热辐射基本定律及物体的辐射特性(精)学习资料.ppt

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1、热辐射基本定律及物体的辐射特性(精)2.电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图7-1所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1~100μm。电磁波的传播速度：C=fλ式中：f—频率，s-1;λ—波长，μm电磁辐射波谱图7-1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7-2所示。3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透图7.2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：对于黑体：镜体或白体：透明体：反射又分镜反射和漫反射两种图7-3镜反射图

2、7-4漫反射1.黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。图7-5黑体模型§7-2黑体辐射的基本定律辐射力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Eλ：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)；2.热辐射能量的表示方法E、Eλ关系:显然，E和Eλ之间具有如下关系：黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑

3、体的光谱辐射力为Ebλ3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质式中，λ—波长，m；T—黑体温度，K；c1—第一辐射常数，3.742×10-16Wm2；c2—第二辐射常数，1.4388×10-2WK；(1)Planck定律(第一个定律)：图7-6Planck定律的图示(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：式中，σ=5.67×10-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。图7-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。λm与T的关系由Wien位移定律给出：(3

4、)黑体辐射函数黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力，如图7-7所示：图7-7特定波长区段内的黑体辐射力黑体辐射函数: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7-8和7-9所示：(4)立体角图7-8立体角定义图图7-9计算微元立体角的几何关系定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图7-10。(5)定向辐射强度L(,)：(6)Lambert定律(黑体辐射的第三个基本定律)它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变化，见图7-1

5、1，因此，Lambert定律也称为余弦定律。图7-10定向辐射强度的定义图图7-11Lambert定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:§7-3实际固体和液体的辐射特性1发射率前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；因此，定义了发射率(也称为黑度)：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。Waveleng

6、thDirection(anglefromthesurfacenormal)因此，我们需要定义方向光谱发射率，对于某一指定的方向(,)和波长对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率，即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了半球光谱发射率，即实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比这样，前面定义的半球总发射率则可以写为：半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度L，分别引入了三个修正系数，

7、即，发射率，光谱发射率()和定向发射率()，其表达式和物理意义如下实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：漫发射的概念：表面的方向发射率()与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。图7-15几种金属导体在不同方向上的定向发射率()(t=150℃)图7-16几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率()(t=0~93.3℃)前面讲过，黑体、灰

8、体、白体等都是理想物体，而实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同，比如，(1)实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图7-14；(2)实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；(3)实际物体的定向辐射强度也不严格遵守Lambert定律，等等。所有这些差别全部归于上面的系数，因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能很复杂。在工程上一般都将真实表面假设为漫发射面。图7