中国石油大学第8章-热辐射基本定律和辐射特性

第8章热辐射基本定律和辐射特性§8-1热辐射的基本概念§8-2黑体辐射的基本定律§8-3固体和液体的辐射特性§8-4实际物体对辐射的吸收与辐射的关系§8-5太阳与环境辐射§8-1热辐射的基本概念一、热辐射的定义及特点1、基本概念辐射：物体以电磁波向外传递能量的现象。红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线热辐射:由于热的原因而产生的电磁波辐射。是物体内部微观粒子的热运动状态改变，而将部分内能转换成电磁波的能量发射出去的过程。电磁波落到物体上，一部分被物体吸收，将电磁波的能量重新转换成内能。2、特点：①不需要物体直接接触。可在真空中传递(最有效）②有能量的转化。辐射：辐射体内热能→辐射能吸收：辐射能→受射体内热能③只要T0K,就有能量辐射。高温物体低温物体双向辐射热能④物体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比。⑤电磁波遵循c=νλ规律二、从电磁波角度描述热辐射的特性1、传播速率与波长、频率间的关系热辐射具有一般辐射现象的共性。各种电磁波都以光速在空间传播，这是电磁辐射的共性，热辐射也不例外。c=νλ真空中，C=3×108m/s，空气中略低2、电磁波谱由于起因不同，物体发出电磁波的波长也同。热辐射的波长主要位于0.10~1000μm的范围内。热射线：热辐射产生的电磁波工业上一般物体(T2000K)热辐射的大部分能量的波长位于0.76~20μm。太阳辐射：0.1~20μm约定：除特殊说明，以后论及的热射线都指红外线。热射线：波普上热射线中红外线占优，某一具体物体的热辐射中，红外线热辐射并不一定也是占优的。紫外线0.1~0.38μm可见光0.38~0.76μm红外线0.76~1000μm近红外线0.76~1.4μm中红外线1.4~3.0μm远红外线3.0~1000μm当热辐射投射到物体表面上时，与可见光一样，会发生吸收、反射和穿透三种现象。11QQQQQQQQQQ3、物体表面对电磁波的作用（1）吸收比、反射比和透射比对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型：黑体：α=1ρ=0τ=0；白体：α=0ρ=1τ=0；透明体：α=0ρ=0τ=11,01,0对于大多数的固体和液体：1,0原因：热射线穿过固体和液体表面后，在很小的距离内就被完全吸收。其吸收和反射几乎都在表面进行，因此，物体表面状况对其吸收和反射影响很大。特例1：玻璃对可见光是透明体，对其他波长的热辐射，穿透能力很差——温室效应黑颜色的物体对可见光具有较强的吸收能力，白颜色则反射能力强自然界和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白体和透明体虽然并不存在，但和它们根相象的物体却是有的。例如，煤炭的吸收比达到0.96，磨光的金子反射比几乎等于0.98，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。但是，在分析实际物体表面的吸收、反射和透过特性的时候，必须非常谨慎地对待波长，尤其要注意不能以肉眼的直观感觉来判断某物体吸收比的高低。（2）固体表面的两种反射取决于表面不平整尺寸的大小（表面粗糙度）镜面反射（specularreflection）：当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，形成镜面反射漫反射（diffusereflection）：当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时，形成漫反射。三、黑体模型及其重要性图7-5黑体模型黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。黑体（blackbody）：是把吸收比α=1的物体叫做绝对黑体。黑体重要性质黑体吸收能力最强，α=1，在研究黑体辐射的基础上，将其他物体的辐射与黑体辐射比较，找出其与黑体辐射的偏离，确定必要的修正系数。黑体的辐射能力也最强，ε=1黑体表面是漫发射表面自然界中，真正的黑体不存在，但是吸收能力很强的物体也存在，烟炱和黑丝绒烟炱烟炱是指从烟囱分离下来的或被烟道气冲刷出来而后落到烟囱周围地区的煤烟。烟炱的粒径一般小于0.5μm，甚至小于0.1μm。其成分中50%是碳（即炭黑）。由于它有很大的表面积，在大气中能被氧化，或表面积吸附了气体污染物（如二氧化硫、氮氧化物等）起催化氧化的作用。这种炭黑颗粒对二氧化硫和氮氧化物的催化氧化作用要比气相氧化作用分别高100倍和10倍。在重油锅炉的烟道气中含烟炱200-300mg/m3，在炉排上烧煤的煤炉中，因燃烧条件差，有更多的烟炱生成。烟炱可作炭黑生产，用于颜料、墨、油墨、油漆工业，也广泛用于橡胶的补强剂。soot亲油，厌水，不溶于水、酸和碱。是煤的挥发分在不完全燃烧或高温热解时的产物。是可吸入颗粒。汽车尾气中含有soot，soot形成有氧化、热分解、成核、合并、表面增长和凝聚六个过程。形成过程就是气相或液相碳氢化合物向固体弹劾的转变及重返气相物的过程。§8-2黑体辐射的基本定律辐射力（emissivepower）：单位时间内物体单位辐射面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的全部波长范围内的能量，记为E，W/m2相同温度下，黑体的辐射力Eb最大，实际物体的辐射力E=εEb一、Stefan-Boltzmann定律440100bTETC式中，σ=5.67×10-8W/(m2K4)，是斯忒藩-波尔兹曼常数。又称四次方定律，描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。1879年Stefan实验，1884年Boltzman热力学理论得出；将Plank’sLaw积分即得。