熱輻射的基本定律分解PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 熱輻射的基本定律分解熱輻射的基本定律分解 第1頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 第2頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 第3頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 第4頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 n熱輻射的特點(diǎn)熱輻射的特點(diǎn)： n（1）所有溫度大于所有溫度大于0K的物體都具有輻射能力的物體都具有輻射能力 ，溫度溫度 越高，輻射能力越強(qiáng)。越高，輻射能力越強(qiáng)。 n（2）熱輻射）熱輻射不依靠中間介質(zhì)不依靠中間介質(zhì)，可以在真空中傳，可以在真空中傳 播。播。 n（3）物體間以熱輻射方式進(jìn)行的熱量傳遞是）物體間以熱輻射方式進(jìn)行的熱量傳遞是雙雙 向向的，的，并且伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換并且伴隨著能量形式的

2、轉(zhuǎn)換 。 第5頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 當(dāng)熱輻射投射到物體當(dāng)熱輻射投射到物體 表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā) 生三種現(xiàn)象，即吸收生三種現(xiàn)象，即吸收 、反射和穿透，如圖、反射和穿透，如圖 所示。所示。 圖圖8-2 8-2 熱射線的吸收、反射和透射熱射線的吸收、反射和透射 第6頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 n吸收率(吸收比)n反射率(反射比)n透射率(透射 比) 1 1 Q Q Q Q Q Q QQQQ 第7頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 黑體：黑體：物體能吸收全部的外來(lái)射線，物體能吸收全部的外來(lái)射線，=1 白體：白體：物體能反射全部外來(lái)射線，物體能反射全部外來(lái)射線，=1 透明

3、體：透明體：物體能被外來(lái)射線所全部透射，物體能被外來(lái)射線所全部透射，=1 對(duì)于對(duì)于固體、液體：固體、液體：可認(rèn)為可認(rèn)為=0，1 對(duì)于對(duì)于氣體：氣體：可認(rèn)為可認(rèn)為=0，1 第8頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 1-3 輻射強(qiáng)度和輻射力輻射強(qiáng)度和輻射力 輻射能的分布輻射能的分布 按按空間空間方向分布方向分布 按按波長(zhǎng)波長(zhǎng)分布分布 一、定向輻射強(qiáng)度一、定向輻射強(qiáng)度 立體角立體角：空間角度空間角度。單位單位為為sr（球面度）。（球面度）。 以立體角的角端為中心，作半徑為以立體角的角端為中心，作半徑為r的半球，將半的半球，將半 球表面上被立體角所切割的面積球表面上被立體角所切割的面積A除以半徑的平方除以

4、半徑的平方 r2，即得到立體角的，即得到立體角的量度量度： 半球的立體角半球的立體角2 2 2 r A 第9頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 dd r drrd r dA d sin sin 2 2 2 圖圖8-3a dA1上某點(diǎn)對(duì)上某點(diǎn)對(duì)dA2所張的立體角所張的立體角 圖圖8-3b 定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度 面積面積dA=長(zhǎng)長(zhǎng)x寬寬 第10頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 22 2 d,d, W/(msr) d dd d cos I AA n單位：?jiǎn)挝唬篧/(m2.sr) 第11頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 光譜定向輻射強(qiáng)度（單色輻射強(qiáng)度）光譜定向輻射強(qiáng)度（單色輻射強(qiáng)度） ：在某給定輻射

5、在某給定輻射 方向上，單位時(shí)間、單位可見輻射面積，在波長(zhǎng)方向上，單位時(shí)間、單位可見輻射面積，在波長(zhǎng) 附附 近的近的單位波長(zhǎng)單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)，單位立體角所發(fā)射的能量，稱為間隔內(nèi)，單位立體角所發(fā)射的能量，稱為 光譜定向輻射強(qiáng)度，又稱為單色定向輻射強(qiáng)度。光譜定向輻射強(qiáng)度，又稱為單色定向輻射強(qiáng)度。 0 , dII 單位：?jiǎn)挝唬篧/(m2.sr.m) 光譜定向輻射強(qiáng)度光譜定向輻射強(qiáng)度和和定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度的關(guān)系的關(guān)系 2 , d W/(msr m) d I I 第12頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 二、輻射力二、輻射力 定向輻射力：在定向輻射力：在某給定輻射方向上，某給定輻射方向上，單位時(shí)間內(nèi)，物

