围物体投射）物体在对外发出热辐射的同时也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。辐射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。辐射换热是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。换热是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。第2页/共30页7-1-2 吸收、反射和透射吸收、反射和透射一个物体如果与另一个物体相互能够看得见，那么它们一个物体如果与另一个物体相互能够看得见，那么它们之间就会发生辐射热交换。之间就会

4、发生辐射热交换。当热辐射的能量投射到物体当热辐射的能量投射到物体表面上时，会发生吸收、反射和穿透现象。若外界投射表面上时，会发生吸收、反射和穿透现象。若外界投射到物体表面上的总能量为到物体表面上的总能量为Q，一部分，一部分Q 被物体吸收，被物体吸收，一部分一部分Q 被物体反射，一部分被物体反射，一部分Q 穿透物体。按能量守穿透物体。按能量守恒定律有：恒定律有：Q Q Q QQ Q Q Q 或或第3页/共30页各各部部分分百百分分数数Q Q/Q Q 、Q Q/Q Q 、Q Q/Q Q 分分别别称称为为该该物物体体对对投投入入辐辐射射的的吸吸收收比比(率率)、反反射射比比（率率）和和透透射射比比（

5、率），记为（率），记为 、和和 。于是于是热热射射线线不不能能穿穿过过固固体体和和液液体体，因因此此固固体体和和液液体体上上的的热热辐辐射射是是表表面面辐辐射射。当当辐辐射射能能进进入入固固体体或或液液体体表表面面后后，在在一一个个极极短短的的距距离离内内就就吸吸收收完完了了。故故对对于于固固体体和和液液体体有有上式表明，对固体和液体而言，上式表明，对固体和液体而言，吸收能力大的物体其吸收能力大的物体其反射本领就小反射本领就小。第4页/共30页辐辐射射能能投投射射到到气气体体上上时时，情情况况与与投投射射到到固固体体或或液液体体上上不不同同。气气体体对对辐辐射射能能几几乎乎没没有有反反射射能能

6、力力，可可以以认认为为反反射比射比 =0，故有，故有气体对热射线的吸收和穿透是在空间中进行的，其自气体对热射线的吸收和穿透是在空间中进行的，其自身的辐射也是在空间中完成的。因此，气体的热辐射身的辐射也是在空间中完成的。因此，气体的热辐射是容积辐射。是容积辐射。不同物体的吸收比、反射比和透射比因具体条件不同不同物体的吸收比、反射比和透射比因具体条件不同差别很大，给热辐射的计算带来很大困难。为使问题差别很大，给热辐射的计算带来很大困难。为使问题简化，定义了一些理想物体。简化，定义了一些理想物体。第5页/共30页几种特殊情况：几种特殊情况：(1)镜反射。镜反射。当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时

7、，形当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，形成镜面反射，此时成镜面反射，此时入射角等于反射角入射角等于反射角。高度磨光的金属板会形。高度磨光的金属板会形成镜面反射。成镜面反射。1 2 1=2(2)漫反射。漫反射。反射能均匀地分布在物体表面的各个方向上反射能均匀地分布在物体表面的各个方向上。当当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时一般形成表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时一般形成漫反射漫反射。这。这时从某一方向投射到物体表面上的辐射向空间各方向反射出去。时从某一方向投射到物体表面上的辐射向空间各方向反射出去。第6页/共30页注：注：物体表面是漫反射还是镜反射取决于物体表面相对于辐物体表面是漫

8、反射还是镜反射取决于物体表面相对于辐射波长的表面粗糙程度。射波长的表面粗糙程度。(3)全反射。全反射。=1。外来的射线在物体表面被全部反射出。外来的射线在物体表面被全部反射出去。全反射表面物体称为去。全反射表面物体称为白体白体（具有漫反射的表面）或（具有漫反射的表面）或镜镜体体（具有镜反射的表面）（具有镜反射的表面）。(4)透明体。透明体。外来射线能全部穿过的物体外来射线能全部穿过的物体。此时。此时透射比透射比（率）（率）=1(5)黑体（全吸收）。黑体（全吸收）。外部热辐射能被其全部吸收的物体外部热辐射能被其全部吸收的物体。此时吸收比此时吸收比 =1。自然界并不存在黑体，但用人工的方法可以制造

