實(shí)際物體輻射實(shí)用教案

1、有一個(gè)面積為A1的小輻射源，為漫射表面，其發(fā)射的定向輻射強(qiáng)度是I1=1.2*105W/m2.sr。輻射探測(cè)器A2與A1的法線相垂直，二者的間距為l=0.2m，在A2與A1之間的中心位置處有一不透射的屏，防止A1的輻射到達(dá)A2。小表面Am是一個(gè)理想的漫反射鏡，從熱源發(fā)射的輻射可由Am反射到探測(cè)器。1、計(jì)算由A1發(fā)射而投射在Am上的輻射熱流；2、假定1中的輻射熱流完全(wnqun)被Am漫反射，計(jì)算離開(kāi)Am的定向輻射強(qiáng)度；3、計(jì)算離開(kāi)Am的反射輻射投射到A2上的輻射熱流。第1頁(yè)/共33頁(yè)第一頁(yè)，共33頁(yè)。mmAIq11111cos212coshAmmm第2頁(yè)/共33頁(yè)第二頁(yè)，共33頁(yè)。mmmAqE

2、1srmWEImm2/5 .95Am能夠反射(fnsh)全部投射熱流第3頁(yè)/共33頁(yè)第三頁(yè)，共33頁(yè)。22cosmmmmmAIq22222coshAm第4頁(yè)/共33頁(yè)第四頁(yè)，共33頁(yè)。第八章 熱輻射(fsh)基本定律和輻射(fsh)特性8.3固體和液體的輻射特性8.4實(shí)際(shj)物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系第5頁(yè)/共33頁(yè)第五頁(yè)，共33頁(yè)。前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長(zhǎng)；長(zhǎng)；真實(shí)真實(shí)(zhnsh)(zhnsh)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；物體表面

3、的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；因此，定義了發(fā)射率因此，定義了發(fā)射率 ( (也稱為黑度也稱為黑度) ) ：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比總輻射力之比: :1 1 發(fā)射率發(fā)射率4TEEEb第6頁(yè)/共33頁(yè)第六頁(yè)，共33頁(yè)。實(shí)際實(shí)際(shj)(shj)物體的輻射力：物體的輻射力：440()100bTEETc上面公式只是針對(duì)上面公式只是針對(duì)(zhndu)方向和光譜平均的情況，但實(shí)際上，真實(shí)表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜平均的情況，但實(shí)際上，真實(shí)表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。方向和光譜變化的。第7頁(yè)/共33頁(yè)第七頁(yè)，共33頁(yè)。實(shí)

4、際物體實(shí)際物體(wt)(wt)的光譜發(fā)射率的光譜發(fā)射率實(shí)際物體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)實(shí)際物體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)(bchng)(bchng)作不規(guī)則變化，不符合普朗克定律，作不規(guī)則變化，不符合普朗克定律，但定性上是一致的但定性上是一致的黑體，T真實(shí)表面，TbEE)(實(shí)際物體的光譜實(shí)際物體的光譜(gungp)輻射力與黑體的光譜輻射力與黑體的光譜(gungp)輻射力之比：輻射力之比：第8頁(yè)/共33頁(yè)第八頁(yè)，共33頁(yè)。40)(TdEEEbb光譜光譜(gungp)(gungp)發(fā)射率與實(shí)際物體的發(fā)射率之間的關(guān)系發(fā)射率與實(shí)際物體的發(fā)射率之間的關(guān)系實(shí)際物體的輻射力不是與溫度嚴(yán)格地成四次方關(guān)系，實(shí)用中用實(shí)際物體的

5、輻射力不是與溫度嚴(yán)格地成四次方關(guān)系，實(shí)用中用(zhngyng)(zhngyng)此關(guān)系，修正此關(guān)系，修正系數(shù)系數(shù)與與T T有關(guān)。有關(guān)。第9頁(yè)/共33頁(yè)第九頁(yè)，共33頁(yè)。8-158-15、已知材料、已知材料A A、B B的光譜發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系如的光譜發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖所示，試估計(jì)這兩種材料的發(fā)射率隨溫度變化的圖所示，試估計(jì)這兩種材料的發(fā)射率隨溫度變化的特性特性(txng)(txng)，并說(shuō)明理由。，并說(shuō)明理由。A的光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)增加而降低(jingd)，即其善于發(fā)射短波輻射，所以其發(fā)射率隨溫度升高而升高，B的光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)增加而增加，即其善于發(fā)射長(zhǎng)波輻射，所以其發(fā)射率隨溫度升高而降低(

