热辐射基本定律及辐射特性.pptx

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第八章热辐射基本定律及辐射特性,1、辐射：

电磁波传递能量的现象。

辐射的两种理论：

电磁理论与量子理论电磁波的数学描述：

c某介质中传播速率,m/s为真空中的光速;n为介质的折射率。

l波长,常用mm为单位,1mm=10-6m。

f频率,单位s-1。

8.1热辐射的基本概念,电磁波的波谱,g射线：

l103m,2、热辐射,由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象。

热辐射的主要特点所有温度大于0K的物体都具有发射热辐射的能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。

发射热辐射时：

内热能辐射能；所有实际物体都具有吸收热辐射的能力物体吸收热辐射时：

辐射能内热能；热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播，且传播效率最高；,d.物体间以热辐射方式进行的热量传递是双向的。

高温物体,低温物体,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，如图所示。

（2）物体对热辐射的吸收、反射和穿透,对于大多数的固体和液体：

对于不含颗粒的气体：

固体表面镜反射与漫反射,镜反射,漫反射,对于镜体或白体：

对于透明体：

3、黑体模型,黑体是指能吸收投入到其面上所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体。

现实生活中不存在，但却可以,人工制造出近似的人工黑体。

人工黑体模型,1热辐射能量的表示方法、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。

（W/m2）；光谱辐射力E：

单位时间内，单位波长范围内（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。

（W/m3）；E、E关系:

黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为Eb,8.2黑体热辐射的基本定律,定义：

球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：

sr（球面度），如图所示：

立体角,定向辐射强度I,辐射强度：

空间某一表面在单位时间，与辐射方向垂直的单位面积上，单位立体角发射的波长为0的能量，用I表示。

空间某一表面，面积为dA的黑体微元，在微元立体角d内辐射出去的能量为d，则,I为常数，与无关。

2、黑体辐射的三个基本定律及相关性质,

（1）Planck定律式中，Eb光谱辐射力，W/m3；：

波长，m；T：

黑体温度，K；c1：

第一辐射常数，3.74210-16Wm2；c2：

第二辐射常数，1.438810-2WK；根据上式可得：

不同温度下Eb随波长的变化曲线。

Wien位移定律给出m与T的关系：

式中，=5.6710-8W/（m2K4），Stefan-Boltzmann常数。

Planck定律与Stefan-Boltzmann定律的关系,

（2）Stefan-Boltzmann定律,（3）Lambert定律,Lambert定律图示,Lambert定律：

单位时间内，黑体单位可见面积，在单位立体角中辐射出去的能量相等，或定向辐射强度I是常数。

Lambert定律也称为余弦定律。

单位时间内，黑体单位面积，在单位立体角中辐射出去的能量随天顶角q呈余弦规律变化。

对上式沿半球方向积分，可获得了半球辐射力E:

Lambert定律与Stefan-Boltzmann定律的关系,8.3固体和液体的辐射特性,定向辐射强度,光谱辐射力,上面公式只是针对光谱和方向平均的情况，但是，实际上，真实表面的发射能力随光谱和方向变化。

1、实际物体发射率,同温度下，黑体发射热辐射的能力最强；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；发射率（也称为黑度）e：

相同温度下，实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:

光谱发射率：

实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比,2、实际物体的光谱辐射力,3、实际物体的定向辐射强度,定向发射率：

实际物体的定向辐射强度与黑体的定向发射强度之比几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率e（q）（t=090）几种金属导体在不同方向上的定向发射e（q）（t=150）,对应于黑体的辐射力Eb光谱辐射力Ebl和定向辐射强度I，,，分别引入了三个修正系数，即（总）发射率e，光谱发射率e（l）和定向发射率e（q），其表达式和物理意义如下实际物体的辐射力与黑体发射力之比:

实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱发射力之比：

实际物体的定向辐射强度与黑体的定向发射强度之比：

因此，实际物体的光谱发射率并不是常数；定向发射率,也并不完全符合Lambert定律。

实际物体辐射的简化处理方式光谱发射率e（l）为常数=灰体假设；定向发射率e（q）为常数=漫射表面假设；,8.4实际物体的吸收比和基尔霍夫定律,光谱吸收比：

物体吸收某一特定波长辐射能的百分数。

表征物体对某一波长辐射能吸收特性的物理量。

几种金属材料的光谱吸收比,几种非金属材料的光谱吸收比辐射特性随波长变化的性质称为辐射特性对波长的选择性。

实际物体的吸收比:

取决于物体本身材料的种类、温度及表面性质，还与投入辐射的波长分布有关，因此与投入辐射能的发射体温度有关。

工程上的热辐射主要位于0.7610mm的红外波长范围内，绝大多数工程材料的光谱辐射特性在此波长范围内变化不大，因此在工程计算时可以近似地当作灰体处理。

一些材料对黑体辐射的吸收比随黑体温度的变化。

基尔霍夫定律,基尔霍夫定律揭示了物体吸收辐射能的能力与发射辐射能的能力之间的关系，其表达式为,重要推论：

1、吸收辐射能能力愈强的物体，发射辐射能能力也愈强。

2、在温度相同的物体中，黑体吸收辐射能的能力最强，发射辐射能的能力也最强。

漫射灰体：

辐射特性与角度和波长无关，只是温度的函数,本章小结,黑体的辐射定律,辐射能力,辐射力,光谱辐射力,定向辐射力,实际物体的辐射定律,假定物体的辐射定律,不随波长变化，灰体,不随发射角变化，漫射表面,辐射力：

半球空间、全部波长；E，W/m2光谱辐射力：

半球空间、某段波长；E，W/（m2.m）定向辐射力：

单位面积，单位立体角、全部波长，Icos，W/（m2.sr）定向辐射强度：

单位可见面积、单位立体角、全部波长，I，W/（m2.sr）三者关系,思考题：

什么是黑体、灰体?

实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体?

光谱辐射力，定向辐射强度和辐射力的物理意义。

它们之间有什么关系?

物体的发射率，吸收率，反射率，穿透率是怎样定义?

发射率和反射率有何不同?

漫灰表面的概念。

维恩位移定律的表达式。

试考虑一下它在自然科学及工程应用中的作用。

四个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用。