光谱发射率.ppt
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第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,1,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,2,7-1热辐射的基本概念,1.热辐射特点
(1)定义:
由热运动产生的,以电磁波形式传递能量;
(2)特点:
a任何物体,只要温度高于0K,就会不停地向周围空间发出热辐射;b可以在真空中传播;c伴随能量形式的转变;d具有强烈的方向性;e辐射能与温度和波长均有关;f发射辐射取决于温度的4次方。
2.电磁波谱,电磁辐射包含了多种形式,如图7-1所示,而我们所感兴趣的,即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1100m。
电磁波的传播速度:
c=f式中:
f频率,s-1;波长,m,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,3,电磁辐射波谱,图7-1,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,4,当热辐射投射到物体表面上时,一般会发生三种现象,即吸收、反射和穿透,如图7-2所示。
3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透,图7.2物体对热辐射的吸收、反射和穿透,吸收比、反射比、透射比,体现了能量的守衡,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,5,对于大多数的固体和液体:
对于不含颗粒的气体:
对于黑体:
镜体或白体:
透明体:
反射又分镜面反射和漫反射两种,图7-3镜面反射,图7-4漫反射,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,6,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,7,1.黑体概念黑体:
是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体,(吸收比=1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。
图7-5黑体模型,7-2黑体辐射的基本定律,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,8,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,9,辐射力E:
单位时间内,物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。
(W/m2);单色(或光谱)辐射力E:
单位时间内,对某一给定波长,物体的单位表面积向半球空间发射的能量。
(W/m2);,2.热辐射能量的表示方法,E、E关系:
显然,E和E之间具有如下关系:
黑体一般采用下标b表示,如黑体的辐射力为Eb,黑体的单色(或光谱)辐射力为Eb,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,10,3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质,式中,波长,m;T黑体温度,K;c1第一辐射常数,3.74210-16Wm2;c2第二辐射常数,1.438810-2WK;,
(1)普朗克定律(第一个定律):
图7-6是根据上式描绘的黑体单色辐射力随波长和温度的依变关系。
m与T的关系由维恩(Wien)定律给出,,图7-6Planck定律的图示,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,11,
(2)斯忒藩-珀耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律(第二个定律):
式中,=5.6710-8W/(m2K4),是Stefan-Boltzmann常数。
又称为四次方定律.,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,12,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,13,图7-8立体角定义图,定义:
球面面积除以球半径的平方称为立体角,单位:
sr(球面度),如图7-8和7-9所示(半球的立体角为2),(3)立体角,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,14,图7-9计算微元立体角的几何关系,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,15,定义:
单位时间内,物体在单位面积上,在单位立体角内发射的一切波长的能量。
(4)定向辐射力E,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,16,定义:
单位时间内,物体在垂直发射方向的单位面积上,在单位立体角内发射的一切波长的能量,参见图7-10。
(5)定向辐射强度L(,):
图7-10定向辐射强度的定义图,(6)兰贝特(Lambert)定律(黑体辐射的第三个基本定律),它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变化,见图7-11,因此,Lambert定律也称为余弦定律。
黑体的定向辐射强度与方向无关。
第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,17,图7-11Lambert定律图示,沿半球方向积分上式,可获得半球辐射强度E:
第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,18,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,19,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,20,7-3实际固体和液体的辐射特性,1发射率前面定义了黑体的发射特性:
同温度下,黑体发射热辐射的能力最强,包括所有方向和所有波长;真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体;因此,定义了发射率(也称为黑度):
相同温度下,实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:
第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,21,上面公式只是针对方向和光谱平均的情况,但实际上,真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。
Wavelength,Direction(anglefromthesurfacenormal),第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,22,对应于黑体的辐射力Eb,光谱辐射力Eb和定向辐射强度L,分别引入了三个修正系数,即,发射率,光谱发射率()和定向发射率(),其表达式和物理意义如下,实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:
实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比(光谱辐射力),实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比:
(定向发射率),第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,23,漫发射的概念:
表面的方向发射率()与方向无关,即定向辐射强度与方向无关,满足上述规律的表面称为漫发射面,这是对大多数实际表面的一种很好的近似。
