實(shí)際物體輻射解析PPT課件

1、有一個(gè)面積為A1的小輻射源，為漫射表面，其發(fā)射的定向輻射強(qiáng)度是I1=1.2*105W/m2.sr。輻射探測(cè)器A2與A1的法線相垂直，二者的間距為l=0.2m，在A2與A1之間的中心位置處有一不透射的屏，防止A1的輻射到達(dá)A2。小表面Am是一個(gè)理想的漫反射鏡，從熱源發(fā)射的輻射可由Am反射到探測(cè)器。1、計(jì)算由A1發(fā)射而投射在Am上的輻射熱流；2、假定1中的輻射熱流完全被Am漫反射，計(jì)算離開Am的定向輻射強(qiáng)度；3、計(jì)算離開Am的反射輻射投射到A2上的輻射熱流。第1頁(yè)/共33頁(yè)mmAIq11111cos212coshAmmm第2頁(yè)/共33頁(yè)mmmAqE1srmWEImm2/5 .95Am能夠反射全部投

2、射熱流第3頁(yè)/共33頁(yè)22cosmmmmmAIq22222coshAm第4頁(yè)/共33頁(yè)第八章 熱輻射基本定律和輻射特性8 . 3 固 體 和 液 體 的 輻 射 特 性8 . 4 實(shí) 際 物 體 對(duì) 輻 射 能 的 吸 收 與 輻 射 的 關(guān) 系第5頁(yè)/共33頁(yè)前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長(zhǎng)；所有方向和所有波長(zhǎng)；真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；因此，定義了發(fā)射率因此，定義了發(fā)射率 ( (也稱為黑度也稱為黑度) ) ：相同溫度

3、下，實(shí)際物體的半球總輻：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比射力與黑體半球總輻射力之比: :1 1 發(fā)射率發(fā)射率4TEEEb第6頁(yè)/共33頁(yè)實(shí)際物體的輻射力：實(shí)際物體的輻射力：440()100bTEETc上面公式只是針對(duì)方向和光譜平均的情況，但實(shí)際上，真實(shí)表面的發(fā)射能力是上面公式只是針對(duì)方向和光譜平均的情況，但實(shí)際上，真實(shí)表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。隨方向和光譜變化的。第7頁(yè)/共33頁(yè)實(shí)際物體的光譜發(fā)射率實(shí)際物體的光譜發(fā)射率實(shí)際物體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)作不規(guī)則變化，不符合普朗克定律，但定性上實(shí)際物體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)作不規(guī)則變化，不符合普朗克定律，但定性上是一致的是一

4、致的黑體，T真實(shí)表面，TbEE)(實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比：比：第8頁(yè)/共33頁(yè)40)(TdEEEbb光譜發(fā)射率光譜發(fā)射率與實(shí)際物體的發(fā)射率之間的關(guān)系與實(shí)際物體的發(fā)射率之間的關(guān)系實(shí)際物體的輻射力不是與溫度嚴(yán)格地成四次方關(guān)系，實(shí)用中用此關(guān)系，修實(shí)際物體的輻射力不是與溫度嚴(yán)格地成四次方關(guān)系，實(shí)用中用此關(guān)系，修正系數(shù)正系數(shù)與與T T有關(guān)。有關(guān)。第9頁(yè)/共33頁(yè)8-158-15、已知材料、已知材料A A、B B的光譜發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)的光譜發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖所示，試估計(jì)這兩種材料的發(fā)射率隨溫系如圖所示，試估計(jì)這兩種材料的發(fā)射率隨溫度變化的特性

5、，并說(shuō)明理由。度變化的特性，并說(shuō)明理由。A的光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)增加而降低，即其善于發(fā)射短波輻射，所以其發(fā)射率隨溫度升高而升高，B的光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)增加而增加，即其善于發(fā)射長(zhǎng)波輻射，所以其發(fā)射率隨溫度升高而降低。第10頁(yè)/共33頁(yè) 實(shí)際物體的單色輻射力隨波長(zhǎng)的變化如圖，它只能通過(guò)輻射光譜的實(shí)測(cè)才能確定。實(shí)際物體的發(fā)射率可以用它的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比來(lái)表示40)(TdEEEbb第11頁(yè)/共33頁(yè)灰體的概念：物體的輻射光譜是連續(xù)的，且曲線的變化關(guān)系灰體的概念：物體的輻射光譜是連續(xù)的，且曲線的變化關(guān)系與同溫度下黑體的變化關(guān)系相似，即在所有波長(zhǎng)下：與同溫度下黑體的變化關(guān)系相似，即在所有波長(zhǎng)下：

