冶金传输原理（第2版）传热学14 热辐射的基本定律.ppt

第14章热辐射的基本定律14.1热辐射的基本概念14.2热辐射的基本定律14.3实际物体的热辐射特性14.4小结14.1热辐射的基本概念14.1.1热辐射的本质和特点热辐射则是由物体的热运动(或温度)产生的，它具有明显的热效应。热辐射投射到物体上，会被物体吸收从而转变为内能，使物体温度升高，这是热辐射与其它辐射的主要区别。热辐射的波长范围约为0.1~100μm，通常把这一波长范围的电磁波称为热射线，它主要包括红外线和可见光，也有少量紫外线。专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。热辐射的本质决定了热辐射过程，其特点如下：①辐射换热与导热、对流换热不同，它不依赖物体的直接接触。②辐射换热伴随着能量形式的两次转化，即物体的部分内能转化为电磁波能发射出去，当这部分能量到达另一个物体表面并被吸收时，电磁波能又转化为内能。③一切物体只要温度T0，都会不断地发射热射线。14.1热辐射的基本概念14.1.2辐射力和辐射强度辐射力和辐射强度都是表示物体辐射能力的物理量。物体向外辐射的能量是按空间和波长分布的，为了充分描述辐射的这些特性，需要使用不同的概念。(1)辐射力物体在单位时间内，由单位表面积向半球空间发射的全部波长(0~∞)的辐射能量称辐射力，用符号E表示，单位为W/m2。辐射力表示物体热辐射能力的大小。14.1热辐射的基本概念(2)单色辐射力为了描述辐射能量按波长分布的性质，引入单色辐射力的概念。物体在单位时间内，由单位表面积向半球空间发射的某一波长的辐射能量称单色辐射力，用符号Eλ表示，单位为W/(m2·μm)。如果物体在波长为λ至λ+Δλ范围内的辐射力为ΔE，则其单色辐射力为辐射力和单色辐射力的关系为14.1热辐射的基本概念(3)定向辐射力定向辐射力描述辐射能量按空间的分布。定义为：单位时间内物体的单位表面积在一指定方向的单位立体角内所发射的全部波长的辐射能量称定向辐射力，用符号Eθ表示，单位是W/(m2·sr):立体角是一空间角度，单位为sr。若以立体角的角端为球心，作一半径为r的半球，则半球表面14.1热辐射的基本概念上被立体角截取的面积A2与r2的比值就是立体角的大小，即14.1热辐射的基本概念因为整个半球表面积等于2πr2，所以整个半球空间的立体角为2πsr。图表示以微元面积dA1为顶点的微元立体角dω。可以得到(4)(定向)辐射强度物体在单位时间、与某一辐射方向垂直的单位面积内，在单位立体角内发射的全部波长的辐射能量称为定向辐射强度，用Iθ表示，单位为W/(m2·sr)。依据上述定义：14.1热辐射的基本概念因为辐射强度永远和空间特定方向联系在一起，所以涉及辐射强度的“定向”两个字可以省略。14.1热辐射的基本概念如果辐射强度仅指某波长辐射的能量，则称单色辐射强度，用Iλ表示，单位是W/(m2·sr·μm).辐射力和(定向)辐射强度之间的关系可表示为:需要特别指出，与辐射强度不同，涉及辐射力的“定向”两个字不能省略。根据Iθ和Eθ的表达式可以得到定向辐射能力和(方向)辐射强度两者的关系:14.2热辐射的基本定律14.2.1黑体模型的概念黑体是一个理想的吸收体，它能吸收来自空间各个方向、各种波长的全部辐射能量。在辐射分析中，将它作为比较标准，对研究实际物体的热辐射特性具有重要意义。具有下述性质:①黑体表面能吸收任何波长和任何方向的全部辐射。②对给定的温度和波长，不存在比黑体发射更多能量的表面。③虽然黑体发出的辐射能是波长和温度的函数，但与方向无关，黑体是漫发射体。作为理想的吸收体和发射体，黑体可作为真实物体辐射性质的比较基准。14.2热辐射的基本定律黑体辐射可以归结为以下四个基本定律：普朗克定律、维恩位移定律、斯蒂芬-玻尔兹曼定律和兰贝特定律。14.2.2普朗克定律1900年，德国科学家普朗克(Plank)在量子力学的基础上，得到了黑体的单色辐射力与波长、绝对温度的关系，即普朗克定律，如下①随着温度升高，黑体的单色辐射力Ebλ和辐射Eb(每条曲线下的面积)都迅速增大，且短波区增大的速度比长波区大；②在一定温度下，黑体的单色辐射力随波长先增大，再减小，因此中间有一峰值，记为Ebλ,max。③随着黑体温度增高，单色辐射力分布曲线峰值(最大单色辐射力)向左移动，移向较短波长14.2热辐射的基本定律对应最大单色辐射力的波长λmax与温度T关系：14.2热辐射的基本定律例题14-1试分别计算温度为2000K、6000K的黑