實(shí)際物體輻射解析課件

1、黑體的輻射特性溫度:波長(zhǎng):方向:S-B定律Planck定律Lambert定律對(duì)于非黑體，其輻射特性要作適當(dāng)修正有一個(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。Am能夠反射全部投射熱流第八章

2、熱輻射基本定律和輻射特性8.3固體和液體的輻射特性8.4實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系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)；真實(shí)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(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:1 發(fā)射率實(shí)際物體的輻射力：上面公式只是針對(duì)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。實(shí)際物體的光譜發(fā)射率實(shí)際物體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)作不規(guī)則變化，不符合普朗克定律，但定性上是一致的黑體，T真實(shí)表面，T實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比：光譜發(fā)射率與

3、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)用中用此關(guān)系，修正系數(shù)與T有關(guān)。8-15、已知材料A、B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)射率隨溫度變化的特性，并說(shuō)明理由。A的光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)增加而降低，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。 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)表示灰體的概念：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

4、相似，即在所有波長(zhǎng)下：符合這種規(guī)律的物體稱為灰體對(duì)灰體而言，其單色黑度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此，灰體均滿足實(shí)際物體的定向發(fā)射率黑體真實(shí)表面實(shí)際物體輻射按空間方向的分布，也不符合藍(lán)貝特定律實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比：8-19、一表面的定向發(fā)射率隨角度的變化如圖所示，確定該表面的發(fā)射率與法向發(fā)射率的比值。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)，滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面，這是對(duì)大多數(shù)實(shí)際表面的一種很好的近似。定向發(fā)射率是個(gè)常數(shù),可用法向的發(fā)射率來(lái)近似代替對(duì)于高度磨光的金屬表面：M=1.01.3非導(dǎo)體： M=0.951.0前面講過(guò)，黑體、灰體等都是

5、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，(1)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；(2) 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；(3) 實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守Lambert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(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)為漫射灰體。 物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。這說(shuō)明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。影響物體發(fā)射率的因素2 吸收比當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時(shí)，該物體對(duì)投入輻射吸收的情況又是如何呢？(1

6、)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)選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，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 化，稱之為選擇性吸收(3)吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用表 示，即(4) 光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(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性。 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)中利用的例子很多，但事情往往都具有雙面性，人們?cè)诶眠x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

7、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)。8-21、溫度為310K的4個(gè)表面置于太陽(yáng)光的照射下，設(shè)此時(shí)各表面的光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化如附圖所示。試分析，在計(jì)算與太陽(yáng)能的交換時(shí)，哪些表面可以作為灰體處理？為什么？物體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

8、關(guān)。設(shè)下標(biāo)1、2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體1的吸收比為圖給出了一些材料對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。如果投入輻射來(lái)自黑體，由于 ，則上式可變?yōu)樵趯W(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，1859年，Kirchhoff 用熱力學(xué)方法回答了這個(gè)問(wèn)題，提出了Kirchhoff 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。板1是黑體，板2是任意物體，參數(shù)分別為Eb, T以及E, , T，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有 此即Kirchhoff 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。但該式具有如下限制：整個(gè)系

9、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。為了將Kirchhoff 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.層 次數(shù)學(xué)表達(dá)式成立條件光譜，定向光譜，半球全波段，半球無(wú)條件，為天頂角漫射表面與黑體處于熱平衡或?qū)β冶砻媛浔砻妫褐赴l(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Lambert定律的物體表面；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全一樣，只是減小了一個(gè)相同的比例。某漫射表面溫度T1300K，其單色吸收率如圖。把它放在壁溫T2=1200K的黑體空腔中，計(jì)算此表面的吸收率和發(fā)射率漫射表面溫度T1300K一個(gè)無(wú)蓋板的平板太陽(yáng)集熱器帶有發(fā)射率為0.1和吸收率為0.95的選擇性吸收表面