热辐射基本定律2.pptx

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1、 单色发射率单色发射率 定义实际表面的单色辐射力与同温度下黑体表面的单定义实际表面的单色辐射力与同温度下黑体表面的单色辐射力之比，即色辐射力之比，即发射率与单色发射率之间的关系为发射率与单色发射率之间的关系为 第1页/共28页方（定）向发射率方（定）向发射率 物体表面在某方向上的方向辐射力与同温度黑体辐射物体表面在某方向上的方向辐射力与同温度黑体辐射在该方向上的方向辐射力之比。亦可表示为物体在某在该方向上的方向辐射力之比。亦可表示为物体在某方向上的辐射强度与同温度黑体辐射在该方向上的辐方向上的辐射强度与同温度黑体辐射在该方向上的辐射强度之比，即射强度之比，即如果实际物体的方向辐射力遵守兰贝特定

2、律，该物体如果实际物体的方向辐射力遵守兰贝特定律，该物体表面称为漫射表面。黑体表面就是漫射表面。表面称为漫射表面。黑体表面就是漫射表面。第2页/共28页如果实际物体是如果实际物体是漫射表面漫射表面，则其，则其方向辐射率应等于常方向辐射率应等于常数数，而与角度无关。事实，而与角度无关。事实上上实际物体不是漫发射体，实际物体不是漫发射体，即辐射强度在空间各个方向的分布不遵循兰贝特定律，即辐射强度在空间各个方向的分布不遵循兰贝特定律，是方向角的函数。是方向角的函数。对于非金属表面在很大对于非金属表面在很大范围内方向黑度为一个范围内方向黑度为一个常数值，表现出等强辐常数值，表现出等强辐射的特征，而在射

3、的特征，而在60之后之后方向黑度急剧减小方向黑度急剧减小 第3页/共28页对于金属表面在一个小的对于金属表面在一个小的角范围内亦有等强辐射的特角范围内亦有等强辐射的特征，方向黑度可视为不变，然后随着征，方向黑度可视为不变，然后随着角增大而急剧增角增大而急剧增大，直到大，直到接近接近90才有减小。才有减小。单色方向发射率单色方向发射率 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（）第4页/共28页实际物体的辐射力实际物体的辐射力 实验结果发现，实际物体的辐射力并不严格地同热力学实验结果发现，实际物体的辐射力并不严格地同热力学温度的四次方成正比，但工程计算中仍认为一切

4、实际物温度的四次方成正比，但工程计算中仍认为一切实际物体的辐射力都与热力学温度的四次方成正比，而把由此体的辐射力都与热力学温度的四次方成正比，而把由此引起的修正包括到用实验方法确定的发射率中。引起的修正包括到用实验方法确定的发射率中。即即第5页/共28页例例7-4：试试计计算算温温度度处处于于1400的的碳碳化化硅硅涂涂料料表表面的辐射力。面的辐射力。解：解：由表由表72查得当查得当10101400时，碳化硅时，碳化硅 的的 n=0.820.92，故可取对应，故可取对应1400的的 n为为0.92，即，即 =n=0.92，辐射力为：，辐射力为：第6页/共28页例例7-5：实实验验测测得得250

5、0K钨钨丝丝的的法法向向单单色色发发射射率率如如图图所所示示，计计算算其其辐辐射射力力及及发发光效率。光效率。解：解：0.450.450.10.1/mm1 2 31 2 3由于由于设钨丝为漫射表面设钨丝为漫射表面 第7页/共28页由表由表7-1查得查得:（2）计计算算可可见见光光范范围围的的辐辐射射能能，取取可可见见光光波波长长为为0.380.76 m第8页/共28页由表由表7-1查得查得:则，可见光范围的辐射能为：则，可见光范围的辐射能为：发光效率为发光效率为:可见发光效率很低。可见发光效率很低。第9页/共28页7-4 实际物体的吸收比与基尔霍夫定律实际物体的吸收比与基尔霍夫定律 1 1、黑