6、jingd)。第10頁(yè)/共33頁(yè)第十頁(yè)，共33頁(yè)。 實(shí)際物體的單色輻射力隨波長(zhǎng)的變化如圖，它只能通過(guò)輻射光譜的實(shí)測(cè)才能(cinng)確定。實(shí)際物體的發(fā)射率可以用它的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比來(lái)表示40)(TdEEEbb第11頁(yè)/共33頁(yè)第十一頁(yè)，共33頁(yè)?；殷w的概念灰體的概念(ginin)(ginin)：物體的輻射光譜是連續(xù)的，且曲線的變化關(guān)系：物體的輻射光譜是連續(xù)的，且曲線的變化關(guān)系與同溫度下黑體的變化關(guān)系相似，即在所有波長(zhǎng)下：與同溫度下黑體的變化關(guān)系相似，即在所有波長(zhǎng)下：),(TfEconstEEEEEEnbnbb2211)(符合這種規(guī)律的物體符合這種規(guī)律的物體(wt)(wt)稱為灰

7、體稱為灰體對(duì)灰體而言，其單色黑度對(duì)灰體而言，其單色黑度(hi d)(hi d)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此，灰體均滿足與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此，灰體均滿足)(第12頁(yè)/共33頁(yè)第十二頁(yè)，共33頁(yè)。實(shí)際實(shí)際(shj)(shj)物體的定向發(fā)射率物體的定向發(fā)射率黑體真實(shí)表面實(shí)際物體輻射實(shí)際物體輻射(fsh)(fsh)按空間方向的分布，也不符合藍(lán)貝特定律按空間方向的分布，也不符合藍(lán)貝特定律bbIIII)()()()(bbbbIdIIdIEE22cos)(cos)(實(shí)際物體的定向?qū)嶋H物體的定向(dn xin)輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度與黑體的定向與黑體的定向(dn xin)輻射強(qiáng)度之輻射強(qiáng)度之比：比：第13頁(yè)/共33頁(yè)第十三頁(yè)，共3

8、3頁(yè)。8-198-19、一表面的定向發(fā)射率隨角度、一表面的定向發(fā)射率隨角度(jiod)(jiod)的的變化如圖所示，確定該表面的發(fā)射率與法向發(fā)射變化如圖所示，確定該表面的發(fā)射率與法向發(fā)射率的比值。率的比值。5 . 0sincos3 . 0sincos7 . 02sincos)(cos)(402420202ddddd第14頁(yè)/共33頁(yè)第十四頁(yè)，共33頁(yè)。漫發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射率漫發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射率 ( () ) 與方向無(wú)關(guān)，即定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，滿足上與方向無(wú)關(guān)，即定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，滿足上訴規(guī)律訴規(guī)律(gul)(gul)的表面稱為漫發(fā)射面，這是對(duì)大多數(shù)實(shí)際表面的一種很好

9、的近似。的表面稱為漫發(fā)射面，這是對(duì)大多數(shù)實(shí)際表面的一種很好的近似。)(第15頁(yè)/共33頁(yè)第十五頁(yè)，共33頁(yè)。nM定向發(fā)射率是個(gè)常數(shù)定向發(fā)射率是個(gè)常數(shù), ,可用法向的發(fā)射率來(lái)近可用法向的發(fā)射率來(lái)近似似(jn s)(jn s)代替代替對(duì)于對(duì)于(duy)(duy)高度磨光的金屬表面：高度磨光的金屬表面：M=1.0M=1.01.31.3非導(dǎo)體：非導(dǎo)體： M=0.95 M=0.951.01.0第16頁(yè)/共33頁(yè)第十六頁(yè)，共33頁(yè)。前面講過(guò)，黑體、灰體等都是理想物體，而實(shí)際物體的輻射特性并不完全與這前面講過(guò)，黑體、灰體等都是理想物體，而實(shí)際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同，比如，些理想物體相同，比

