光譜發(fā)射率實用教案

1、17-1 熱輻射的基本概念1. 熱輻射特點熱輻射特點(1) 定義：由熱運動產生的，以電磁波形式傳遞能量；定義：由熱運動產生的，以電磁波形式傳遞能量；(2) 特點：特點：a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 K，就會不停地向周圍，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；空間發(fā)出熱輻射；b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播；c 伴隨能量形式的伴隨能量形式的轉變；轉變；d 具有具有(jyu)強烈的方向性；強烈的方向性；e 輻射能與溫度和波長輻射能與溫度和波長均有關；均有關；f 發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。次方。2. 電磁波譜電磁輻射包含(bohn)(bohn)了多種形式，

2、如圖7-17-1所示，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.1100m0.1100m。電磁波的傳播速度： c = f c = f 式中：f f 頻率，s-1; s-1; 波長，mm第1頁/共40頁第一頁，共41頁。2電 磁 輻 射 波 譜圖7-1第2頁/共40頁第二頁，共41頁。3當熱輻射投射到物體(wt)表面上時，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖7-2所示。11QQQQQQQQQQ3. 3. 物體對熱輻射的吸收物體對熱輻射的吸收(xshu)(xshu)、反射和穿透、反射和穿透 圖7.27.2物體對熱輻射的吸收、反射(fnsh)(fnsh)和穿透吸收比、反射比、

3、透射比體現(xiàn)了能量的守衡第3頁/共40頁第三頁，共41頁。4對于大多數(shù)的固體和液體：對于不含顆粒(kl)的氣體：對于黑體： 鏡體或白體：1111,01,0透明體：反射(fnsh)又分鏡面反射(fnsh)和漫反射(fnsh)兩種圖7-3 鏡面反射圖7-4 漫反射第4頁/共40頁第四頁，共41頁。5第5頁/共40頁第五頁，共41頁。61.1.黑體概念黑體概念黑體：是指能吸收投入到其面黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，（吸收上的所有熱輻射能的物體，（吸收比比=1=1的物體），是的物體），是一種科學假想的物體，現(xiàn)實生一種科學假想的物體，現(xiàn)實生活中是不存在的。但卻可以人活中是不存在的。但卻

4、可以人工制造工制造(zhzo)(zhzo)出近似的人工黑體。出近似的人工黑體。圖7-5 7-5 黑體(hit)(hit)模型7-2 黑體(hit)輻射的基本定律第6頁/共40頁第六頁，共41頁。7第7頁/共40頁第七頁，共41頁。8輻射力輻射力E E：單位時間內，物體單位時間內，物體(wt)(wt)的單位表面積向半球空間發(fā)射的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和。的所有波長的能量總和。 (W/m2) (W/m2)；單色單色( (或光譜或光譜) )輻射力輻射力EE：單位時間內，對某一給定波長，物體單位時間內，對某一給定波長，物體(wt)(wt)的單位表面的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。

5、積向半球空間發(fā)射的能量。 (W/m2) (W/m2)；2.2.熱輻射能量(nngling)(nngling)的表示方法E、E關系(gun x):顯然， E和E之間具有如下關系：dEE0黑體一般采用下標b表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的單色(或光譜)輻射力為Eb第8頁/共40頁第八頁，共41頁。93.黑體(hit)輻射的三個基本定律及相關性質 1)(512TcbecE式中，式中， 波長，波長，m m ； T T 黑體溫度，黑體溫度，K K ； c1 c1 第一第一(dy)(dy)輻射常數(shù)，輻射常數(shù)，3.7423.74210-16 10-16 Wm2Wm2； c2 c2 第二輻射常數(shù)，第二輻射常

6、數(shù)，1.43881.438810-2 W10-2 WK K； (1)(1)普朗克定律(dngl)(dngl)(第一個定律(dngl)(dngl)：圖7-67-6是根據(jù)上式描繪的黑體單色輻射力隨波長和溫度的依變關系。mm與T T 的關系由維恩（WienWien）定律給出，2897mTm K圖7-6 Planck 定律的圖示2/()W m m第9頁/共40頁第九頁，共41頁。10(2)(2)斯忒藩- -珀耳茲曼（Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann）定律(dngl)(dngl)(第二個定律(dngl)(dngl)： 25041()01cbbTcE ddeET式中，式中，

7、= 5.67= 5.6710-8 W/(m210-8 W/(m2K4)K4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常數(shù)常數(shù)(chngsh)(chngsh)。40240()1005.67/(),.bTECCWmK黑體輻射系數(shù)又稱為(chn wi)四次方定律.2/W m第10頁/共40頁第十頁，共41頁。111)(512TcbecE第11頁/共40頁第十一頁，共41頁。12圖7-8 7-8 立體角定義(dngy)(dngy)圖定義：球面面積(min j)除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面度)，如圖7-8和7-9所示（半球的立體角為2）ddsindd2rA