6、体的吸收特性、黑体的吸收特性 吸收比是表示物体吸收入射辐射的能力。吸收比是表示物体吸收入射辐射的能力。吸收比可划分为以下四种：吸收比可划分为以下四种：对来自一切方向和所与波长的入射辐射的吸收比，对来自一切方向和所与波长的入射辐射的吸收比，称之为称之为总吸收比总吸收比(简称吸收比简称吸收比)，用，用 b表示；表示；对来自一切方向的某一波长的入射辐射的吸收比，对来自一切方向的某一波长的入射辐射的吸收比，称之为称之为单色吸收比，单色吸收比，用用 b 表示；表示；对来自某一方向的所有波长的入射辐射的吸收比，对来自某一方向的所有波长的入射辐射的吸收比，称之为称之为方向吸收比方向吸收比，用，用 b 表示；

7、表示；对来自某一方向某一波长的入射辐射的吸收比，称对来自某一方向某一波长的入射辐射的吸收比，称之为之为单色方向吸收比单色方向吸收比，用，用 b,表示；表示；第10页/共28页黑体是理想的吸收体，它对一切波长和所有方向入射黑体是理想的吸收体，它对一切波长和所有方向入射辐射的吸收比均等于辐射的吸收比均等于1 1。于是对黑体有。于是对黑体有：2 2、实际物体的吸收实际物体的吸收-灰体灰体 实际物体表面对热辐射的吸收是针对投入辐射而言的实际物体表面对热辐射的吸收是针对投入辐射而言的。实际物体对入射辐射吸收的百分数称之为该物体的实际物体对入射辐射吸收的百分数称之为该物体的吸吸收比收比。物体对某一特定波长

8、的辐射能所吸收的百分数定义为物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数定义为光谱吸收比，记为光谱吸收比，记为()。第11页/共28页辐射源温度对吸收比的影响是因为实际物体的单色吸辐射源温度对吸收比的影响是因为实际物体的单色吸收比不等于常数的缘故收比不等于常数的缘故。物体表面的吸收特性不仅仅与物体的物体表面的吸收特性不仅仅与物体的物质结构物质结构、表表面特征面特征以及以及温度状况温度状况有关，而且还与投入辐射的有关，而且还与投入辐射的辐辐射能随波长射能随波长和和温度的变化温度的变化密切相关。密切相关。物体的光谱吸收比随波长变化的特性物体的光谱吸收比随波长变化的特性 称为称为光谱吸收光谱吸收的选择性

9、的选择性，该性质在工农业上得到广泛应用。，该性质在工农业上得到广泛应用。假定假定投入辐射来自黑体表面投入辐射来自黑体表面2，那么吸收表面，那么吸收表面1对其的对其的吸收吸收比比可以定义为：可以定义为：第12页/共28页为物体表面对黑体辐射的单色吸收为物体表面对黑体辐射的单色吸收比（光谱吸比（光谱吸收比）收比）实验得出的一些材料对黑体辐射的单色吸收实验得出的一些材料对黑体辐射的单色吸收比比随黑体温随黑体温度的变化关系见下图度的变化关系见下图 第13页/共28页如果投入辐射不是来自黑体，则必须研究物体表面单如果投入辐射不是来自黑体，则必须研究物体表面单色吸收率随投入辐射波长变化的规律。色吸收率随投

10、入辐射波长变化的规律。如果物体表面的单色吸收如果物体表面的单色吸收比比为常数为常数，即，即那么它的吸收那么它的吸收比比也就为常数也就为常数。热辐射分析中，把单色（光谱）吸收比与波长无关热辐射分析中，把单色（光谱）吸收比与波长无关的物体定义为的物体定义为灰体灰体。灰体也是一种理想的辐射表面，实际表面在一定条件灰体也是一种理想的辐射表面，实际表面在一定条件下可以认为具有灰体的特性。下可以认为具有灰体的特性。第14页/共28页灰体是从物体表面对投入辐射的吸收特性上去定义的，灰体是从物体表面对投入辐射的吸收特性上去定义的，如果再在其发射特性上给予如果再在其发射特性上给予等强辐射等强辐射的假设，即认为的