10、如，(1)(1)實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體和灰體的不同，隨溫實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體和灰體的不同，隨溫度和波長(zhǎng)成不規(guī)則變化；度和波長(zhǎng)成不規(guī)則變化；(2) (2) 實(shí)際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次實(shí)際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；方成正比；(3) (3) 實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守LambertLambert定律，等等。所定律，等等。所有這些差別全部有這些差別全部(qunb)(qunb)歸于上面的系數(shù)，因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，歸于上面的系數(shù)，因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，形式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將真實(shí)表面假設(shè)為

11、漫射灰體。形式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將真實(shí)表面假設(shè)為漫射灰體。第17頁(yè)/共33頁(yè)第十七頁(yè)，共33頁(yè)。 物體表面的發(fā)射物體表面的發(fā)射(fsh)率取決于物質(zhì)種類、表面溫率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。這說(shuō)明發(fā)射度和表面狀況。這說(shuō)明發(fā)射(fsh)率只與發(fā)射率只與發(fā)射(fsh)輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。影響影響(yngxing)(yngxing)物體發(fā)射率的因素物體發(fā)射率的因素第18頁(yè)/共33頁(yè)第十八頁(yè)，共33頁(yè)。2 2 吸收吸收(xshu)(xshu)比比當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時(shí)當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時(shí)(shn(shn sh)

12、 sh)，該物體對(duì)投入輻射吸收的情況又是如何呢？，該物體對(duì)投入輻射吸收的情況又是如何呢？(1)(1)投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能 (2)(2)選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此(ync)(ync)，實(shí)際，實(shí)際 物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變 化，稱之為選擇性吸收化，稱之為選擇性吸收(3)(3)吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用表表 示，即示，即)(投入輻射投入的能

13、量吸收的能量第19頁(yè)/共33頁(yè)第十九頁(yè)，共33頁(yè)。(4) (4) 光譜吸收比：物體對(duì)某一特定光譜吸收比：物體對(duì)某一特定(tdng)(tdng)波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，也波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。性。能量投入的某一特定波長(zhǎng)的能量吸收的某一特定波長(zhǎng)的),(1T第20頁(yè)/共33頁(yè)第二十頁(yè)，共33頁(yè)。 物體的選擇性吸收特性，即對(duì)有些波長(zhǎng)的投入輻射吸收多，而對(duì)另一些波長(zhǎng)的輻射吸收少，在實(shí)際生產(chǎn)中利用(lyng)的例子很多，但事情往往都具有雙面性，人們?cè)诶?ly

14、ng)選擇性吸收的同時(shí)，也為其傷透了腦筋，這是因?yàn)槲毡扰c投入輻射波長(zhǎng)有關(guān)的特性給工程中輻射換熱的計(jì)算帶來(lái)巨大麻煩，對(duì)此，一般有兩種處理方法，即灰體法，即將光譜吸收比 () 等效為常數(shù)，即 = () = const。并將()與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體，與黑體類似，它也是一種理想物體，但對(duì)于大部分工程問(wèn)題來(lái)講，灰體假設(shè)帶來(lái)的誤差是可以容忍的；譜帶模型法，即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域被稱為一個(gè)譜帶，在每個(gè)譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體假設(shè)。第21頁(yè)/共33頁(yè)第二十一頁(yè)，共33頁(yè)。8-218-21、溫度為、溫度為310K310K的的4 4個(gè)表面置于太陽(yáng)光的個(gè)表面置于太陽(yáng)光的照射下，設(shè)此時(shí)

15、各表照射下，設(shè)此時(shí)各表面的光譜面的光譜(gungp)(gungp)吸收比隨波長(zhǎng)的變化吸收比隨波長(zhǎng)的變化如附圖所示。試分析，如附圖所示。試分析，在計(jì)算與太陽(yáng)能的交在計(jì)算與太陽(yáng)能的交換時(shí)，哪些表面可以換時(shí)，哪些表面可以作為灰體處理？為什作為灰體處理？為什么？么？第22頁(yè)/共33頁(yè)第二十二頁(yè)，共33頁(yè)。物體物體(wt)(wt)的吸收比除與自身表面性質(zhì)和溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布的吸收比除與自身表面性質(zhì)和溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布有關(guān)。設(shè)下標(biāo)有關(guān)。設(shè)下標(biāo)1 1、2 2分別代表所研究的物體分別代表所研究的物體(wt)(wt)和產(chǎn)生投入輻射的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體(wt)(w

