28热辐射的基本定律-2013

1、热辐射的本质和特点辐射：物质由于某种原因以电磁波的形式对外发射能量的现象称为辐射。辐射是物质固有的属性。热辐射：物质由于热的原因产生的辐射称为热辐射。电磁波谱图紫外线：0.38μm可见光：0.36～0.76μm红外线：0.76～1000μm热射线：0.1～100μm太阳辐射主要集中在0.2~2μm。2000K以下的热辐射大部分集中在红外线区域段的0.76～20μm范围内辐射换热与导热、对流换热不同，它不依赖于物体的接触而进行热量传递。辐射换热过程伴随能量形式的两次转化，即热能电磁波能热能。任何温度处于绝对零度以上的物体都有向四周发射热辐射的能力辐射换热无需介质，且在真空中的传递效率最高；在辐射换热过程中，不仅存在着能量的转移，还存在能量形式的转换；黑体的辐射能力与其热力学温度的四次方成正比，因此辐射换热在高温时显得更重要；辐射具有方向性和选择性。物体的发射与吸收特性不仅与自身温度及表面状况有关，而且还随发射的波长和方向而异，因此，辐射换热要远比导热和对流换热复杂。总投射能：G=Gα+G+G吸收率：＝Gα/G；反射率：＝Gρ/G透射率：＝Gτ/Gα+ρ+τ＝1单色辐射：αλ+ρλ+τλ＝1黑体：α=1；白体：ρ＝1；透明体：τ＝1白色的物体一定是白体吗？辐射强度I：单位时间内，在某给定辐射方向上，物体与发射方向上的每单位投影面积，在单位立体角所发射全波长的能量，称为该方向的辐射强度。光谱（单色）辐射强度I：若辐射强度仅指某波长下波长间隔d范围内所发射的能量，称为单色辐射强度。dII),(),(0辐射力E：单位时间内，物体每单位面积向半球空间所发射的全波长的总能量，称为辐射力。辐射力与光谱（单色）辐射强度的关系dIEcos2ddIEcos20定向辐射力E：发射体单位面积、在单位时间内、向某个方向单位立体角内发射的辐射能。光谱定向辐射力E：发射体单位面积、在单位时间内、向半球空间的某给定方向、单位立体角内，在某一波长附近的单位波长时间间隔内发射的辐射能。光谱辐射力EdEE2ddEE20dEE0定向辐射力与辐射强度之间关系：coscos),(111IddAddAIddEddAdE在法线方向θ=0°nnEI1exp251TccEb黑体单色发射力Eb与波长λ和温度T的函数关系8213.74310/CWmm式中：421.43910CmK普朗克定律揭示图Eb随波长连续变化；0或时Eb0；对任一波长，其Eb随温度T的升高而增加；任一温度T下的Eb有一极大值，其对应的波长为max，且随着温度增加max变小，集中较多辐射能的区域向短波方向移动。维恩定律KmT6.2897max黑体光谱辐射力Eb为极大值时的波长max与温度T的关系：维恩定律是光谱测温的基础！例如太阳：max=0.5mT=5800K三、斯蒂芬—玻尔兹曼定律44002511001expTCTdTccdEEbbbb四次方定律：黑体辐射力Eb与其热力学温度的四次方成正比。b:黑体辐射系数，cb=5.67W/(m2·K4)Cb:黑体辐射常数，b=5.6710-8W/(m2·K4)四、兰贝特余弦定律兰贝特定律表述1：黑体表面具有漫反射性质，且在半球空间各个方向上的定向辐射(强)度相等。即123nIIIIcoscoscosnnnnEIEIIE兰贝特定律表述2：即余弦定律黑体和漫反射表面，定向辐射力随方向角按余弦规律变化，法线方向的定向辐射力最大漫射表面，辐射力是任意方向辐射(强)度的倍2cosIdIE五、基尔霍夫定律1、实际物体实际物体的辐射发射率：实际物体的辐射力与同温度下的黑体辐射力之比，也称黑度。