6、體單位時(shí)間內(nèi)，物體 單位輻射面積、在單位單位輻射面積、在單位立體角立體角內(nèi)所發(fā)射全波長(zhǎng)的能量，內(nèi)所發(fā)射全波長(zhǎng)的能量， 稱為定向輻射力稱為定向輻射力 。 dAd d E ),( 2 單位：?jiǎn)挝唬篧/(m2.sr) E cos IE nn IE 當(dāng)（當(dāng)（=0）時(shí)）時(shí) 因?yàn)橐驗(yàn)槎ㄏ蜉椛淞Χㄏ蜉椛淞κ且园l(fā)射輻射能物體的單位面積作為計(jì)算依據(jù)，而是以發(fā)射輻射能物體的單位面積作為計(jì)算依據(jù)，而 定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度是站在給定輻射方向所是站在給定輻射方向所看到的（相當(dāng)于投影面積）看到的（相當(dāng)于投影面積）單單 位面積，所以二者之間存在以下關(guān)系：位面積，所以二者之間存在以下關(guān)系： 第13頁(yè)/共46頁(yè) 2021-

7、7-15 輻射力：輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位時(shí)間內(nèi)，物體的每單位輻射面積向每單位輻射面積向 半球空間半球空間所發(fā)射的所發(fā)射的全部波長(zhǎng)全部波長(zhǎng)的總能量。的總能量。 2 cos dIE 20 cosddIE E 單位：?jiǎn)挝唬?W/m2 輻射力輻射力與與定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度的關(guān)系的關(guān)系 輻射力輻射力與與單色輻射強(qiáng)度單色輻射強(qiáng)度的關(guān)系的關(guān)系 2 dEE 輻射力輻射力與與定向輻射力定向輻射力的關(guān)系的關(guān)系 第14頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 0 dEE d dE E 光譜輻射力（單色輻射力）：光譜輻射力（單色輻射力）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的每單單位時(shí)間內(nèi)，物體的每單 位面積，在波長(zhǎng)位面積，在波長(zhǎng)附

8、近的附近的單位波長(zhǎng)間隔單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)，向半球空間所內(nèi)，向半球空間所 發(fā)射全波長(zhǎng)的能量。發(fā)射全波長(zhǎng)的能量。 E單位：?jiǎn)挝唬篧/(m2.m) 第15頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 20 , ddEE dd dE E 光譜定向輻射力（單色定向輻射力）：光譜定向輻射力（單色定向輻射力）：?jiǎn)挝粫r(shí)單位時(shí) 間內(nèi)，物體的每間內(nèi)，物體的每單位面積單位面積、向半球空間的某給、向半球空間的某給 定輻射方向上，在定輻射方向上，在單位立體角單位立體角內(nèi)所發(fā)射在波長(zhǎng)內(nèi)所發(fā)射在波長(zhǎng) 附近的附近的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的能量。的能量。 , E 單位：?jiǎn)挝唬篧/(m2.sr.m) cos , IE 第16頁(yè)/共46頁(yè)

9、2021-7-15 本節(jié)有本節(jié)有4個(gè)定律個(gè)定律， 用用黑體黑體來(lái)討論，來(lái)討論， 黑體用角標(biāo)黑體用角標(biāo)“b” 表示表示 圖圖8-4 人工黑體模型人工黑體模型 1.黑體概念黑體概念 黑體：黑體：是指能吸收投入到其面是指能吸收投入到其面 上的所有熱輻射能的物體，是上的所有熱輻射能的物體，是 一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生 活中是不存在的。但卻可以人活中是不存在的。但卻可以人 工制造出近似的人工黑體。工制造出近似的人工黑體。 第17頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 一、普朗克定律一、普朗克定律 從量子理論出發(fā)，得出了黑體從量子理論出發(fā)，得出了黑體單色輻射力單色輻射力和和波長(zhǎng)、波長(zhǎng)