16、t)，則物，則物體體(wt)1(wt)1的吸收比為的吸收比為)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質(zhì)表面的性質(zhì)，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbb第23頁(yè)/共33頁(yè)第二十三頁(yè)，共33頁(yè)。圖給出了一些材料對(duì)黑體輻射圖給出了一些材料對(duì)黑體輻射(fsh)的吸收比與溫度的關(guān)系。的吸收比與溫度的關(guān)系。如果投入輻射來(lái)自黑體，由于如果投入輻射來(lái)自黑體，由于 ，則上式可變?yōu)?，則上式可變?yōu)?),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性質(zhì)表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbb

17、b第24頁(yè)/共33頁(yè)第二十四頁(yè)，共33頁(yè)。第25頁(yè)/共33頁(yè)第二十五頁(yè)，共33頁(yè)。在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來(lái)看一下二者之間具有什么樣在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來(lái)看一下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，的聯(lián)系，1859年，年，Kirchhoff 用熱力學(xué)方法回答了這個(gè)問(wèn)題，提出了用熱力學(xué)方法回答了這個(gè)問(wèn)題，提出了Kirchhoff 定律。定律。最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無(wú)限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無(wú)限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。板板1是黑體，板是黑體，板2是任意物體是任意物體(wt)，參數(shù)分別為，參數(shù)分別為Eb, T以及以及E, , T，則當(dāng)系統(tǒng)處，則

18、當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有于熱平衡時(shí)，有 bbEEEE第26頁(yè)/共33頁(yè)第二十六頁(yè)，共33頁(yè)。 此即此即Kirchhoff Kirchhoff 定律的表達(dá)式之一。該式說(shuō)明，在熱平衡狀態(tài)定律的表達(dá)式之一。該式說(shuō)明，在熱平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有(jyu)(jyu)如下如下限制：限制：整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；投射輻射源必須是同溫度下的黑體。投射輻射源必須是同溫度下的黑體。第27頁(yè)/共33頁(yè)第二十七頁(yè)，共33頁(yè)。為了為了(wi le)(wi le)將將Kirchhoff Kirchhoff 定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，

19、人們考察、推導(dǎo)了多種適用條件，形成了定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們考察、推導(dǎo)了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達(dá)式該定律不同層次上的表達(dá)式. .層層 次數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)表達(dá)達(dá)式成立條條件光譜譜，定向光譜譜，半球全波段，半球無(wú)條條件， 為為天頂頂角漫射表面與與黑體處處于熱熱平衡或?qū)?duì)漫灰表面),(),(TT),(),(TT)()(TT漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空間方向無(wú)關(guān)，即符合漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空間方向無(wú)關(guān)，即符合LambertLambert定律定律(dngl)(dngl)的物體表面；的物體表面；灰體：指光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體，其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形式上完

20、灰體：指光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體，其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個(gè)相同的比例。全一樣，只是減小了一個(gè)相同的比例。第28頁(yè)/共33頁(yè)第二十八頁(yè)，共33頁(yè)。某漫射表面溫度某漫射表面溫度T1T1300K300K，其單色吸收率如圖。把它放在壁溫，其單色吸收率如圖。把它放在壁溫T2=1200KT2=1200K的黑體空腔的黑體空腔(kn(kn qin qin) )中，計(jì)算此表面的吸收率和中，計(jì)算此表面的吸收率和發(fā)射率發(fā)射率69. 0)1 ()()(d)(d)(),()50(2)50(15225021020211bbbbbbbFFEdTEdTETETET漫射表面溫度漫射表面溫度T1300K),(),(TT11. 0)1 ()()()()50(2)50(1151150111bbbbbFFTEdTEdTE