图7-15几种金属导体在不同方向上的定向发射率()(t=150),第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,24,图7-16几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率()(t=093.3),第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,25,黑体、灰体等都是理想物体,实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同,比如,
(1)实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图7-14;
(2)实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比;(3)实际物体的定向辐射强度也不严格遵守Lambert定律,等等。
所有这些差别全部归于上面的系数,因此,他们一般需要实验来确定,形式也可能很复杂。
在工程上一般都将真实表面假设为漫发射面。
图7-14实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,26,本节中,还有几点需要注意将不确定因素归于修正系数,这是由于热辐射非常复杂,很难理论确定,实际上是一种权宜之计;服从Lambert定律的表面称为漫射表面。
虽然实际物体的定向发射率并不完全符合Lambert定律,但仍然近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律;物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。
这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关,而不涉及外界条件。
第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,27,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,28,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,29,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,30,7-4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,上一节简单介绍了实际物体的发射情况,那么当外界的辐射投入到物体表面上时,该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢?
本节将对其作出解答。
Semi-transparentmedium,Absorptivitydealswithwhathappensto_,whileemissivitydealswith_,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,31,1.投入辐射:
单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能2.选择性吸收:
投入辐射本身具有光谱特性,因此,实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化,这叫选择性吸收3.吸收比:
物体对投入辐射所吸收的百分数,通常用表示,即,首先介绍几个概念:
第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,32,(4)光谱吸收比:
物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数,也叫单色吸收比。
光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。
图7-17和7-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。
图7-17金属导电体的光谱吸收比同波长的关系,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,33,图7-18非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系,灰体:
光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。
此时,不管投入辐射的分布如何,吸收比都是同一个常数。
第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,34,根据前面的定义可知,物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外,还与投入辐射按波长的能量分布有关。
设下标1、2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体,则物体1的吸收比为,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,35,在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后,让我们来看一下二者之间具有什么样的联系,1859年,Kirchhoff用热力学方法回答了这个问题,从而提出了Kirchhoff定律。
最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。
如图7-20所示,板1是黑体,板2是任意物体,参数分别为Eb,T1以及E,T2,则当系统处于热平衡时,有,图7-20平行平板间的辐射换热,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,36,此即Kirchhoff定律的表达式之一。
该式说明,在热力学平衡状态下,物体的吸收率等与它的发射率。
但该式具有如下限制:
整个系统处于热平衡状态;物体的吸收率和发射率与温度有关,因此二者只有处于同一温度下的值才能相等;投射辐射源必须是同温度下的黑体。
为了将Kirchhoff定律推向实际的工程应用,人们考察、推导了多种适用条件,形成了该定律不同层次上的表达式,见表7-2。
第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,37,表7-2Kirchhoff定律的不同表达式,注:
漫射表面:
指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关,即符合Lambert定律的物体表面;灰体:
指光谱吸收比与波长无关的物体,其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样,只是减小了一个相同的比例。
第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,38,第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,39,思考题:
1.什么是黑体,灰体?
实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体?
2.光谱辐射力,辐射力和定向辐射强度的物理意义.它们之间有什么关系?
3.物体的发射率,吸收率,反射率,穿透率是怎样定义的?
发射率和反射率有何不同?
4.工业上有实际意义的热辐射波长范围.近红外,远红外辐射概念.5.漫射表面的概念.6.物体的发射率取决于物体本身,而不涉及外部条件.因此,发射率可看成是物性.但是吸收率与外界条件有关.为什么对于灰体,吸收率也可看成是物性,并等于发射率?
第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性,40,7.维恩位移定律的表达式.试考虑一下它在自然科学及工程应用中的作用.8.四个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用.,
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- 光谱 发射