11、假设，即认为是漫射表面，也就是漫射灰表面，简称是漫射表面，也就是漫射灰表面，简称漫灰表面。漫灰表面。漫射灰表面漫射灰表面的定向发射率和定向吸收比与方向无关，的定向发射率和定向吸收比与方向无关，单色发射率和单色吸收比与波长无关，所以它单色发射率和单色吸收比与波长无关，所以它对于来对于来自任何方向和任何波长的入射辐射的吸收比均为常数自任何方向和任何波长的入射辐射的吸收比均为常数，同时同时其发射的辐射也等于对任何方向和任何波长的黑其发射的辐射也等于对任何方向和任何波长的黑体辐射的一个固定份额。体辐射的一个固定份额。第15页/共28页3 实际物体辐射与吸收之间的关系基尔霍夫定实际物体辐射与吸收之间的关

12、系基尔霍夫定律律假定两块平行平板距离很近，假定两块平行平板距离很近，从一块板发出的辐射能全部从一块板发出的辐射能全部落到另一块板上。若板落到另一块板上。若板1为为黑体表面，板黑体表面，板2为任意物体为任意物体的表面。的表面。两者的辐射力、吸收比和表两者的辐射力、吸收比和表面温度分别为面温度分别为E Eb b、b b(=1)(=1)、T T1 1、E E、和和T T2 2。T T1 1T2EEb Eb(1-)Eb第16页/共28页板板2发出的辐射能发出的辐射能E全部被板全部被板1吸收，而板吸收，而板1发出的辐发出的辐射能射能Eb只被板只被板2吸收吸收 Eb，对板，对板2能量收支为：能量收支为：当

13、体系处于热平衡时当体系处于热平衡时T1=T2，q=0,所以有所以有或或T T1 1T2EEb Eb(1-)Eb即即把这种关系推广到任意物体，有把这种关系推广到任意物体，有第17页/共28页上述两式为基尔霍夫定律的两种不同数学表达。上述两式为基尔霍夫定律的两种不同数学表达。于是基尔霍夫定律可表达为：在热平衡条件下，于是基尔霍夫定律可表达为：在热平衡条件下，任何物体的辐射和它对来自黑体辐射的吸收比的任何物体的辐射和它对来自黑体辐射的吸收比的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。或者描述比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。或者描述为：热平衡时任意物体对黑体投入辐射的吸收比为：热平衡时任意物体对黑体投入辐射

14、的吸收比等于同温度下该物体的发射率。等于同温度下该物体的发射率。基基尔尔霍霍夫夫定定律律是是在在物物体体与与黑黑体体投投入入辐辐射射处处于于热热平平衡衡条件下得出的。条件下得出的。实实验验表表明明，只只要要表表面面间间存存在在有有辐射，便有辐射，便有对对于于漫漫射射表表面面，由由于于辐辐射射与与方向无关，于是有方向无关，于是有第18页/共28页对于灰体，由于其单色吸收比不随波长变化，所以对于灰体，由于其单色吸收比不随波长变化，所以灰体的吸收比等于其发射率与投射源的温度无关，灰体的吸收比等于其发射率与投射源的温度无关，那么不论物体与外界是否处于热平衡状态，也不论那么不论物体与外界是否处于热平衡状

15、态，也不论投入辐射是否来自黑体，都存在投入辐射是否来自黑体，都存在即：灰体是无条件满足基尔霍夫定律的。即：灰体是无条件满足基尔霍夫定律的。说明说明（1 1）基尔霍夫定律有几种不同层次上的表达式，归）基尔霍夫定律有几种不同层次上的表达式，归纳为下表纳为下表层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件单色，定向单色，定向(,T T)=)=(,T T)无条件，无条件，为纬度角为纬度角单色，半球单色，半球(,T T)=)=(,T T)漫射表面漫射表面全波段，半球全波段，半球(T T)=)=(T T)与黑体热平衡或漫射表面与黑体热平衡或漫射表面第19页/共28页（2 2）对工程计算而言，只要在所研究的

