輻射基本概念定律解析

1、8.1熱輻射現(xiàn)象的基本概念8.2 黑體熱輻射的基本定律,,本章作業(yè),8-4、8-9、8-17、8-23,發(fā)射輻射能是各類物質(zhì)的固有特性。 物質(zhì)是由分子、原子、電子等基本粒子組成，當(dāng)原子內(nèi)部的電子受激和振動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生交替變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，發(fā)出電磁波向空間傳播，這就是輻射。由于激發(fā)的方法不同，所產(chǎn)生的電磁波波長(zhǎng)就不相同，它們投射到物體上產(chǎn)生的效應(yīng)也不同。,輻射的基本概念,電磁輻射包含了多種形式，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實(shí)際意義

2、的熱輻射區(qū)域一般為0.1～100μm。,電磁波譜,,熱輻射的基本概念,1. 熱輻射(1) 定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，以電磁波形式傳遞的能量；(2) 特點(diǎn)：a 任何物體，只要溫度高于0 K，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b 可以在真空中傳播；c 伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d 具有強(qiáng)烈的方向性；e 輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；f 發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。,當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透。,2.

3、物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透,對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于不含顆粒的氣體：對(duì)于黑體： 鏡體或白體：透明體：,黑體輻射的基本定律,1.黑體概念黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。,8-10、一等溫空腔的內(nèi)表面為漫射體，并維持在均勻的溫度。其上有一個(gè)面積為0.02㎡的小孔，小孔面積相對(duì)于空腔內(nèi)表面積可

4、以忽略。今測(cè)得小孔向外界輻射的能量為70W，試確定空腔內(nèi)表面的溫度。如果把空腔內(nèi)表面全部拋光，而溫度保持不變，問這對(duì)小孔向外的輻射有何影響？,,,帶有小孔的溫度均勻的空腔就是黑體模型。就輻射特性而言，小孔具有和黑體表面一樣的性質(zhì)，制造空腔材料本身的吸收比的大小對(duì)黑體模型沒有影響。在這樣的等溫空腔內(nèi)部，輻射是均勻而各向同性的，空腔內(nèi)表面的輻射就是同溫度下黑體的輻射，不管空腔壁面自身的輻射特性如何。,輻射力E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積

5、向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。也稱為半球總輻射力，(W/m2)；光譜輻射力Eλ ：?jiǎn)挝粫r(shí)間，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)(包含某一給定波長(zhǎng))，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。也稱半球光譜輻射力，(W/m3)；顯然， E和Eλ之間具有如下關(guān)系：定向輻射力EΩ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向某個(gè)方向發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。也稱為半球總輻射力，(W/m2)；,輻射能量的表示方法,3 黑體輻射的三個(gè)基本定律及其相關(guān)性質(zhì),式中，λ— 波長(zhǎng)，

6、m ； T — 黑體溫度，K ；c1 — 第一輻射常數(shù)，3.742×10-16 W?m2；c2 — 第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2 W?K；,(1)Planck定律：,黑體的光譜輻射力隨著波長(zhǎng)的增加先增大后減??； 對(duì)于任意波長(zhǎng)，溫度越高，黑體的光譜輻射力越強(qiáng)；同一溫度下，光譜輻射力存在一個(gè)峰值；溫度升高，峰值向短波移動(dòng)。,某一溫度下的Ebλ有一個(gè)最大值，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為λm， λm與T 的關(guān)系由Wien位移

7、定律給出，,利用光學(xué)儀器測(cè)得某黑體表面最大光譜輻射力的波長(zhǎng)后，可以算出該黑體表面的溫度,(2) Stefan-Boltzmann定律： 它給出了黑體輻射力E與熱力學(xué)溫度的依變關(guān)系。,式中，σ= 5.67×10-8 w/(m2?K4)，是Stefan-Boltzmann常數(shù)。,隨著溫度的上升，輻射力急劇增加,黑體輻射能按波段分布,實(shí)際問題中，有時(shí)需要確定某一特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能量，即黑體在波長(zhǎng)λ1和λ2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的

8、輻射力,黑體輻射函數(shù):,黑體在0—λ波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)出的輻射能在其輻射力中所占的份額。,解釋金屬加熱時(shí)的顏色變化：隨著金屬溫度的升高，可見光部分的能量所占的比例逐漸加大。在500℃以下，金屬發(fā)出的基本都是紅外線，因此呈原色；到600℃以上，隨著溫度升高，金屬相繼呈暗紅、紅、黃，溫度超過1300℃時(shí)開始發(fā)白。,有趣的輻射——輻射理論和公式的應(yīng)用,計(jì)算溫度為3800K的黑體的最大光譜輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。,黑體溫度在3800K以下時(shí)，其峰值波長(zhǎng)處