9、出十分接自然界并不存在黑体，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。近于黑体的模型。第7页/共30页选用吸收比小于选用吸收比小于1的材料制造一个空腔，的材料制造一个空腔，并在空腔壁面上开一个小孔，再设法使并在空腔壁面上开一个小孔，再设法使空腔壁面保持均匀的温度。这时空腔上空腔壁面保持均匀的温度。这时空腔上的小孔就具有黑体辐射的特性。的小孔就具有黑体辐射的特性。研究发现研究发现，若小孔占内壁面积小于若小孔占内壁面积小于0.6%，当内壁吸收，当内壁吸收比为比为0.6时，小孔的吸收比可大于时，小孔的吸收比可大于0.996。黑黑体体将将所所有有投投射射在在它它上上面面的的一一切切波波长长和和所所

10、有有方方向向上上的的辐辐射射能能全全部部吸吸收收，因因此此在在所所有有物物体体之之中中，它它吸吸收收热热辐辐射射的的能能力最强。力最强。第8页/共30页由于热辐射包含了一个波长范围，因此其辐射的强弱随波由于热辐射包含了一个波长范围，因此其辐射的强弱随波长而变化。长而变化。光谱光谱能反映这种依赖关系。一般而言，对于某能反映这种依赖关系。一般而言，对于某一波长下的辐射（称为一波长下的辐射（称为单色辐射单色辐射），同样存在），同样存在、是物体表面的辐射特性，和物体的性质、温度和是物体表面的辐射特性，和物体的性质、温度和表面状况有关。表面状况有关。第9页/共30页7-1-3 辐射力和辐射强度辐射力和辐

11、射强度1 辐射力辐射力 总辐射力总辐射力辐射力也称全色辐射力，其定辐射力也称全色辐射力，其定义为义为单位时间单位辐射面积单位时间单位辐射面积向向半球空间半球空间辐射出去的辐射出去的一切波长一切波长的辐射能量的辐射能量。E为辐射力，其单位为为辐射力，其单位为W/m2；dQ为微元面积为微元面积dA向半球向半球空间辐射出去的总辐射能空间辐射出去的总辐射能。第10页/共30页 单色辐射单色辐射力力 单色辐射力被定义为单色辐射力被定义为单位时间单位时间单位辐射面积向半球空间辐射单位辐射面积向半球空间辐射出去的某一波长范围出去的某一波长范围 的辐射的辐射能量能量，用来描述辐射能量随波，用来描述辐射能量随波

12、长的分布特征。长的分布特征。E E为物体表面的单色辐射力；为物体表面的单色辐射力；dQdQ为微元面积为微元面积dAdA向半向半球空间辐射出去的某一波长的辐射能；球空间辐射出去的某一波长的辐射能；为热射线的为热射线的波长，单位为波长，单位为mm。辐射力和单色辐射力之间的关系辐射力和单色辐射力之间的关系 :第11页/共30页 方（定）向辐射力方（定）向辐射力 方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在半球空方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在半球空间中的分布特征，其定义为间中的分布特征，其定义为单位时间单位辐射面积向单位时间单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的所有波半球空间中某

13、一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。长的辐射能量。d为为微元立体角微元立体角第12页/共30页立体角是用来衡量空间中的面相对于某一点所张开的立体角是用来衡量空间中的面相对于某一点所张开的空间角度的大小，如图空间角度的大小，如图c c所示，其定义为：球面上微所示，其定义为：球面上微元面元面dfdf与球的半径的平方之比。与球的半径的平方之比。其中：其中：dfdf为空间中的微元面积，为空间中的微元面积，r r为该面积与发射点为该面积与发射点之间的距离。之间的距离。即：即：在球坐标系中，如图所示，按几何关系在球坐标系中，如图所示，按几何关系有有dddfn n球坐标系中的立体角球坐标系中的立

14、体角r第13页/共30页其单位为其单位为W/(m2Sr)，Sr为为球面度球面度,是立体角的单位。是立体角的单位。由于半球面积为由于半球面积为2r2r2 2,故半球面对球心所张开的立体角故半球面对球心所张开的立体角=2=2SrSr。辐射强度辐射强度 处于不同的空间位置所能看见的辐射面积是变化的，处于不同的空间位置所能看见的辐射面积是变化的，随着随着 角的增大，辐射面积在该方向上的可见面积角的增大，辐射面积在该方向上的可见面积（投影面积）就变小（投影面积）就变小。定义辐射强度，用以表示定义辐射强度，用以表示单位单位时间时间在在某一辐射方向某一辐射方向上的上的单位单位可见辐射面积可见辐射面积向该方向