6、),(TfEconstEEEEEEnbnbb2211)(符合這種規(guī)律的物體稱為灰體符合這種規(guī)律的物體稱為灰體對(duì)灰體而言，其單色黑度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此，灰體均滿足對(duì)灰體而言，其單色黑度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此，灰體均滿足)(第12頁(yè)/共33頁(yè)實(shí)際物體的定向發(fā)射率實(shí)際物體的定向發(fā)射率黑體真實(shí)表面實(shí)際物體輻射按空間方向的分布，也不符合藍(lán)貝特定律實(shí)際物體輻射按空間方向的分布，也不符合藍(lán)貝特定律bbIIII)()()()(bbbbIdIIdIEE22cos)(cos)(實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比：定向輻射強(qiáng)度之比：第13頁(yè)/共33頁(yè)8-198-19、一表面的定向發(fā)

7、射率隨角度的變化如圖所、一表面的定向發(fā)射率隨角度的變化如圖所示，確定該表面的發(fā)射率與法向發(fā)射率的比值。示，確定該表面的發(fā)射率與法向發(fā)射率的比值。5 . 0sincos3 . 0sincos7 . 02sincos)(cos)(402420202ddddd第14頁(yè)/共33頁(yè)漫發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射率漫發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射率 ( ( ) ) 與方向無(wú)關(guān)，即定向輻射強(qiáng)度與方與方向無(wú)關(guān)，即定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面，這是對(duì)大多數(shù)實(shí)際表面的一種向無(wú)關(guān)，滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面，這是對(duì)大多數(shù)實(shí)際表面的一種很好的近似。很好的近似。)(第15頁(yè)/共33頁(yè)nM定向發(fā)射

8、率是個(gè)常數(shù)定向發(fā)射率是個(gè)常數(shù), ,可用法向的發(fā)射率來(lái)近可用法向的發(fā)射率來(lái)近似代替似代替對(duì)于高度磨光的金屬表面：對(duì)于高度磨光的金屬表面：M=1.0M=1.01.31.3非導(dǎo)體：非導(dǎo)體： M=0.95M=0.951.01.0第16頁(yè)/共33頁(yè)前面講過(guò)，前面講過(guò)，黑體、灰體黑體、灰體等都是等都是理想物體理想物體，而實(shí)際物體的輻射特性并不完全與，而實(shí)際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同，比如，這些理想物體相同，比如，(1)(1)實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體和灰體的不同，實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體和灰體的不同，隨溫度和波長(zhǎng)成不規(guī)則變化；隨溫度和波長(zhǎng)成不規(guī)則變化；(2) (2) 實(shí)際物體的輻射力并不完

9、全與熱力學(xué)溫度實(shí)際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；的四次方成正比；(3) (3) 實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守LambertLambert定律，定律，等等。所有這些差別全部歸于上面的系數(shù)，因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，等等。所有這些差別全部歸于上面的系數(shù)，因此，他們一般需要實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，形式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將真實(shí)表面假設(shè)為形式也可能很復(fù)雜。在工程上一般都將真實(shí)表面假設(shè)為。第17頁(yè)/共33頁(yè) 物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。這說(shuō)明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物和表面狀況。這說(shuō)明發(fā)

10、射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。影響物體發(fā)射率的因素影響物體發(fā)射率的因素第18頁(yè)/共33頁(yè)2 2 吸收比吸收比當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時(shí)，該物體對(duì)投入輻射吸收的情況又是如何呢？當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時(shí)，該物體對(duì)投入輻射吸收的情況又是如何呢？(1)(1)投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能 (2)(2)選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際 物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)

11、的不同而變 化，稱之為化，稱之為選擇性吸收選擇性吸收(3)(3)吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用 表表 示示，即，即)(投入輻射投入的能量吸收的能量第19頁(yè)/共33頁(yè)(4) (4) 光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，也叫單光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的色吸收比。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。特性。能量投入的某一特定波長(zhǎng)的能量吸收的某一特定波長(zhǎng)的),(1T第20頁(yè)/共33頁(yè) 物體的選擇性吸收特性，即對(duì)有些波

12、長(zhǎng)的投入輻射吸收多，而對(duì)物體的選擇性吸收特性，即對(duì)有些波長(zhǎng)的投入輻射吸收多，而對(duì)另一些波長(zhǎng)的輻射吸收少，在實(shí)際生產(chǎn)中利用的例子很多，但事情另一些波長(zhǎng)的輻射吸收少，在實(shí)際生產(chǎn)中利用的例子很多，但事情往往都具有雙面性，人們?cè)诶眠x擇性吸收的同時(shí)，也為其傷透了往往都具有雙面性，人們?cè)诶眠x擇性吸收的同時(shí)，也為其傷透了腦筋，這是因?yàn)槲毡扰c投入輻射波長(zhǎng)有關(guān)的特性給工程中輻射換腦筋，這是因?yàn)槲毡扰c投入輻射波長(zhǎng)有關(guān)的特性給工程中輻射換熱的計(jì)算帶來(lái)巨大麻煩，對(duì)此，一般有兩種處理方法，即熱的計(jì)算帶來(lái)巨大麻煩，對(duì)此，一般有兩種處理方法，即(1)(1)灰體法，即將光譜吸收比灰體法，即將光譜吸收比 ( ( ) )