9、在紅外線段。所以，在一般工程中所遇到的輻射換熱，基本都屬于紅外輻射。,測(cè)得對(duì)應(yīng)于太陽最大單色輻射力的峰值波長(zhǎng)約為0.5μm若太陽可以近似作為黑體看待，求太陽的表面溫度。,太陽表面溫度約5797K，其峰值波長(zhǎng)處于可見光波段，且在可見光波段太陽輻射能量占總輻射能的44.63%，紅外線波段的輻射能量占總輻射能量的45.45%?？梢?，太陽輻射能量絕大多數(shù)是可見光和紅外線。,,Ultraviolet,陽光中不同波長(zhǎng)的紫外線對(duì)皮膚會(huì)造成不同程度的傷

10、害，波長(zhǎng)越短，傷害越重。據(jù)此，可將紫外線為為 UVA、 UVB和 UVC三種。,UVA為長(zhǎng)波紫外線，長(zhǎng)期作用于人的皮膚，可造成皮膚彈性降低、皺紋增多和老化加速等的傷害。在日常生活中，不論在室外曝曬，還是在室內(nèi)被強(qiáng)光源照射，皮膚都會(huì)在不知不覺中受到紫外線A的影響，所以UVA也稱為“生活紫外線”。,UVB為中波紫外線，它對(duì)人體有利的方面是能促進(jìn)機(jī)體生成維生素D，有利于鈣的代謝，同時(shí)它也刺激皮膚生成大量黑色素，使皮膚要黑，以增加皮膚對(duì)紫外線的

11、抵抗力。但過度曝曬，UVB會(huì)損害表皮的結(jié)締組織，使皮膚發(fā)生紅斑反應(yīng)，造成表皮層增厚和老化，甚至形成皮膚癌。當(dāng)人們?cè)诤I、泳池、山頂?shù)鹊匦蓍e游玩時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間曝曬，紫外線B對(duì)皮膚的傷害最明顯，所以有人稱之為“休閑紫外線”。,UVC一般能被大氣中的臭氧層吸收，很少到達(dá)地面。少部分到達(dá)地面的那部分，可被皮膚角質(zhì)層吸收，引起皮膚癌。,白熾燈里的鎢絲發(fā)光時(shí)溫度約2800K，其可見光波段內(nèi)的輻射能量占總輻射能量的比例僅有8.8%，其余發(fā)出的輻射能不起照

12、明作用。實(shí)際白熾燈的發(fā)光效率還要低，故用輻射方法照明是很浪費(fèi)的，必須推廣使用節(jié)能燈。,400K以下的物體即使在黑暗空間也看不到可見光，但利用紅外成像儀可迅速探測(cè)其位置,紅外熱像儀是通過非接觸探測(cè)紅外能量（熱量），并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對(duì)溫度值進(jìn)行計(jì)算的一種檢測(cè)設(shè)備。,已知某太陽能集熱器的透光玻璃在波長(zhǎng)從0.35～2.7μm范圍內(nèi)的透射率為85%，在此范圍外是不透過的。計(jì)算太陽輻射對(duì)該玻璃的透射率。把

13、太陽輻射作為黑體看待，其表面溫度5762K。,太陽輻射透過該玻璃的百分?jǐn)?shù)為：,由于集熱器表面溫度較低，一般不超過373K,它的長(zhǎng)波輻射對(duì)玻璃是不透過的。因此，該玻璃的這種短波透射和對(duì)長(zhǎng)波阻擋的性質(zhì)，減少了集熱器表面透過玻璃向外的輻射熱損失，有利于提高集熱器的效率。請(qǐng)?jiān)O(shè)想若采用此種玻璃作為房屋的窗子，又會(huì)如何？,(3)Lambert定律：,立體角的定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面度),dAc= rd? ? rs

14、in? d? ，為? ~ ? +d? 和 ? ~ ?+d?之間的微元面積，則微元立體角為,,定向輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量。,定向輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量。,黑體在任何方向上的定向輻射強(qiáng)度I(?,? )與方向無關(guān),Lambert定律：,它說明黑體的定向輻射力隨緯度角?呈余弦規(guī)律變化，因此， Lambert定律也稱為余弦定律。,沿半

15、球方向積分上式，可獲得了半球輻射強(qiáng)度E:,,可見，遵守蘭貝特定律的輻射，數(shù)值上其輻射力等于定向輻射強(qiáng)度的?倍。,定向輻射強(qiáng)度與空間方向無關(guān)是咨意味著黑體的輻射能在半球空間各方向上是均勻分布的? 答：黑體輻射能按空間方向分布服從蘭貝特定律。定向輻射強(qiáng)度與空間方向無關(guān)并不意味著黑體輻射能在半球空間各個(gè)方向均勻分布，因?yàn)檩椛鋸?qiáng)度是指單位可見輻射面積的輻射能，在不同方向，可見輻射面積是不同的，即定向輻射力是不同的。,8-6、一人工黑體腔