热辐射基础知识.ppt

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1、热辐射基础知识启编著1目录热辐射定义和特点黑体、白体和透明体热辐射四大定律热辐射换热计算参考资料辐射传热的控制（强化与削弱）2热辐射定义和特点3热辐射定义和特点4热辐射定义和特点图1-1电磁波的波谱5黑体、白体和透明体图2-1物体对热辐射的吸收、反射和穿透6黑体、白体和透明体黑体：试验表明物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。在探索热辐射规律的过程中，黑体（blackbody）这种理想物体的概念具有重大意义。黑体，是一个理想化了的物体，它能够在任何温度下吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射。但黑体不见得就是黑色的，它可以放出

2、电磁波，而这些电磁波的波长和能量则全取决于黑体的温度，不因其他因素而改变。在室温下，黑体辐射的能量集中在长波电磁辐射和远红外波段；当黑体温度到几百摄氏度之后，黑体开始发出可见光。以钢材为例根据温度的升高过程，分别变为红色，橙色，黄色，当温度超过1300摄氏度时开始发白色和蓝色。当黑体变为白色的时候，它同时会放出大量的紫外线。黑体的吸收率α=1，这意味着黑体能够全部吸收各种波长的辐射能。尽管在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。黑体模型的原理如下：取工程材料（它的吸收率必然小于黑体的吸收率）制造一个球壳形的空腔，使空腔壁面保持均匀的温度，并在空

3、腔上开一个小孔。射入小孔的辐射在空腔内要经过多次的吸收和反射，而每经历一次吸收，辐射能就按照内壁吸收率的大小被减弱一次，最终能离开小孔的能量是微乎其微的，可以认为所投入的辐射完全在空腔内部被吸收。所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。值得指出的是，小孔面积占空腔内壁总面积的比值越小，小孔就越接近黑体。若这个比值小于0.6%，当内壁吸收率为60%时，计算表明，小孔的吸收率可达99.6%。应用这种原理建立的黑体模型，在黑体辐射的实验研究以及为实际物体提供辐射的比较标准等方面都十分有用。7黑体、白体和透明体图2-2镜面反射图2-2漫反射8热辐射四大定律基尔霍夫辐射定

4、律人物成就：基尔霍夫（GustavRobertKirchhoff,1824-1887），德国物理学家。电路设计：1845年，提出基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL），解决了电器设计中电路方面的难题。被称为“电路求解大师”。热辐射：1859年，基尔霍夫做了用灯焰烧灼食盐的实验。在研究过程中，得出了关于热辐射的定律，后被称为基尔霍夫定律（Kirchoff‘slaw）。1862年他又进一步得出绝对黑体的概念。他的热辐射定律和绝对黑体概念是开辟20世纪物理学新纪元的关键之一。1900年M.普朗克的量子论就发轫于此。化学：在海德堡大学期间制成光谱仪，与化学家本生合

5、作创立了光谱化学分析法（把各种元素放在本生灯上烧灼，发出波长一定的一些明线光谱，由此可以极灵敏地判断这种元素的存在），从而发现了元素铯和铷。科学家利用光谱化学分析法，还发现了铊、碘等许多种元素。光学理论：给出了惠更斯-菲涅耳原理的更严格的数学形式，对德国的理论物理学的发展有重大影响。著有《数学物理学讲义》4卷。他还讨论了电报信号沿圆形截面导线的扰动。薄板直法线理论：1850年，在柏林大学执教的基尔霍夫发表了他关于板的重要论文《弹性圆板的平衡与运动》（UeberdasGleichgewichtunddieelastischenScheibe：CredlesJournal，B

6、d.40,S.51-88）。基尔霍夫的论文指出泊松的错误。这就是力学界著名的基尔霍夫薄板假设。9热辐射四大定律10热辐射四大定律图3-1铜和铝的光谱吸收比与波长关系11热辐射四大定律三个层次的基尔霍夫定律：基尔霍夫定律有三个不同层次上的表达式，其适用条件不同，如表3-1。对大多数工程计算，主要应用“全波段、半球”这一层次上的表达式。层次数学表达式成立条件光谱，定向光谱，半球漫射表面全波段，半球与黑体辐射处于热平衡或对漫灰表面表4-1常用材料表面黑度温室效应：当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体在常温下的发射率作为对太阳能的吸收比。因为太阳辐射中可见光占了近一半能

7、量，而大多数物体对可见光波的吸收表现出强烈的选择性。例如各种颜色（包括白色）的油漆，常温下的发射率高达0.9，但在可见光范围内，白漆的吸收比仅0.1~0.2，而黑漆仍在0.9以上。在夏天，人们喜欢穿白色或浅色衣服的理由也在此。在太阳能集热器的研究中要求集热器的涂层具有高的对太阳辐射的吸收比，而又希望减少涂层本身的发射率以减少散热损失，目前已开发出的涂层材料的吸收比与发射率之比可高达8~10。位于太阳照耀下被玻璃封闭起来的空间，例如小轿车、培养植物的暖房等，其内部温度明显地高于外界温度，就是因为玻璃对太阳辐射具有强烈的选择性吸收