光谱发射率.pptx
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1、第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性1第七章第七章 热辐射基本定律及热辐射基本定律及 物体的辐射特性物体的辐射特性第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性27-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念1.热辐射特点热辐射特点(1)(1)定义定义:由热运动产生的,以电磁波形式传递能量;:由热运动产生的,以电磁波形式传递能量;(2)(2)特点特点:a 任何物体,只要温度高于任何物体,只要温度高于0 0 K,就会不停地向周,就会不停地向周围空间发出热辐射;围空间发出热辐射;b 可以在真空中传播;可以在真空中传播;c 伴随能量形伴随能量形式的转变;式的转变;d 具有强烈的方向性;具有强烈的方向性;e 辐射
2、能与温度和波长辐射能与温度和波长均有关;均有关;f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。2.电磁波谱电磁波谱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所示,而我们所感兴趣所示,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的,即工业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,m第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性3电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱图7-1第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性4当热辐射投射到物体表面上时,一般当热辐射
3、投射到物体表面上时,一般会发生三种现象,即吸收、反射和穿会发生三种现象,即吸收、反射和穿透,如图透,如图7-2所示。所示。3.3.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 图图7.27.2物体对热辐射的物体对热辐射的吸收、反射和穿透吸收、反射和穿透吸收比、反射比、透射比体现了能量的守衡体现了能量的守衡第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性5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:反射又分镜面反射和漫反射两种反射又分镜面反射和漫反射两种图图7-3 镜面反射镜面反射图图7
4、-4 漫反射漫反射第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性6第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性71.1.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,上的所有热辐射能的物体,(吸收比(吸收比=1的物体),是的物体),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7-5 7-5 黑体模型黑体模型7-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性8第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性9辐射力辐射力E E:单
5、位时间内,物体的单位表面积单位时间内,物体的单位表面积向半球空间向半球空间发射的所有波发射的所有波长的能量总和。长的能量总和。(W/m2);单色单色(或光谱或光谱)辐射力辐射力E E:单位时间内,对某一给定波长,物体的单位表面积向半球单位时间内,对某一给定波长,物体的单位表面积向半球空间发射的能量。空间发射的能量。(W/m2);2.2.热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法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:黑体一般采用下标黑体一般采用下标b表示,如黑体的辐射力为表示,如黑体的辐射力为Eb,黑,黑体的体的单色单色(或光谱或光谱)辐射力辐射力为为Eb第七章
6、热辐射基本定律及物体的辐射特性103.黑体辐射的三个基本定律及相关性质黑体辐射的三个基本定律及相关性质 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 Wm m2 2;c c2 2 第二辐射常数,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(第一个定律第一个定律):图图7-67-6是根据上式描绘的黑体单是根据上式描绘的黑体单色辐射力随波长和温度的依变色辐射力随波长和温度的依变关系。关系。mm与与T T 的关系由维恩(的关系由维恩
7、(WienWien)定律给出,定律给出,图图7-6 Planck 定律的图示定律的图示第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性11(2)(2)斯忒藩斯忒藩-珀耳兹曼(珀耳兹曼(Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann)定律)定律(第二个第二个定律定律):式中,式中,=5.6710=5.6710-8-8 W/(m W/(m2 2 K K4 4),是,是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。又称为四次方定律又称为四次方定律.第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性12第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性13图图7-8 7-8 立体角定义图
8、立体角定义图定定义义:球球面面面面积积除除以以球球半半径径的的平平方方称称为为立立体体角角,单单位位:sr(球面度球面度),如图,如图7-8和和7-9所示所示(半球的立体角为(半球的立体角为2)(3)(3)立体角立体角第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性14图图7-9 7-9 计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几何关系第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性15定义:定义:单位时间内,物体在单位面积上,在单位立体角内发单位时间内,物体在单位面积上,在单位立体角内发射的一切波长的能量。射的一切波长的能量。(4)定向辐射力定向辐射力E第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性16定义:定义:单位
9、时间内,物体在单位时间内,物体在垂直发射方向垂直发射方向的单位面积上,在的单位面积上,在单位立体角内发射的一切波长的能量,参见图单位立体角内发射的一切波长的能量,参见图7-107-10。(5)(5)定向辐射强度定向辐射强度L L(,):图图7-10 7-10 定向辐射强度定向辐射强度 的定义图的定义图(6)兰贝特兰贝特(Lambert)定律)定律(黑黑体辐射的第体辐射的第 三个基本定律三个基本定律)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7-11,因,因此,此,Lambert定律也称为余弦定定律也称为余弦定律。律。黑体的定向辐射强黑
10、体的定向辐射强度与方向无关。度与方向无关。第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性17图图7-11 Lambert7-11 Lambert定律图示定律图示沿半球方向积分上式,可获得半球辐射强度沿半球方向积分上式,可获得半球辐射强度E:E:第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性18第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性19第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性20 7-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性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;射的能力最强,包括所有方向和
11、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: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际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性21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。的发射能力是随方向和光谱变化的。WavelengthDirection(angle from the surface normal)第七章
12、 热辐射基本定律及物体的辐射特性22 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Eb 和定向辐射强度和定向辐射强度L,分别引入了三个修正系数,即,发射率,分别引入了三个修正系数,即,发射率,光谱发射率,光谱发射率()和和定向发射率定向发射率(),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实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比力之比(光谱辐射力光谱辐射力)实际物体的定向辐射实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐强度与黑体的定向辐射强度之比:射强度之比:(定向发定向发射
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