10、、 熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度之間的函數(shù)關(guān)系。之間的函數(shù)關(guān)系。 1 2 5 1 T C b e C E Km101.439C/m;mW10743. 3 4 2 48 1 C 式中，式中， 波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，m ； T 黑體溫度，黑體溫度，K ； c1 第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，3.74210-16 W m2； c2 第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.438810-2 W K； 第18頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 圖圖8-5a 普朗克定律揭示的關(guān)系普朗克定律揭示的關(guān)系 Eb=f (，T) 第19頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 圖圖8-5b Eb與與 T的函數(shù)關(guān)系的函數(shù)關(guān)系 第20頁(yè)/共46頁(yè) 2021

11、-7-15 二、維恩位移定律二、維恩位移定律 Km6 .2897 max T 1891年，維恩（年，維恩（Wien)用熱力學(xué)理論退出，黑體輻射的峰值用熱力學(xué)理論退出，黑體輻射的峰值 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 與熱力學(xué)溫度與熱力學(xué)溫度T之間的函數(shù)關(guān)系，可以用下式來(lái)表之間的函數(shù)關(guān)系，可以用下式來(lái)表 示。示。 max 第21頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 第22頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 KT5761 503. 0 6 .28977 .2896 max 第23頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 二、維恩位移定律二、維恩位移定律 討論討論：利用維恩定律，可根據(jù)黑體的峰值波長(zhǎng)求黑體溫度，：利用維恩定律，可根據(jù)黑體

12、的峰值波長(zhǎng)求黑體溫度， 它可作為光譜測(cè)溫的基礎(chǔ)。它可作為光譜測(cè)溫的基礎(chǔ)。 例如，可以解釋金屬加熱時(shí)的顏色變化。在例如，可以解釋金屬加熱時(shí)的顏色變化。在5000C以下，金屬以下，金屬 發(fā)出的基本都是紅外線，沒(méi)有可見光，因此金屬呈原色。在發(fā)出的基本都是紅外線，沒(méi)有可見光，因此金屬呈原色。在 6000C，隨著溫度升高，金屬相繼呈現(xiàn)暗紅、紅、黃，溫度超，隨著溫度升高，金屬相繼呈現(xiàn)暗紅、紅、黃，溫度超 過(guò)過(guò)13000C時(shí)，開始發(fā)白。就是金屬輻射發(fā)出的時(shí)，開始發(fā)白。就是金屬輻射發(fā)出的可見光及可見可見光及可見 光光短波段的能量逐漸增加的緣故。短波段的能量逐漸增加的緣故。 第24頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-1

13、5 22 斯蒂芬玻爾茲曼定律斯蒂芬玻爾茲曼定律 斯蒂芬玻爾茲曼定律表達(dá)式：斯蒂芬玻爾茲曼定律表達(dá)式： 24 0 5 1 0 W/m 1 2 Td e C dEE b T C bb 黑體輻射常數(shù)黑體輻射常數(shù) 24 W/m) 100 ( T CE bb 黑體輻射系數(shù)黑體輻射系數(shù) 第25頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 T T c b b b b b Tb bbbb TfTd eT c T dE E E F EEdEE 0 5 1 4 0 )0( )0( )0()0()( )()( ) 1()( 2 12 2 1 21 工程上常計(jì)算某一工程上常計(jì)算某一波段范圍內(nèi)黑體的輻射能波段范圍內(nèi)黑體的輻射能及其

14、及其在在 輻射力中所占的百分?jǐn)?shù)輻射力中所占的百分?jǐn)?shù)。 黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù) 見表見表8-1 )( Tf 第26頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 )0(Tb F 第27頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 1 2 第28頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 第29頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 KmT7 .2016576235. 0 1 n查表查表8-1，可得，可得 %96. 60696. 0 )0( 1 Tb F 第30頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 KmT4 .1555757627 . 2 2 n查表查表8-1，可得，可得 %17.979717. 0 )0( 2 Tb F 第31頁(yè)/共46頁(yè)

15、 2021-7-15 %21.90%96. 6%17.97 )0()0( ) ( 12 12 TbTb TT b FFF n因此，該玻璃的太陽(yáng)輻射穿透比為：因此，該玻璃的太陽(yáng)輻射穿透比為： %68.76 1 %21.9085. 0 1 21 能量波長(zhǎng)范圍內(nèi)透過(guò)玻璃的從 入射到玻璃上的輻射能 透過(guò)玻璃的輻射能 第32頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 第33頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 23 蘭貝特余弦定律蘭貝特余弦定律 把物體發(fā)射的定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)的特性成為漫發(fā)射把物體發(fā)射的定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)的特性成為漫發(fā)射 ，而反射的定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)的性質(zhì)稱為漫反射，而反射的定向輻射強(qiáng)度與

