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1、热辐射基本定律及物体的辐射特性1现在学习的是第1页，共26页8-1 基本概念基本概念1.热辐射特点热辐射特点(1)(1)定义定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)(2)特点特点：a不依靠物体的直接接触，可以在真空中传播；不依靠物体的直接接触，可以在真空中传播；b伴伴随能量形式的两次转变，内能随能量形式的两次转变，内能-电磁波能电磁波能-内能；内能；c任何物体，任何物体，只要温度高于只要温度高于0 0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射。，就会不停地向周围空间发出热辐射。电磁辐射包含了多种形式，如图电磁辐射包含了多种形式，如图7-17-1所
2、示，而我们所感兴趣的，即工业所示，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上有实际意义的热辐射区域一般为0.11000.1100mm。电磁波的传播速度：电磁波的传播速度：c=f 式中：式中：f 频率，频率，s-1;波长，波长，m2现在学习的是第2页，共26页电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱图8-13现在学习的是第3页，共26页当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生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，如图三种现象，即吸收、反射和穿透，如图8-2所所示。示。2.2.物体对热辐射的吸收、反射和透射物体对热辐射的吸收、反射和透射 图图8.28.2物体对热
3、辐射的物体对热辐射的吸收反射和穿透吸收反射和穿透4现在学习的是第4页，共26页对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：对于黑体：镜体或白体：镜体或白体：透明体：透明体：反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种图图8-3 镜反射镜反射图图8-4 漫反射漫反射5现在学习的是第5页，共26页1 1）辐射力）辐射力辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长单位时间内，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的能量总和,单位为单位为(W/m2)。单色辐射力单色辐射力E E：单位时间内，单位波长范
4、围内单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长包含某一给定波长)，物体的单，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。位表面积向半球空间发射的能量。3.3.辐射强度和辐射力辐射强度和辐射力E、E关系关系:显然，显然，E和和E之间具有如下关系：之间具有如下关系：6现在学习的是第6页，共26页2 2）辐射强度）辐射强度先介绍立体角的概念先介绍立体角的概念定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度球面度)，如图，如图8-5所示：所示：7现在学习的是第7页，共26页辐射强度辐射强度I I：定义：定义：单位时间内，在某给定辐射方向上，物体在
5、发射方向垂直单位时间内，在某给定辐射方向上，物体在发射方向垂直的方向上的每单位投影面积，在单位立体角内发射的全波长的能的方向上的每单位投影面积，在单位立体角内发射的全波长的能量称为该方向的辐射强度，用符号量称为该方向的辐射强度，用符号I I表示表示(W/m2.sr)。单色辐射强度单色辐射强度I I ：定义：定义：单位时间内，在发射方向垂直的方向上的每单位投影面积，单位时间内，在发射方向垂直的方向上的每单位投影面积，在波长在波长附近的单位波长间隔内、附近的单位波长间隔内、单位立体角内发射的能量称为单色单位立体角内发射的能量称为单色辐射强度，用符号辐射强度，用符号I I表示。显然表示。显然8现在学
6、习的是第8页，共26页黑体概念黑体概念黑体：黑体：是指能吸收投入到其面是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。工制造出近似的人工黑体。图图8-6 8-6 黑体模型黑体模型8-2 热辐射的基本定律热辐射的基本定律9现在学习的是第9页，共26页 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 第一辐射常数，第一辐射常数，3.742103.74210-16-16 W W m m2 2；c c2 2 第二辐射常
7、数，第二辐射常数，1.4388101.438810-2-2 W W K K；1 1普朗克定律普朗克定律图图8-78-7是根据上式描绘的黑体是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依光谱辐射力随波长和温度的依变关系。变关系。mm与与T T 的关系由的关系由WienWien位移定位移定律给出，律给出，图图8-7 普朗克普朗克 定律的图示定律的图示10现在学习的是第10页，共26页斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼定律波尔兹曼定律 式中，式中，=5.6710-8 w/(m2=5.6710-8 w/(m2 K4)K4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。黑体辐射函
8、数黑体辐射函数黑体在波长黑体在波长11和和22区段区段内所发射的辐射力，如图内所发射的辐射力，如图8-88-8所示：所示：图图8-8 8-8 特定波长区段内的特定波长区段内的 黑体辐射力黑体辐射力11现在学习的是第11页，共26页黑体辐射函数黑体辐射函数:3 兰贝特余弦兰贝特余弦 定律定律理论上可以证明，黑体表面具有漫辐射的性质，且在半球空间各理论上可以证明，黑体表面具有漫辐射的性质，且在半球空间各个方向上的辐射强度相等。个方向上的辐射强度相等。12现在学习的是第12页，共26页定义：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
9、角内发射的一切波长的能量，参见图立体角内发射的一切波长的能量，参见图8-98-9。(1)(1)定向辐射强度定向辐射强度I I(,)：图图8-9 8-9 定向辐射强度定向辐射强度 的定义图的定义图(2)兰贝特余弦定律兰贝特余弦定律它说明黑体的定向辐射力随天顶角它说明黑体的定向辐射力随天顶角 呈余弦规律变化，见图呈余弦规律变化，见图8-10，因此，因此，Lambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。13现在学习的是第13页，共26页图图8-10 8-10 兰贝特定律图示兰贝特定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:E:14现在学习的是第1
10、4页，共26页1）发射率）发射率v前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射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；的能力最强，包括所有方向和所有波长；v真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；v因此，定义了发射率因此，定义了发射率(也称为黑度也称为黑度)：相同温度下，实际：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物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律15现在学习的是第15页，共26页 对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力，光谱辐射力