8、c(3)(3)立體角第12頁/共40頁第十二頁，共41頁。13圖7-9 7-9 計算微元立體角的幾何(j h)(j h)關系第13頁/共40頁第十三頁，共41頁。14定義：單位(dnwi)(dnwi)時間內，物體在單位(dnwi)(dnwi)面積上，在單位(dnwi)(dnwi)立體角內發(fā)射的一切波長的能量。 (4)定向(dn xin)輻射力EdQ( )d dEA2EE d2/()W m sr第14頁/共40頁第十四頁，共41頁。15定義：單位時間內，物體在垂直(chuzh)(chuzh)發(fā)射方向的單位面積上，在單位立體角內發(fā)射的一切波長的能量，參見圖7-107-10。 d ( )( )d c

9、odsQLA(5) (5) 定向(dn xin)(dn xin)輻射強度L(L(, , ) )：圖7-10 7-10 定向(dn xin)(dn xin)輻射強度 的定義圖(6) 蘭貝特 （ Lambert ）定律(黑體輻射的第 三個基本定律)dQ( )cosd dELA它說明黑體的定向輻射力隨天頂角 呈余弦規(guī)律變化，見圖7-11，因此， Lambert定律也稱為余弦定律。2/()W m sr黑體的定向輻射強度與方向無關。第15頁/共40頁第十五頁，共41頁。16圖7-11 Lambert7-11 Lambert定律(dngl)(dngl)圖示LLEdcos2沿半球方向(fngxing)(fn

10、gxing)積分上式，可獲得半球輻射強度E:E:(dsindd) 第16頁/共40頁第十六頁，共41頁。17第17頁/共40頁第十七頁，共41頁。18第18頁/共40頁第十八頁，共41頁。19 7-3 實際固體和液體(yt)的輻射特性1 發(fā)射率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，包括所有(suyu)方向和所有(suyu)波長；真實物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；因此，定義了發(fā)射率 (也稱為黑度) ：相同溫度下，實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:4TEEEb第19頁/共40頁第十九頁，共41頁。20上面公式只是針對方向和光譜平均的情況(qngkung)

11、，但實際上，真實表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)第20頁/共40頁第二十頁，共41頁。21bbLLLL)()()()( 對應于黑體的輻射力Eb，光譜輻射力Eb和定向(dn xin)輻射強度L，分別引入了三個修正系數(shù)，即，發(fā)射率，光譜發(fā)射率( )和定向(dn xin)發(fā)射率( )，其表達式和物理意義如下40)(TdEEEbb實際物體(wt)的輻射力與黑體輻射力之比:實際物體的光譜(gungp)輻射力與黑體的光譜(gungp)輻射力之比(光譜(gungp)輻射力)bEE)(實際物體的定向輻射強

12、度與黑體的定向輻射強度之比：(定向發(fā)射率)第21頁/共40頁第二十一頁，共41頁。22漫發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射率 () 與方向無關，即定向輻射強度與方向無關，滿足上述規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面，這是對大多數(shù)實際(shj)表面的一種很好的近似。圖7-15 幾種金屬導體在不同方向(fngxing)上的定向發(fā)射率( )(t=150)第22頁/共40頁第二十二頁，共41頁。23圖7-16 幾種(j zhn)非導電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率( )(t=093.3)第23頁/共40頁第二十三頁，共41頁。24黑體、灰體等都是理想物體(wt)(wt)，實際物體(wt)(wt)的輻射特性并不完全與這些理想

13、物體(wt)(wt)相同，比如，(1)(1)實際物體(wt)(wt)的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見圖7-147-14；(2) (2) 實際物體(wt)(wt)的輻射力并不完全與熱力學溫度的四次方成正比；(3) (3) 實際物體(wt)(wt)的定向輻射強度也不嚴格遵守LambertLambert定律，等等。所有這些差別全部歸于上面的系數(shù)，因此，他們一般需要實驗來確定，形式也可能很復雜。在工程上一般都將真實表面假設為漫發(fā)射面。圖7-14 實際物體(wt)、黑體和灰體的輻射能量光譜第24頁/共40頁第二十四頁，共41頁。25本節(jié)中，還有幾點需要本節(jié)中，還有幾點需要(xyo)(xyo)注意注意

14、將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復雜，很難理將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復雜，很難理論確定，實際上是一種權宜之計；論確定，實際上是一種權宜之計；服從服從LambertLambert定律的表面稱為漫射表面。雖然實際物體的定向發(fā)射定律的表面稱為漫射表面。雖然實際物體的定向發(fā)射率并不完全符合率并不完全符合LambertLambert定律，但仍然近似地認為大多數(shù)工程材定律，但仍然近似地認為大多數(shù)工程材料服從料服從LambertLambert定律；定律；物體表面的發(fā)射率取決于物質種類、表面溫度和表面狀況。這說物體表面的發(fā)射率取決于物質種類、表面溫度和表面狀況。這說明發(fā)射率只與

