關于熱輻射的基本定律

第8章

熱輻射的基本定律

第2頁,共46頁，2024年2月25日，星期天3本章主要內容1、基本概念2、熱輻射的基本定律第3頁,共46頁，2024年2月25日，星期天4第一節基本概念1-1熱輻射的本質和特點

熱輻射：物體通過發射電磁波傳遞熱量

熱射線：λ=0.1~100μm，包括可見光、部分紫外線和紅外線，投射到物體上能產生熱效應。

第4頁,共46頁，2024年2月25日，星期天5第一節基本概念第5頁,共46頁，2024年2月25日，星期天6熱輻射的特點：（1）所有溫度大于0K的物體都具有輻射能力，溫度越高，輻射能力越強。（2）熱輻射不依靠中間介質，可以在真空中傳播。（3）物體間以熱輻射方式進行的熱量傳遞是雙向的，并且伴隨著能量形式的轉換。第6頁,共46頁，2024年2月25日，星期天71-2吸收、反射和透射當熱輻射投射到物體表面上時，一般會發生三種現象，即吸收、反射和穿透，如圖所示。圖8-2熱射線的吸收、反射和透射第7頁,共46頁，2024年2月25日，星期天8吸收率(吸收比)反射率(反射比)透射率(透射比)第8頁,共46頁，2024年2月25日，星期天9黑體：物體能吸收全部的外來射線，α=1白體：物體能反射全部外來射線，ρ=1透明體：物體能被外來射線所全部透射，τ=1對于固體、液體：可認為τ=0，α＋ρ＝1對于氣體：可認為ρ=0，α＋τ＝1第9頁,共46頁，2024年2月25日，星期天101-3輻射強度和輻射力

輻射能的分布按空間方向分布按波長分布一、定向輻射強度

立體角：空間角度。單位為sr（球面度）。以立體角的角端為中心，作半徑為r的半球，將半球表面上被立體角所切割的面積A除以半徑的平方

r2，即得到立體角的量度：半球的立體角ω＝2π

第10頁,共46頁，2024年2月25日，星期天11微元立體角

圖8-3adA1上某點對dA2所張的立體角 圖8-3b

定向輻射強度面積dA=長x寬第11頁,共46頁，2024年2月25日，星期天12定向輻射強度(簡稱輻射強度）：在某給定輻射方向上，單位時間、單位可見輻射面積、在單位立體角內所發射全部波長的能量。所謂可見輻射面積，是指站在給定輻射方向上所看到的（？）發射輻射能物體的表面積。單位：W/(m2.sr)第12頁,共46頁，2024年2月25日，星期天13光譜定向輻射強度（單色輻射強度）：在某給定輻射方向上，單位時間、單位可見輻射面積，在波長附近的單位波長間隔內，單位立體角所發射的能量，稱為光譜定向輻射強度，又稱為單色定向輻射強度。單位：W/(m2.sr.μm)光譜定向輻射強度和定向輻射強度的關系第13頁,共46頁，2024年2月25日，星期天14二、輻射力

定向輻射力：在某給定輻射方向上，單位時間內，物體單位輻射面積、在單位立體角內所發射全波長的能量，稱為定向輻射力。單位：W/(m2.sr)當（θ=0°）時因為定向輻射力是以發射輻射能物體的單位面積作為計算依據，而定向輻射強度是站在給定輻射方向所看到的（相當于投影面積）單位面積，所以二者之間存在以下關系：

第14頁,共46頁，2024年2月25日，星期天15輻射力：單位時間內，物體的每單位輻射面積向半球空間所發射的全部波長的總能量。單位：W/m2輻射力與定向輻射強度的關系輻射力與單色輻射強度的關系輻射力與定向輻射力的關系第15頁,共46頁，2024年2月25日，星期天16光譜輻射力（單色輻射力）：單位時間內，物體的每單位面積，在波長λ附近的單位波長間隔內，向半球空間所發射全波長的能量。單位：W/(m2.μm)第16頁,共46頁，2024年2月25日，星期天17光譜定向輻射力（單色定向輻射力）：單位時間內，物體的每單位面積、向半球空間的某給定輻射方向上，在單位立體角內所發射在波長λ附近的單位波長間隔內的能量。單位：W/(m2.sr.μm)第17頁,共46頁，2024年2月25日，星期天18第二節熱輻射的基本定律本節有4個定律，用黑體來討論，黑體用角標“b”表示圖8-4人工黑體模型1.黑體概念黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學假想的物體，現實生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。第18頁,共46頁，2024年2月25日，星期天19第二節熱輻射的基本定律一、普朗克定律

從量子理論出發，得出了黑體單色輻射力和波長、熱力學溫度之間的函數關系。式中，λ—波長，m；T—黑體溫度，K；

c1

—第一輻射常數，3.742×10-16W

m2；

c2—第二輻射常數，1.4388×10-2W

K；

第19頁,共46頁，2024年2月25日，星期天20圖8-5a

普朗克定律揭示的關系Ebλ=f(λ，T)第20頁,共46頁，2024年2月25日，星期天21

圖8-5b

Ebλ與

T的函數關系第21頁,共46頁，2024年2月25日，星期天22二、維恩位移定律1891年，維恩（Wien)用熱力學理論退出，黑體輻射的峰值波長與熱力學溫度T之間的函數關系，可以用下式來表示。第22頁,共46頁，2024年2月25日，星期天23例題8-1例8-1