16、波长范围内）对工程计算而言，只要在所研究的波长范围内单色吸收率基本上与波长无关，则灰体假设成立。在单色吸收率基本上与波长无关，则灰体假设成立。在工程常见的温度范围（工程常见的温度范围（2000K2000K）内，许多工程材料）内，许多工程材料都具有这一特点。都具有这一特点。（3 3）由基尔霍夫定律，物体的辐射力越大，其吸收）由基尔霍夫定律，物体的辐射力越大，其吸收能力也就越大，换句话说，善于辐射的物体必善于吸能力也就越大，换句话说，善于辐射的物体必善于吸收，反之亦然。所以，同温度下黑体的辐射力最大。收，反之亦然。所以，同温度下黑体的辐射力最大。（4 4）当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能）

17、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体作为灰体，即不能把物体在常温下的发射率作把物体作为灰体，即不能把物体在常温下的发射率作为对太阳能的吸收比为对太阳能的吸收比。第20页/共28页例例7-6：一火床炉墙内表面温度为一火床炉墙内表面温度为500K，其光谱发射，其光谱发射率可近似地表示为：率可近似地表示为：1.5 m时时,()=0.1;=1.5 10 m时时,()=0.5;10 m时时,()=0.8。（非灰体）；炉墙内壁接受来自燃烧着的煤层的辐。（非灰体）；炉墙内壁接受来自燃烧着的煤层的辐射，煤层温度为射，煤层温度为2000K。设煤层的辐射可作为黑体辐。设煤层的辐射可作为黑体辐射，炉墙为漫

18、射表面，试计算炉墙发射率及其对煤层射，炉墙为漫射表面，试计算炉墙发射率及其对煤层辐射的吸收比。辐射的吸收比。分析：（分析：（1）第21页/共28页查表得查表得查表得查表得故故（2）按吸收比定义：）按吸收比定义：因为炉墙是漫射的，因为炉墙是漫射的，故有故有:第22页/共28页其中的辐射函数是其中的辐射函数是2000K下的值：下的值：查表查表7-1得：得：所以：所以：这这里里(T1)=0.61，而而(T1,T2)=0.395，。这这是是由由于在所研究的波长范围内，于在所研究的波长范围内，()不是常数所致。不是常数所致。查得：查得：而而第23页/共28页例例7-7：已知吸收率和单色吸收率的关系为已知

19、吸收率和单色吸收率的关系为G 为单色投射辐射，为单色投射辐射，G=Eb(,T).某漫射表面温度某漫射表面温度T1=300K，单色吸收率为：，单色吸收率为：5 m时时,()=0.9;5 m时时,()=0.1;把它放在壁温把它放在壁温T T2 2=1200K=1200K的黑空腔中，计算表面的黑空腔中，计算表面的吸收率的吸收率 和发射率和发射率。分析：分析：（1 1）由于辐射来自）由于辐射来自T T2 2=1200K=1200K，故，故 第24页/共28页由带发射性质，得由带发射性质，得由于由于查表查表7-1,得得则则（2 2）由于发射率与单色发射率的关系为）由于发射率与单色发射率的关系为 第25页/共28页对于漫辐射表面，有对于漫辐射表面，有发射来自发射来自T1=300K的表面，有的表面，有查表查表7-1,得得由于由于于是于是可见，对于非灰体表面，可见，对于非灰体表面，第26页/共28页思考题：思考题：作业：作业：P261-264 (7-11)、(7-18)、(7-21)、(7-25)第27页/共28页感谢观看！感谢观看！第28页/共28页