单色发射率（单色黑度）：实际物体的单色辐射力与同温度下黑体的单色辐射力之比bEEbEE发射率与吸收率的比较实际物体表面的发射率取决于物体的种类、表面温度和表面状况。即物体表面的发射率仅与物体本身性质有关，而与外界环境无关。物体发射率是一个物性参数。实际物体的吸收率既取决于自身的表面性质和温度，又取决于投射辐射物体的表面性质和温度。因此，实际物体的吸收率不是一个物性参数。发射率与吸收率的比较对同种材料而言，一般有粗糙面磨光面氧化表面非氧化表面大部分非金属的发射率较高，一般=0.8~0.9；无论金属与非金属，在表面法线方向大约0~60o范围内的定性发射率均保持常数，通常认为金属和非金属表面均为符合兰贝特定律漫射表面2、灰体定义：是指物体单色辐射力与同温度黑体单色辐射力随波长的变化曲线相似，或单色发射率不随波长变化的物体。它实际上也是一种理想化的物体。实际物体在红外线波段范围内可近似的被视为灰体。辐射特性与方向无关的物体，漫辐射体的辐射力是辐射强度的倍const漫射体3、基尔霍夫定律的表达式：在与黑体处于局部热平衡条件下，物体在给定方向的单色辐射率等于该表面对同温度黑体辐射的单色吸收率。确定了实际物体发射辐射的能力与它吸收投射辐射的能力之间的关系,,,,TT温度不平衡条件下1.表面光谱定向发射率等于它的光谱吸收率(实验证实)TT,,,,2.漫射表面，辐射性质与方向无关TT,,3.灰体表面，辐射性质与波长无关TT,,4.漫射灰体表面，辐射性质与方向和波长均无关TT小结普朗克定律：斯蒂芬—玻尔兹曼定律：兰贝特定律基尔霍夫定律：漫灰表面(,)bEfT44()100bbbTEfTTc123nIIIIconstcosnEE()()TT工程应用：只要参与辐射各物体的温差不过分悬殊，可认为4/24dTb4/24DTb4/24dTb1.内壁黑度为，温度为T，直径为D的空腔黑体，球壁有一直径为d（dD)的小孔，通过该空向外辐射的能量为（）A、B、C、D、4/24DTb2.粗糙红砖、空气、表面氧化的铜管、磨光的铝的表面发射率分别为1,2,3,4，则有（）A、1234B、2431C、1342D、32143.为提高太阳灶的效率，在吸收能的表面上涂一层涂料，四种涂料的单色吸收特性如下图，选择（）好A、B、C、D、4.一表面近似为灰表面，则该表面（）A、≠B、≠=常数C、=≠常数D、==常数5.有一台放置室外的冷库，从减小冷库冷冷损失的角度，冷损失最小的冷库颜色（）A、绿色B、蓝色C、灰色D、白色6.大气层能阻止地面上绝大部分的热辐射通过，称之为大气层的（）A、选择性B、温室效应C、吸收性D、反射性7.一半球真空辐射炉，球心处有一尺寸不大的圆盘形辐射加热元件，加热元件的定向辐射强度和辐射量有（）关系A、IOAIOB,qAqBB、IOAIOB,qAqBC、IOA=IOB,qAqBD、IOA=IOB,qAqBABO8.北方深秋季节，晴朗的早晨，树叶上常可看到结了霜，问树叶结霜的表面是在（）A、上表面B、下表面C、上、下表面D、有时上表面，有时下表面9.物体能够发射热辐射的特点有（）A、物体温度大于0KB、不需要传播介质C、具有较高温度D、黑表面10.根据普朗克定律，黑体的单色辐射力Eb与温度和波长有关系，下面说法正确的是（）A、波长不变、温度增加，Eb线性增加B、波长增加、温度不变，Eb指数增加C、任何温度下，都存在峰值波长，并且温度与峰值波长的乘积为常数D、任何温度下，都存在峰值波长，并且温度与峰值线性变化11.一表面具有漫射性质，则该表面（）A、I=常数B、E=常数C、E=ID、E=EnCos