13、 等效為常數(shù)，即等效為常數(shù)，即 = = ( ( ) = ) = constconst。并將。并將 ( ( ) )與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體，與黑體類似，它也，與黑體類似，它也是一種理想物體，但對(duì)于大部分工程問題來(lái)講，灰體假設(shè)帶來(lái)的誤是一種理想物體，但對(duì)于大部分工程問題來(lái)講，灰體假設(shè)帶來(lái)的誤差是可以容忍的；差是可以容忍的；(2)(2)譜帶模型法，即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，譜帶模型法，即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域被稱為一個(gè)譜帶，在每個(gè)譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體假設(shè)。每個(gè)小區(qū)域被稱為一個(gè)譜帶，在每個(gè)譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體假設(shè)。第21頁(yè)/共33頁(yè)8

14、-218-21、溫度為、溫度為310K310K的的4 4個(gè)表面置于太陽(yáng)光的個(gè)表面置于太陽(yáng)光的照射下，設(shè)此時(shí)各表照射下，設(shè)此時(shí)各表面的光譜吸收比隨波面的光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化如附圖所示。長(zhǎng)的變化如附圖所示。試分析，在計(jì)算與太試分析，在計(jì)算與太陽(yáng)能的交換時(shí)，哪些陽(yáng)能的交換時(shí)，哪些表面可以作為灰體處表面可以作為灰體處理？為什么？理？為什么？第22頁(yè)/共33頁(yè)物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)和溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)和溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布有關(guān)。設(shè)下標(biāo)布有關(guān)。設(shè)下標(biāo)1 1、2 2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體分別代表所研究的物體

15、和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體1 1的的吸收比為吸收比為)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質(zhì)表面的性質(zhì)，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbb第23頁(yè)/共33頁(yè)圖給出了一些材料對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。圖給出了一些材料對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。如果投入輻射來(lái)自黑體，由于如果投入輻射來(lái)自黑體，由于 ，則上式可變?yōu)?，則上式可變?yōu)?),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性質(zhì)表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb第24頁(yè)/共33頁(yè)第25頁(yè)/共33頁(yè)

16、在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來(lái)看一下二者之間在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來(lái)看一下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，具有什么樣的聯(lián)系，1859年，年，Kirchhoff 用熱力學(xué)方法回答了這個(gè)問用熱力學(xué)方法回答了這個(gè)問題，提出了題，提出了Kirchhoff 定律。定律。最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無(wú)限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無(wú)限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。板板1是黑體，板是黑體，板2是任意物體，參數(shù)分別為是任意物體，參數(shù)分別為Eb, T以及以及E, , T，則當(dāng)系，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有 bbEEEE第26頁(yè)/共33頁(yè) 此即此即Kirchh

17、off Kirchhoff 定律的表達(dá)式之一。該式說(shuō)明，在熱平衡狀態(tài)定律的表達(dá)式之一。該式說(shuō)明，在熱平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有如下限制：下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有如下限制：(1)(1)整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；(2)(2)投射輻射源必須是同溫度下的黑體。投射輻射源必須是同溫度下的黑體。第27頁(yè)/共33頁(yè)為了將為了將Kirchhoff Kirchhoff 定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們考察、推導(dǎo)了多種適用條件，定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們考察、推導(dǎo)了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達(dá)式形成了該定律不同層次上的表達(dá)式. .層層 次

18、數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)表達(dá)達(dá)式成立條條件光譜譜，定向光譜譜，半球全波段，半球無(wú)條條件， 為為天頂頂角漫射表面與與黑體處處于熱熱平衡或?qū)?duì)漫灰表面),(),(TT),(),(TT)()(TT(1)(1)漫射表面：指發(fā)射或反射的漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度與空間與空間方向方向無(wú)關(guān)，即符合無(wú)關(guān)，即符合LambertLambert定律的物體表面；定律的物體表面；(2)(2)灰體：指灰體：指光譜吸收比光譜吸收比與與波長(zhǎng)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體，其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形無(wú)關(guān)的物體，其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個(gè)相同的比例。式上完全一樣，只是減小了一個(gè)相同的比例。第28頁(yè)/共33頁(yè)某漫射表面溫度某漫射表面溫度T1T1300K300K，其單色吸收率如圖。把它，其單色吸收率如圖。把它放在壁溫放在壁溫T2=1200KT2=1200K的黑體空腔中，計(jì)算此表面的吸收的黑體空腔中，計(jì)算此表面的吸收率和發(fā)射率率和發(fā)射率69. 0)1 ()()(d)(d)(),()50(2)50(15225021020211bbbbbbbFFEdTEdTETETET漫射表面溫度漫射表面溫度T1300K),(),(TT11. 0)1 ()()()()50(2)5