15、向该方向单位立单位立体角内体角内辐射的辐射的所有波长所有波长的辐射的辐射能。能。dAcosdAcosdAdAn ndd辐射强度的定义图辐射强度的定义图第14页/共30页辐射强度与方向辐射力的关系辐射强度与方向辐射力的关系 :与辐射力之间的关系与辐射力之间的关系 :单位为单位为W/(m2 Sr)，式中式中 为给定方向上的可为给定方向上的可见辐射面积，也就是垂直于该方向的流通面积。见辐射面积，也就是垂直于该方向的流通面积。在法线方向，有在法线方向，有 :第15页/共30页当辐射强度是针对某波长当辐射强度是针对某波长、波长间隔、波长间隔 d d 范围而言，范围而言，则称为单色辐射强度，用则称为单色辐

16、射强度，用I 表示表示:则则 :即即 :光谱强度光谱强度其中其中为垂直于该方向的单位投影面积为垂直于该方向的单位投影面积单色辐射力与单色辐射强度之单色辐射力与单色辐射强度之间的关系为：间的关系为：第16页/共30页7-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律 普朗克定律普朗克定律普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分布规律，普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分布规律，描述了描述了黑体的单色辐射力与热力学温度黑体的单色辐射力与热力学温度T、波长、波长 之间之间的函数关系的函数关系。由量子理论得到的数学表达式为：。由量子理论得到的数学表达式为：h为普朗克常数，为普朗克常数，h=6.6256 10

17、-34J s；k为波兹曼常数，为波兹曼常数，k=1.38 10-23J/K第17页/共30页普朗克定律也可表示为：普朗克定律也可表示为：c1为第一辐射常数，为第一辐射常数，c1=3.742 10-16Wm2；c2为第二辐射常数，为第二辐射常数，c2=1.4388 10-2mK右图给出了在温度为参变量下的右图给出了在温度为参变量下的单色辐射力随波长变化的一组曲单色辐射力随波长变化的一组曲线。可见线。可见（1）单色辐射力随着波）单色辐射力随着波长的增加而增加，达到某一最大值长的增加而增加，达到某一最大值后又随着波长的增加而慢慢减小；后又随着波长的增加而慢慢减小；（2）在同一波长下，黑体的温度越在同

18、一波长下，黑体的温度越高，其对应的单色辐射力越大。高，其对应的单色辐射力越大。T1T2T1T2 d E 第18页/共30页 维恩（位移）定律维恩（位移）定律 对普朗克公式微分，得对普朗克公式微分，得Eb 最大处的波长最大处的波长 m随温度不同而变化。令随温度不同而变化。令 得得Eb 出现最大值处所对应的波长出现最大值处所对应的波长 max第19页/共30页可可见见 maxmax与与T T成成反反比比，T T越越高高，则则 maxmax越越小小，这这一一规规律律为为维恩（维恩（WienWien）位移定律）位移定律.右图描述了黑体单色辐射力右图描述了黑体单色辐射力随波长和温度的变化。由图随波长和温

19、度的变化。由图可见，可见，随着温度的升高，黑随着温度的升高，黑体辐射能的分布在向波长短体辐射能的分布在向波长短的方向集中的方向集中，也就是高温辐，也就是高温辐射中短波热射线含量大而长射中短波热射线含量大而长波热射线含量相对少。波热射线含量相对少。E Ebb0 0T T1 1T T2 2T T3 3T T5 5黑体单色辐射力随波长和温度变化黑体单色辐射力随波长和温度变化T T4 4第20页/共30页 斯忒芬波尔兹曼定律斯忒芬波尔兹曼定律 斯忒芬（斯忒芬（StefanStefan）于）于18791879年由实验确定黑体的辐射力与年由实验确定黑体的辐射力与热力学温度之间的关系，其后由波尔兹曼（热力学