黑体的辐射力与热力学温度的关系由斯忒藩-玻尔兹曼定律所规定：1、光谱辐射力Eλ（spectralemissivepower）：在单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的在包含波长λ在内的单位波长内的能量，Eλ(W/m2.m)。E、Eλ关系:dEE0黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为EbλdEEd二、普朗克Planck定律1)(512TcbecE式中，λ—波长，m；T—黑体温度，K；c1—第一辐射常数，3.742×10-16Wm2；c2—第二辐射常数，1.4388×10-2WK；1901年，普朗克在量子理论的基础上得到了黑体光谱辐射力Ebλ随波长λ和温度T变化的函数关系：2、普朗克定律Planck定律的图示黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系分析:⑴黑体的光谱辐射力随波长连续变化(光滑曲线)⑵λ→0或λ→∞，Ebλ→0⑶对任一波长，T↑,Ebλ↑⑷对任一温度，Ebλ存在最大值,Ebλmax,对应波长λmax,且随着温度T的增加，λmax变小，向左移动。⑸当T很小时，可见光份额很少，随着T增大(800K)，可见光份额才有所升高。常温下，实际物体的辐射主要是红外辐射。3、维恩位移定律(1893年)max2898μmKT,5800KT58002898mm5.0,2000KT20002898mm45.1,300KT3002898mm66.9应用举例思考1、一铁块放入高温炉中加热，从辐射的角度分析铁块的颜色变化过程用它可测定太空星体表面温度，也可用来选择对特定地物的监测波段，如火灾检测。2、黑体一定是黑色的吗？3、节能灯原理？4、Planck定律与Stefan-Boltzmann定律的关系40)(51012TdecdEETcbb1879年Stefan实验，1884年Boltzman热力学理论得出；将Plank’sLaw积分即得。21dEEbb5、黑体辐射能按波段的分布为了确定在某个特定的波段范围内黑体的辐射能，可以通过积分得到。黑体在波长1~2之间辐射力，为线下阴影面积：(0~)0bbEEd2(0~)0(0~)451()011bbbbcTEdEFETcdTefT黑体辐射函数定义：在0~λ的波长范围内黑体发出的辐射能在其辐射力中所占份额，Fb(0~λ)。波段辐射力:121221()()(0)(0)21()()bbbbbbbEFEFFEfTfTE在λ1~λ2的波长范围黑体的波段辐射力为：表8-1黑体辐射函数（1）可见辐射面积：一表面在某一方向上的可见辐射面积，即为该方向上可以看得见的辐射面积，是该表面在该方向上的投影。dAs=dAcosθ三、Lambert定律兰贝特定律给出了黑体辐射能按空间方向的分布规律。空间方向相关的概念θ（2）平面角θ：表示某一方向的空间所占的大小，单位是弧度。定义θ=l/r定义：立体角为一空间角，即被立体角所切割的球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)。22dddsindsinddcArrrr(3)立体角对于黑体辐射可以预期，由于对称性在相同的纬度角下从微元黑体面积dA向空间不同纬度角方向单位立体角中辐射出去的能量是相等的。ddcosdIA（4）定向辐射强度dcosddIA设面积为dA的黑体微元面积向围绕空间纬度角θ方向的微元立体角dΩ内辐射出去的能量为dΦ（θ），则实验测定表明：I=常数定义：单位时间内，黑体单位可见辐射面积发射出去的落到空间任意方向的单位立体角中的能量，称为定向辐射强度，W/(m2.sr)ddcosdIA定向辐射强度的定义图（5）Lambert定律可以证明：II常量定向辐射强度是以单位可见面积作为度量依据的。如果以单位实际辐射面积为度量依据，则说明黑体的定向辐射力随纬度角呈余弦规律变化。Lambert定律也称为余弦定律。黑体辐射能在空间不同方向上的分布不均匀：法向最大，切向最小（为零）。此时，黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。dcosddIA相当于“灯泡亮度”，即从不同方向看过去，其亮度都是一样的（6）Lambert定律与斯忒藩-玻尔兹曼定律间的关系对两端各乘以dΩ，然后对整个半球空间做积分，就得到从单位黑体表面发射出去落到整个半球空间的能量，即黑体的辐射力：遵守兰贝特定律的辐射，数值上其辐射力等于定向辐射强度的π倍。dcosddIA22dcosdbbEIdA22200coscossincossinbbbbbEIdIdIddI黑体辐射定律小结Stefan-Boltzmann定律：描述黑体的辐射力，正比例于热力学温度的四次方。在某一温度下向半球空间所有方向辐射的全部波长的能量，即对方向和波长都积分的结果。Planck定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的能量沿波长分布的规律，即只对方向积分，但研究的是某一波长。Lambert定律：描述黑体在某一温度下所辐射的全部波长的能量沿半球空间方向上的分布规律，即只对波长积分，但研究的是某一方向。维恩位移定律：黑体的光谱辐射力有个峰值，与此峰值相对应的波长λm由维恩位移定律确定，λm随着温度的升高，向波长短的方向移动。§8.3固体和液体的辐射特性黑体：热辐射的标准物体实际物体：与黑体辐射特性对比研究固体、液体：除玻璃、薄膜、水等特殊物体气体：存在散射、投射，单独研究实际物体热辐射两个重要性质光谱性质：光谱辐射力随波长的变化方向性：辐射度实际物体的光谱辐射力不仅比黑体的光谱辐射力Ebλ小，而且Eλ与波长的关系也没有一定的规律性。1、实际物体的辐射力实际物体的辐射力E总小于同温度下黑体的辐射力ε称为实际物体的发射率（习惯上称为黑度）：bEEε4TεEEbemissivity，emittance真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体发射率一般通过实验测定，它仅仅取决于物体自身，而与周围环境条件无关。辐射力计算式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表