热辐射的基本定理.docVIP

第八章 热辐射的基本定理 本章从分析热辐射的本质和特点开始，结合表面的辐射性质引出有关热辐射的一系列术语和概念，然后针对辐射规律提出了热辐射的基本定律。学习的基本要求是：理解热辐射本质和特点。有关黑体、灰体、漫射体，发射率（黑率）、吸收率的概念。理解和熟悉热辐射的基本定律，重点是斯蒂芬—玻尔兹曼定律和基尔霍夫定律。了解影响实际物体表面辐射特性的因素。主要内容有： 一、作为表面的热辐射性质，主要有：对外来投射辐射所表现的吸收率 、反射率 、透射率 和自由温度所表现出的发射率 。对实际表面，这些性质既有方向性又具有光谱性，即它们既和辐射的方向有关，又和辐射的波长有关。所以实际表面的辐射性质是十分复杂的。工程上为简化计算而提出了“漫” “灰”模型：前者指各向同性的表面，即辐射与反辐射性质与方向无关；后者指表面的辐射光谱与同温度黑体的辐射光谱相似，或表面的单色吸收率不随波长而变化是一个常数。如某表面的辐射特性，除了与方向无关外，还与波长无关，则称为“漫—灰”表面，本教材主要针对这类表面作分析计算。 二、有关黑体的概念。黑体既是一个理想的吸收体又是理想的发射体，在热辐射中可把它作为标准物体以衡量实际物体的吸收率和发射率。基于黑体是理想吸收体，如把他置于温度为T的黑空腔中，利用热平衡的原理可推论出黑体尚具有如下特性： 1、在同温度条件下，黑体具有最大的辐射力Eb，既 （T） （T）。 2、黑体的辐射力是温度的单调递增函数。 3、黑体辐射各向同性，即黑体具有漫射性质，辐射强度与方向无关， ≠ 。 三、发射率 发射率 单色发射率 与 的关系 对灰表面 ≠ ，可有 = 。 四、辐射力E和辐射强度I均表示物体表面辐射本领。只要表面温度T0 K，就会有辐射能量。前者是每单位表面积朝半球方向（0 K环境）在单位时间内所发射全波长的能量，而后者是某方向上每单位投影面积在单位时间、单位立体角内所发射的全波长能量。它们之间的关系是 ，对黑体 。 如果是单色辐射能量，相对有单色辐射力 和单色辐射强度 ，并有 ，对黑体 。 五、热辐射的基本定律有： 1、普朗克定律： 2、斯蒂芬—玻尔兹曼定律： W/（m2·K4） 对灰表面 3、兰贝特定律： 或 对漫表面才有此关系。 4、基尔霍夫定律： 在热平衡条件下得出 温度不平衡条件下几种不同层次： （1）、 无条件成立； （2）、 漫表面成立； （3）、 灰表面成立； （4）、 漫—灰表面成立。 第一节 基本概念 一．热辐射的本质和特点 1．热辐射：由于自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播。 通常把范围的电磁波称为热射线，包括可见光、部分紫外线和红外线。 2．热辐射过程的特点： 1）辐射换热不依赖物体的接触而进行热量传递； 2）辐射换热过程伴随物质能量形式的两次转化，即内能电磁波能内能。 3）一切物体只要其温度大于0，都会不断发射热射线。 二．吸收、反射和透射 1．吸收率： 2．反射率： 3．透射率： 黑体，白体，透明体 三．辐射强度和辐射力 1．辐射强度：单位时间内，在某给定辐射方向上，物体在与发射方向垂直的方向上的每单位投影面积，在单位立体角内所发射全波长的能量称为该方向的辐射强度，用符号表示，单位为 单色辐射强度：单位时间内，与发射方向垂直的物体的每单位投影面积，在波长 附近的单位波长间隔内，单位立体角内所发射的能量称为单色辐射强度，用表示，单位为 2．辐射力：单位时间内，物体的每单位面积向半球空间所发射全波长的总能量称为辐射力，用符号E表示，单位 单色辐射力：单位时间内，物体的每单位面积，在波长附近的单位波长间隔内，向半球空间所发射的能量称为单色辐射力，用表示，单位为 定向辐射力：单位时间内，物体的每单位面积向半球空间某给定辐射方向上，在单位立体角内所发射全波长的能量称为定向辐射力，用符号表示，单位为 3．二者关系 第二节 热辐射的基本定理 一．普朗克定理 揭示了黑体单色辐射力和波长，热力学温度T之间的关系： ——波长； T——热力学温度； C1——普朗克第一常数； C2——普朗克第二常数。 图线： 二．斯蒂芬—玻尔兹曼定理 Cb=5.67，称为黑体辐射系数。 三．兰贝特余弦定理 黑体在任何方向上辐射强度与方向无关 对漫辐射表面，辐射力是任意方向辐射强度的倍 四．基尔霍夫定理 揭示了物体发射能力与它吸收辐射能力之间关系 T1 实际 T2 黑体 当