20、温度之间的关系，其后由波尔兹曼（BoltzmannBoltzmann）于于18841884年从热力学关系式导出。年从热力学关系式导出。某温度下黑体得全波长辐射力某温度下黑体得全波长辐射力Eb可记为可记为式中：式中：Eb为黑体的辐射力（为黑体的辐射力（W/m2）；）；T为为黑体的绝对黑体的绝对温度温度（K）；）；0为斯忒芬波尔兹曼常数，其值为为斯忒芬波尔兹曼常数，其值为5.6710-8W/(m2K4)。第21页/共30页于是，给定温度下，从于是，给定温度下，从0 0波长间隔的发射辐射占全部波长间隔的发射辐射占全部辐射的份额可写为辐射的份额可写为 Eb02 21 1 一定波长范围黑体的辐射力一定波

21、长范围黑体的辐射力第22页/共30页 表示波长从表示波长从0 0到到的波段辐射函数。的波段辐射函数。f(T)称为称为黑体辐射函数黑体辐射函数，见表，见表7-1。于是，任何两个波长于是，任何两个波长 1 1和和 2 2之间（波段之间（波段)的辐射能量占总的辐射能量占总辐射能量的份额可描写为辐射能量的份额可描写为 第23页/共30页兰贝特余弦定律兰贝特余弦定律（Lambert）LambertLambert认认为为，黑黑体体和和漫漫辐辐射射体体的的辐辐射射强强度度与与方方向向无无关，即关，即 由于由于又且又且于是，有于是，有上上式式称称为为兰兰贝贝特特余余弦弦定定律律。即即单单位位辐辐射射面面积积发

22、发出出的的辐辐射射能能，落落到到空空间间不不同同方方向向单单位位立立体体角角的的能能量量的的数数值值不不相相等等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦。其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦。第24页/共30页对于漫辐射表面，由对于漫辐射表面，由lambertlambert定律，可得定律，可得 即：辐射力是任意方向辐射强度的即：辐射力是任意方向辐射强度的 倍。倍。于是，有于是，有对于非漫辐射表面，引入对于非漫辐射表面，引入 称为表面定向发射率称为表面定向发射率第25页/共30页例例7-17-1：试试分分别别计计算算温温度度为为2000K2000K和和5800K5800K的的黑黑体体的

23、最大光谱辐射力所对应的波长的最大光谱辐射力所对应的波长 m m 。解：解：按按计算：计算：当当T T=2000K=2000K时，时，当当T=5800KT=5800K时，时，可可见见工工业业上上一一般般高高温温辐辐射射（2000K2000K内内），黑黑体体最最大大光光谱谱辐辐射射力力的的波波长长位位于于红红外外线线区区段段，而而太太阳阳辐辐射射（5800K5800K）对应的最大光谱辐射的波长则位于可见光区段。对应的最大光谱辐射的波长则位于可见光区段。第26页/共30页例例7-2：一一黑黑体体置置于于室室温温为为2727的的厂厂房房中中，试试求求在在热热平平衡衡条条件件下下黑黑体体表表面面的的辐辐

24、射射力力。如如果果将将黑黑体体加加热到热到327327，它的辐射力又是多少？，它的辐射力又是多少？解解：在在热热平平衡衡条条件件下下，黑黑体体温温度度与与室室温温相相同同，辐辐射射力为：力为：327时黑体的辐射力为时黑体的辐射力为第27页/共30页例例7-3：试试分分别别计计算算温温度度为为1000K1000K、1400K1400K、3000K3000K和和6000K6000K时时可可见见光光和和红红外外线线辐辐射射在在黑黑体体总总辐辐射射中中所所占份额。占份额。分分析析：可可见见光光和和红红外外线线的的波波长长范范围围分分别别是是0.38-0.76 m和和0.76-1000 m。计计算算不不

25、同同温温度度下下的的 T值值，见下表见下表温度/K123T/(mK)Fb(0-1)%T/(mK)Fb(0-2)%T/(mK)Fb(0-3)%1000380 0.1760 0.111061001400532 0.110640.121.4106100300011400.14228011.531061006000228011.5456057.06106100第28页/共30页温度/K所占份额可见光Fb(1-2)=Fb(0-2)-Fb(0-1)红外线Fb(3-2)=Fb(0-3)-Fb(0-2)1000 99.914000.1299.88300011.488.5600045.543.0作业：作业：P260(7-3)P260(7-3)、(7-4)(7-4)、(7-6)(7-6)、(7-8)(7-8)第29页/共30页感谢观看！感谢观看！第30页/共30页