第7章热辐射的基本定律.ppt

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1、传传 热热 学学第七章第七章 热辐射基本定律及辐射特性热辐射基本定律及辐射特性7.17.1 热辐射现象的基本概念热辐射现象的基本概念7.1.1 7.1.1 热辐射的定义和特点热辐射的定义和特点、基本概念、基本概念辐射辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式：物体通过电磁波来传递能量的方式。热辐射热辐射:由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。辐射传热辐射传热:物体之间相互辐射和吸收的总效果。物体之间相互辐射和吸收的总效果。、特点、特点 不需要物体直接接触。热辐射不需中间介质，可以在真不需要物体直接接触。热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐

2、射能的传递最有效。空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。量形式的转化。辐射：辐射体内热能辐射：辐射体内热能辐射能；辐射能；吸收：辐射能吸收：辐射能受射体内热能受射体内热能 只要温度大于零就有能量辐射。不仅高温物体向低温只要温度大于零就有能量辐射。不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。物体的辐射能力与其温度性质有关，与绝对温度的四物体的辐射能力与其温度性质有关，与绝对温度的四次方成正比。次方成正比。7.1.2 7

3、.1.2 从电磁波的角度描述热辐射的特性从电磁波的角度描述热辐射的特性电磁波的传播速度：电磁波的传播速度：C =f C =f 式中：式中：f f 频率，频率，s s-1-1;波长，波长，mm1 1、传播速率与波长、频率间的关系、传播速率与波长、频率间的关系2 2、电磁波的波谱、电磁波的波谱热辐射热辐射：0.10.1100100m m，包括可见光线、部分紫外，包括可见光线、部分紫外线和红外线线和红外线 0 0.38.38 图图7-1 7-1 电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱0 0.76.76 红外辐射的应用红外辐射的应用以波长以波长2525mm为界，分为近红外线和远红外线为界，分为近红外线和远

4、红外线远红外线加热技术的应用远红外线加热技术的应用微波：微波：1mm1mm1 1m m 1 1m m的电磁波广泛应用于无线电技术中。的电磁波广泛应用于无线电技术中。当热辐射投射到物件上时，遵循着可见光的规律，其中当热辐射投射到物件上时，遵循着可见光的规律，其中部分被物体吸收，部分被反射，其余则透过物体。部分被物体吸收，部分被反射，其余则透过物体。11QQQQQQQQQQ3.3.物体表面对电磁波的作用物体表面对电磁波的作用 物体对热辐射的吸收反射和穿透物体对热辐射的吸收反射和穿透（1 1）吸收比、反射比和穿透比之间的一般关系）吸收比、反射比和穿透比之间的一般关系吸收比吸收比 反射比反射比 穿透比

5、穿透比对于对于大多数的固体和液体大多数的固体和液体：1,01,0对于对于不含颗粒的气体不含颗粒的气体：固体和液体对投入辐射的吸收和反射特性，具有在固体和液体对投入辐射的吸收和反射特性，具有在物体表面上进行的特点，而不涉及物体内部。物体表面上进行的特点，而不涉及物体内部。气体的辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状气体的辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状况无关紧要。况无关紧要。（2 2）固体表面的两种反射）固体表面的两种反射镜面反射：入射角镜面反射：入射角=反射角，表面粗糙度反射角，表面粗糙度 波长波长一般工程材料均形成漫反射。一般工程材料均形成漫反射。图图7-4 7-4 漫反射漫反射图图7

6、-3 7-3 镜反射镜反射为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型：为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型：黑黑 体：体：=1=0=0=1=0=0；白白 体：体：=0=1=0=0=1=0；透明体透明体:=0=0=1:=0=0=1自然界和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白体自然界和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白体和透明体虽然并不存在，但和它们根相象的物体却是有和透明体虽然并不存在，但和它们根相象的物体却是有的。例如，煤炭的吸收比达到的。例如，煤炭的吸收比达到0.960.96，磨光的金子反射比，磨光的金子反射比几乎等于几乎等于0.980.98，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。，而常温下空

7、气对热射线呈现透明的性质。7.1.3 7.1.3 黑体模型及其重要性黑体模型及其重要性具有一个小孔的等温空腔表面，若有外部投射辐射从小孔具有一个小孔的等温空腔表面，若有外部投射辐射从小孔进入空腔内，必将在其内表面经历无数次的吸收和反射，进入空腔内，必将在其内表面经历无数次的吸收和反射，最后能够从小孔重新选出去的辐射能量必定微乎其微。认最后能够从小孔重新选出去的辐射能量必定微乎其微。认为几乎全部入射能量都被空腔吸收殆尽。从这个意义上讲，为几乎全部入射能量都被空腔吸收殆尽。从这个意义上讲，小孔非常接近黑体的性质。小孔非常接近黑体的性质。黑体具有最大的吸收力黑体具有最大的吸收力(=1)(=1)，同时

8、亦，同时亦具有最大的辐射力具有最大的辐射力(=1)(=1)。在实际物体。在实际物体中不存在绝对黑体，为此引出人工黑体，中不存在绝对黑体，为此引出人工黑体，如图所示。如图所示。热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法7.2 7.2 黑体热辐射的基本定律黑体热辐射的基本定律光谱辐射力光谱辐射力E E：单位时间内单位表面积向其上的半球空间单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的包含波长的所有方向辐射出去的包含波长在内的单位波长内的能在内的单位波长内的能量称为光谱辐射力量称为光谱辐射力(W/m(W/m2 2m)m)。辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发单位时间内