16、方向無(wú)關(guān)的性質(zhì)稱為漫反射， 若某物體既有漫發(fā)射性質(zhì)，又有漫反射性質(zhì)，稱為漫射表若某物體既有漫發(fā)射性質(zhì)，又有漫反射性質(zhì)，稱為漫射表 面。面。 黑體在半球空間各方向上的輻射強(qiáng)度相等（黑體在半球空間各方向上的輻射強(qiáng)度相等（蘭貝蘭貝 特余弦定律）。特余弦定律）。 n III 21 coscoscos nn EIIE 這是蘭貝特定律的另外一個(gè)表達(dá)式，說(shuō)明這是蘭貝特定律的另外一個(gè)表達(dá)式，說(shuō)明法線方法線方 向向的定向輻射力最大。的定向輻射力最大。 黑體的黑體的定向輻射力定向輻射力為：為： 第34頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 IddIdIE 2/ 0 2 02 sincoscos 黑體的黑體的定向輻射力定

17、向輻射力隨方向角按隨方向角按余弦余弦規(guī)律變化，法向的規(guī)律變化，法向的 定向輻射力最大。定向輻射力最大。 除了黑體以外，只有除了黑體以外，只有漫輻射漫輻射表面才遵循蘭貝特定律。表面才遵循蘭貝特定律。 漫輻射漫輻射表面的輻射力為：表面的輻射力為： 說(shuō)明：當(dāng)物體遵守蘭伯特定律時(shí)，它在任何方向上的定向輻射強(qiáng)度說(shuō)明：當(dāng)物體遵守蘭伯特定律時(shí)，它在任何方向上的定向輻射強(qiáng)度 都等于輻射力都等于輻射力E除以圓周率除以圓周率，即，即I=E/。 第35頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 24 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 一、實(shí)際物體的輻射發(fā)射率一、實(shí)際物體的輻射發(fā)射率 物體的物體的發(fā)射率發(fā)射率：實(shí)際物體的輻射力與同溫度

18、下的：實(shí)際物體的輻射力與同溫度下的 黑體的輻射力之比。黑體的輻射力之比。 第36頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 Tb T T bb bb E E E E E E E E E E , , , , , , T 時(shí)單色定向發(fā)射率溫度為 單色定向發(fā)射率定向發(fā)射率 單色發(fā)射率發(fā)射率 44 ) 100 ( T CTEE bbb 實(shí)際物體的輻射力實(shí)際物體的輻射力 n n 對(duì)非金屬表面對(duì)非金屬表面 = =（0.950.951.01.0） 對(duì)磨光金屬表面對(duì)磨光金屬表面 = =（1.01.01.21.2） n 第37頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 灰體：灰體：物體物體單色輻射力單色輻射力與同溫度黑體單色輻射力

19、與同溫度黑體單色輻射力 隨波長(zhǎng)的隨波長(zhǎng)的變化曲線相似變化曲線相似，或它的，或它的單色發(fā)射率不隨單色發(fā)射率不隨 波長(zhǎng)變化波長(zhǎng)變化。 常數(shù) 灰體也是理想化的物體灰體也是理想化的物體 第38頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 圖圖8-9 實(shí)際物體在各個(gè)方向上發(fā)射率的變化實(shí)際物體在各個(gè)方向上發(fā)射率的變化 （a）非導(dǎo)體；（）非導(dǎo)體；（b）導(dǎo)電體）導(dǎo)電體 1融冰；融冰；2玻璃；玻璃；3黏土；黏土；4氧化亞銅；氧化亞銅；5鉍；鉍；6鋁青銅；鋁青銅；7鐵（鈍化）鐵（鈍化） 第39頁(yè)/共46頁(yè) 2021-7-15 本節(jié)中，還有幾點(diǎn)需要注意本節(jié)中，還有幾點(diǎn)需要注意 1.1. 將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜 ，很難理論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)；，很難理論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)； 2.2. 服從服從LambertLambert定律的表面成為漫射表面。雖然實(shí)際物體的定律的表面成為漫射表面。雖然實(shí)際物體的 定向發(fā)射率并不完全符合定向發(fā)射率并不完全符合Lambert