：測得對應于太陽最大光譜輻射力峰值的波長約為0.503微米，若太陽可近似看成是黑體看待，求太陽的表面溫度。第23頁,共46頁，2024年2月25日，星期天24解：太陽表面可近似看成黑體，則可利用維恩定律，太陽表面溫度為：第24頁,共46頁，2024年2月25日，星期天25二、維恩位移定律討論：利用維恩定律，可根據黑體的峰值波長求黑體溫度，它可作為光譜測溫的基礎。例如，可以解釋金屬加熱時的顏色變化。在5000C以下，金屬發出的基本都是紅外線，沒有可見光，因此金屬呈原色。在6000C，隨著溫度升高，金屬相繼呈現暗紅、紅、黃，溫度超過13000C時，開始發白。就是金屬輻射發出的可見光及可見光短波段的能量逐漸增加的緣故。第25頁,共46頁，2024年2月25日，星期天262－2斯蒂芬－玻爾茲曼定律

斯蒂芬－玻爾茲曼定律表達式：黑體輻射常數黑體輻射系數第26頁,共46頁，2024年2月25日，星期天27工程上常計算某一波段范圍內黑體的輻射能及其在輻射力中所占的百分數。黑體輻射函數見表8-1第27頁,共46頁，2024年2月25日，星期天28表8-1，黑體輻射函數表表示波長從0~的輻射能占到了百分之多少！第28頁,共46頁，2024年2月25日，星期天29例題8-3已知某太陽能集熱器的透光玻璃在波長=0.35微米到=2.7微米范圍內的穿透比為85%，在此范圍之外是不透射的。試計算太陽輻射對該玻璃的穿透比。把太陽輻射作為黑體看待，它的表面溫度為5762K。第29頁,共46頁，2024年2月25日，星期天30第30頁,共46頁，2024年2月25日，星期天31解：利用黑體輻射函數表8-1，計算某個波長范圍內的輻射能量。計算：查表8-1，可得第31頁,共46頁，2024年2月25日，星期天32同樣，計算：查表8-1，可得第32頁,共46頁，2024年2月25日，星期天33因此，透射在玻璃上的太陽輻射從波長0.35微米到2.7微米范圍內的能量，占總能量的百分數為：因此，該玻璃的太陽輻射穿透比為：第33頁,共46頁，2024年2月25日，星期天34討論：一般集熱器表面的溫度不超過1000C（373K)，因此集熱器表面發出的長波輻射能無法穿透玻璃。因此，玻璃對短波透過、長波射線阻擋。問題1、如果用這種玻璃作為房屋的窗戶，又會如何？問題2、如果集熱器表面與玻璃之間保持真空或非真空，集熱器的散熱損失又有什么變化？第34頁,共46頁，2024年2月25日，星期天352－3蘭貝特余弦定律

把物體發射的定向輻射強度與方向無關的特性成為漫發射，而反射的定向輻射強度與方向無關的性質稱為漫反射，若某物體既有漫發射性質，又有漫反射性質，稱為漫射表面。黑體在半球空間各方向上的輻射強度相等（蘭貝特余弦定律）。

這是蘭貝特定律的另外一個表達式，說明法線方向的定向輻射力最大。黑體的定向輻射力為：

第35頁,共46頁，2024年2月25日，星期天36黑體的定向輻射力隨方向角按余弦規律變化，法向的定向輻射力最大。除了黑體以外，只有漫輻射表面才遵循蘭貝特定律。漫輻射表面的輻射力為：說明：當物體遵守蘭伯特定律時，它在任何方向上的定向輻射強度都等于輻射力E除以圓周率π，即I=E/π。第36頁,共46頁，2024年2月25日，星期天372－4基爾霍夫定律一、實際物體的輻射發射率物體的發射率：實際物體的輻射力與同溫度下的黑體的輻射力之比。第37頁,共46頁，2024年2月25日，星期天38實際物體的輻射力對非金屬表面ε=（0.95～1.0）對磨光金屬表面ε=（1.0～1.2）第38頁,共46頁，2024年2月25日，星期天39灰體：物體單色輻射力與同溫度黑體單色輻射力隨波長的變化曲線相似，或它的單色發射率不隨波長變化。灰體也是理想化的物體第39頁,共46頁，2024年2月25日，星期天40圖8-9實際物體在各個方向上發射率的變化（a）非導體；（b）導電體1—融冰；2—玻璃；3—黏土；4—氧化亞銅；5—鉍；6—鋁青銅；7—鐵（鈍化）第40頁,共46頁，2024年2月25日，星期天41本節中，還有幾點需要注意將不確定因素歸于修正系數，這是由于熱輻射非常復雜，很難理論確定，實際上是一種權宜之計；服從Lambert定律的表面成為漫射表面。雖然實際物體的定向發射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地認為大多數工程材料服從Lambert定律，這有許多原因；物體表面的發射率取決于物質種類、表面溫度和表面狀況。這說明發射率只與發射輻射的物體本身有關，而不涉及外界條件。第41頁,共46