9、，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射的所有波长的能量总和 (W/m(W/m2 2)。从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。E E、E E关系关系:显然，显然，E E 和和E E之间具有如下关系之间具有如下关系：黑体一般采用下标黑体一般采用下标b b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为E Eb b，黑体的，黑体的光谱辐射力光谱辐射力为为E Ebb0EE d7.2.1 7.2.1 Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律定律440()100bTETc式中，式中，=5.67=5.671010-8-8 w/(m

10、 w/(m2 2 K K4 4)，Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。c c0 0 5.67w/(m5.67w/(m2 2 K K4 4)，黑体辐射系数，黑体辐射系数描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。18791879年年StefanStefan实验，实验，18841884年年 BoltzmanBoltzman热力学理论得出；热力学理论得出；将将Planks LawPlanks Law积分即得。积分即得。1)(512TcbecE式中，式中，波长，波长，m m；T T 黑体温度，黑体温度，K K；c c1 1 第一辐

11、射常数，第一辐射常数，3.74193.74191010-16-16 W W m m2 2；c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.43881.43881010-2-2 W W K K；7.2.2 7.2.2 普朗克定律普朗克定律 (19001900年）年）描述了黑体光谱辐射力随波长及温度的变化规律。描述了黑体光谱辐射力随波长及温度的变化规律。Planck Planck 定律的图示定律的图示黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系m m与与T T的关系由的关系由WienWien位移定律给出：位移定律给出：KmTm3108976.2维恩位移定律的发现在普朗克定

12、律之前，但可以通过将普维恩位移定律的发现在普朗克定律之前，但可以通过将普朗克定律对朗克定律对求导并使其等于零得到。求导并使其等于零得到。维恩维恩WienWien位移定律位移定律（18931893热力学理论得出）热力学理论得出）普朗克定律与普朗克定律与Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律的关系定律的关系40)(51012TdecdEETcbb【解【解】应用应用WienWien位移定律位移定律T=2000KT=2000K时时 maxmax=2.9=2.9 1010-3-3/2000=1.45/2000=1.45 m mT=5800KT=5800K时时 maxmax=

13、2.9=2.9 1010-3-3/5800=0.50/5800=0.50 m m常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区【例【例】试分别计算温度为试分别计算温度为2000K2000K和和5800K5800K的黑体的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长。的最大光谱辐射力所对应的波长。在实际中，有时需求出某一特在实际中，有时需求出某一特定波长的辐射能量。如图中的定波长的辐射能量。如图中的在在 1 1和和 2 2之间的线下面积。黑体之间的线下面积。黑体在波长在波长1 1和和2 2区段内所发射的

14、区段内所发射的辐射力辐射力：21dEEbb特定波长区段内的黑体辐射力特定波长区段内的黑体辐射力黑体辐射按波段的分布黑体辐射按波段的分布黑体辐射函数黑体辐射函数2211212121()40400(0)(0)2111()()bbbbbbbbE dFE dTE dE dE dTFFfTfT通常把波段区间的辐射能表示为同温通常把波段区间的辐射能表示为同温度下黑体辐射力（度下黑体辐射力（从从0 0到到的整个波的整个波谱的辐射能）的百分数，记作谱的辐射能）的百分数，记作。()fT黑体辐射函数黑体辐射函数12()bF121221()()(0)(0)()bbbbbbEFEFFE【例】试求温度为【例】试求温度为

15、3000K3000K和和6000K6000K时的黑体辐射中可见光所占时的黑体辐射中可见光所占的份额。的份额。F Fb b(1 1-2 2)=F)=Fb b(0-(0-2 2)-F)-Fb b(0-(0-1 1)=11.5%-.14%=11.36%)=11.5%-.14%=11.36%。同样的做法可以得出同样的做法可以得出5000K5000K的黑体在可见光范围所占的份的黑体在可见光范围所占的份额为额为F Fb b(1 1-2 2)=F)=Fb b(0-(0-2 2)-F)-Fb b(0-(0-1 1)=57.0%-11.5%=45.5%)=57.0%-11.5%=45.5%。【解】：可见光的波长

16、范围是从【解】：可见光的波长范围是从0.380.38到到0.760.76，对于，对于3000K3000K的黑体其的黑体其TT值分别为值分别为11401140和和22802280。可从查表。可从查表8 81 1得得F Fb b(0-(0-1 1)和和F Fb b(0-(0-2 2)分别为分别为0.14%0.14%和和11.5%11.5%。于是可见光。于是可见光所占份额为所占份额为定义：定义：立体角为一空间角，立体角为一空间角，即被立体角所切割的球面面即被立体角所切割的球面面积除以球半径的平方称为立积除以球半径的平方称为立体角，单位：体角，单位：srsr(球面度球面度 )。2ddcAr 1 1、立体角、立体角7.3.2 7.3.2 兰贝特兰贝特LambertLambert定律定律ddsindd2rAcddsindcArr定义：定义：单位可见面积发射出去的落在空间任意方向的单位单位可见面积发射出去的落在空间任意方向的单位立体角中的能量。立体角中的能量。d(,)d cosdIA 2 2 定向辐射强度定向辐射强度I I可见面积：可见面积：在不同方向上所能看到的辐射面积是不一样的。在不同方向上所能