11、Eb 和定向辐射强度和定向辐射强度I，分别引，分别引入了三个修正系数，即，发射率入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率，光谱发射率()和定向发射率和定向发射率()，其表达式和物理意义如下，其表达式和物理意义如下实际物体的辐射力与实际物体的辐射力与黑体辐射力之比黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射力与实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：黑体的光谱辐射力之比：实际物体的定向辐射强实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：度之比：16现在学习的是第16页，共26页灰灰体体是是指指物物体体的的单单色色辐辐射射力力与与同同温温度度下下黑黑体体单单色色辐辐射射力力随随波波
12、长长的的变变化化曲曲线线相相似似或或它它的的单单色色发发射射率率不不随随波波长长变变化化。(1)(1)实实际际物物体体的的辐辐射射力力与与黑黑体体和和灰灰体体的的辐辐射射力力的的差差别别见见图图8-118-11；(2)(2)实实际际物物体体的的辐辐射射力力并并不不完完全全与与热热力力学学温温度度的的四四次次方方成成正正比比；(3)(3)实实际际物物体体的的定定向向辐辐射射强强度度也也不不严严格格遵遵守守LambertLambert定定律律，等等等等。所所有有这这些些差差别别全全部部归归于于上上面面的的系系数数，因因此此，他他们们一一般般需需要要实实验验来来确确定定，形形式式也也可可能能很很复复
13、杂杂。在在工工程程上上一一般般都都将将真真实实表表面面假设为漫发射面。假设为漫发射面。图图8-11 实际物体、黑体和实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱灰体的辐射能量光谱17现在学习的是第17页，共26页1 1）投入辐射投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2 2）选择性吸收选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际 物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变 化，这叫选择性吸收化，这叫选择性吸收3 3）吸收率吸收率：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常
14、用：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用 表表 示示，即，即2 吸收率吸收率18现在学习的是第18页，共26页4)光谱吸收率光谱吸收率：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收率。光谱吸收率随波长的变化体现分数，也叫单色吸收率。光谱吸收率随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。了实际物体的选择性吸收的特性。19现在学习的是第19页，共26页根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标还与投入辐射按波长的能量分布有关。设
15、下标1 1、2 2分别代表所研究的分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体物体和产生投入辐射的物体，则物体1 1的吸收比为的吸收比为20现在学习的是第20页，共26页如果投入辐射来自黑体，由于如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为，则上式可变为21现在学习的是第21页，共26页在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者之在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者之间具有什么样的联系，间具有什么样的联系，18591859年，年，Kirchhoff Kirchhoff 用热力学方法回答了这用热力学方法回答了这个问题，从而提出了个问题，从而提出了Kirchho
16、ff Kirchhoff 定律。定律。最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图8-128-12所示，板所示，板1 1时黑体，板时黑体，板2 2是任意物体，参数分别为是任意物体，参数分别为E Eb b,T T1 1 以及以及E E,T T2 2，则当系统处于热平衡时，有，则当系统处于热平衡时，有 图图8-12 8-12 平行平板间平行平板间的辐射换热的辐射换热22现在学习的是第22页，共26页 此即此即Kirchhoff Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状态下
17、，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下限制限制：(1)(1)整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；(2)(2)如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；度下的值才能相等；(3)(3)投射辐射源必须是同温度下的黑体投射辐射源必须是同温度下的黑体。为了将为了将Kirchhoff Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、推导定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式，见表了多种适用条件，形成了该定律
18、不同层次上的表达式，见表8-18-1。23现在学习的是第23页，共26页层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向光谱，半球光谱，半球全波段，半球全波段，半球无条件，无条件，为天顶角为天顶角漫射表面漫射表面与黑体处于热平衡或对与黑体处于热平衡或对漫灰表面漫灰表面表表7-1 Kirchhoff 7-1 Kirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式注：注：(1)(1)漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合即符合LambertLambert定律的物体表面；定律的物体表面；(2)(2)灰体：指光谱吸
19、收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。24现在学习的是第24页，共26页思考题：思考题：1.1.热辐射和其他形式的电磁波辐射有何异同热辐射和其他形式的电磁波辐射有何异同?2.2.光谱辐射力光谱辐射力,辐射力和定向辐射强度的物理意义辐射力和定向辐射强度的物理意义.它们之它们之间有什么关系间有什么关系?3.3.什么是黑体、白体、透明体、灰体什么是黑体、白体、透明体、灰体?4.4.窗玻璃对红外线几乎不透过，但为什么隔着玻璃晒太阳却使人窗玻璃对红外线几乎不透过，但为什么隔着玻璃晒太阳却使人感到暖和？感到暖和？5.5.漫射表面的概念漫射表面的概念.6.6.试从普朗克定律推导出维恩位移定律。试从普朗克定律推导出维恩位移定律。7.7.人造地球卫星在返回地面时为何容易烧毁？人造地球卫星在返回地面时为何容易烧毁？25现在学习的是第25页，共26页作业：作业：7-3，7-7，7-8，7-17，7-19，7-23，7-2626现在学习的是第26页，共26页