15、發(fā)射輻射的物體本身有關，而不涉及外界條件。明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關，而不涉及外界條件。第25頁/共40頁第二十五頁，共41頁。26第26頁/共40頁第二十六頁，共41頁。27第27頁/共40頁第二十七頁，共41頁。28第28頁/共40頁第二十八頁，共41頁。297-4 7-4 實際(shj)(shj)固體的吸收比和基爾霍夫定律 上一節(jié)簡單介紹了實際物體的發(fā)射情況，那么當外界的輻射投入(tur)到物體表面上時，該物體對投入(tur)輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對其作出解答。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with what hap

16、pens to _, while emissivity deals with _第29頁/共40頁第二十九頁，共41頁。301. 1. 投入輻射：單位時間(shjin)(shjin)內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，實際 物體對投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長的不同而變 化，這叫選擇性吸收3. 3. 吸收比：物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)，通常用表 示，即)(投入輻射投入的能量吸收的能量首先介紹(jisho)幾個概念：第30頁/共40頁第三十頁，共41頁。31(4) 光譜吸收比：物體對某一特定(tdng)波長的輻射能所吸收的百分數(shù)，也叫單色吸收

17、比。光譜吸收比隨波長的變化體現(xiàn)了實際物體的選擇性吸收的特性。能量投入的某一特定波長的能量吸收的某一特定波長的),(1T圖7-17和7-18分別給出了室溫下幾種材料(cilio)的光譜吸收比同波長的關系。圖7-17 金屬導電體的光譜吸收(xshu)比同波長的關系第31頁/共40頁第三十一頁，共41頁。32圖7-18 7-18 非導電體材料的光譜吸收(xshu)(xshu)比同波長的關系灰體：光譜吸收比與波長無關(wgun)的物體稱為灰體。此時，不管投入輻射的分布如何，吸收比都是同一個常數(shù)。第32頁/共40頁第三十二頁，共41頁。33根據(jù)(gnj)(gnj)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面

18、性質的溫度有關外，還與投入輻射按波長的能量分布有關。設下標1 1、2 2分別代表所研究的物體和產生投入輻射的物體，則物體1 1的吸收比為)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質表面的性質，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbb第33頁/共40頁第三十三頁，共41頁。34在學習了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來看一下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，18591859年，Kirchhoff Kirchhoff 用熱力學方法回答了這個問題，從而提出了Kirchhoff Kirchhoff 定律。最簡單的推導是用兩塊無限大平板間的熱力學平衡方法。如圖7-7-202

19、0所示，板1 1是黑體，板2 2是任意物體，參數(shù)(cnsh)(cnsh)分別為Eb, Eb, T1 T1 以及E, E, , T2, T2，則當系統(tǒng)處于熱平衡時，有 bbEEEE圖7-20 7-20 平行(pngxng)(pngxng)平板間的輻射換熱第34頁/共40頁第三十四頁，共41頁。35 此即此即Kirchhoff 定律的表達式之一。該式說明定律的表達式之一。該式說明(shumng)，在，在熱力學平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具熱力學平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有如下限制：有如下限制：整個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；整個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；物體的吸收率和發(fā)射

20、率與溫度有關，因此二者只有處于同一溫度物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關，因此二者只有處于同一溫度下的值才能相等；下的值才能相等；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。為了將Kirchhoff Kirchhoff 定律推向實際的工程應用，人們考察(koch)(koch)、推導了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達式，見表7-27-2。第35頁/共40頁第三十五頁，共41頁。36層層 次次數(shù)學表達式數(shù)學表達式成立條件成立條件光譜，定向光譜，定向光譜，半球光譜，半球全波段，半球全波段，半球無條件，無條件， 為天頂角為天頂角漫射表面漫射表面與黑體處于熱平衡或對與黑體處于熱

21、平衡或對漫灰表面漫灰表面),(),(TT),(),(TT)()(TT表7-2 Kirchhoff 7-2 Kirchhoff 定律(dngl)(dngl)的不同表達式注：注：漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強度與空間方向無關，即漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強度與空間方向無關，即符合符合LambertLambert定律的物體表面；定律的物體表面；灰體：指光譜吸收比與波長無關的物體，其發(fā)射和吸收輻射與灰體：指光譜吸收比與波長無關的物體，其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個相同黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個相同(xin tn)(xin tn)的比例。的比例。第36頁/共40頁第三十六頁，共41頁。37第37頁/共40頁第三十七頁，共41頁。38思考題：思考題：1.1.什么是黑體什么是黑體, , 灰體灰體? ? 實際物體在什么樣的條實際物體在什么樣的條件下可以看成是灰體件下可以看成是灰體? ?2.2.光譜輻射力光譜輻射力, ,輻射力和定向輻射強度的物理輻射力和定向輻射強度的物理意義意義. . 它們之間有什么關系它們之間有什么關系? ?3.3.物體的發(fā)射率物體的發(fā)射率, , 吸收率吸收率