熱輻射基本定律及物體的輻射特性-wenkub
2022-10-28 16:40:43 本頁面
【正文】 Tm ??? ? ? 圖 66 Planck 定律的圖示 (2)StefanBoltzmann定律 (第二個定律 )： ??? 21?? ? ?dEE bb40 )(510 12 TdecdEETcbb ?????? ???? ??? ??式中， σ= 108 w/(m2?K4)，是 StefanBoltzmann常數(shù)。 圖 65 黑體模型 167。 電磁波的傳播速度： c = fλ 式中： f — 頻率， s1。 第六章 熱輻射及輻射換熱 167。 λ— 波長， μm 電 磁 輻 射 波 譜 圖 61 當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖 。 62 黑體輻射的基本定律 輻射力 E： 單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和。 (3)黑體輻射函數(shù) 黑體在波長 λ 1和 λ 2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力，如圖： 圖 特定波長區(qū)段內(nèi)的 黑體輻射力 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 )， 如圖 ： ??? dds i ndd 2 ???rA c(4)立體角 黑體輻射函數(shù) : )()(1112)0()0(00440)(1212212121TfTfFFdEdETdETdEdEFbbbbbbbb?????????????????????????????????????????? ?????圖 68 立體角定義圖 圖 69 計算微元立體角的幾何關(guān)系 定義： 單位時間內(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)射的一切波長的能量，參見圖 。 Wavelength Direction (angle from the surface normal) 因此，我們需要定義 方向光譜發(fā)射率 ，對于某一指定的方向(?, ?) 和波長 ? ? ? ? ?? ?T, T,θ, T,θ, εb l ack b o d y, em i t t ed act u al, θ, ???????? LL?? ?? ?? ? )()Tθ,(λ T, λ T,θ, T,θ,ε0 b l ack b o d y, 0 em i t t ed act u al, θ TLLdLdLb????????????對上面公式在所有波長范圍內(nèi)積分，可得到方向總發(fā)射率，即 實際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比： ? ? ? ?? ? ? ?? ?T, T, T, T, T, ε b l ack b o d y, em i t t ed act u al, ??????????bEEEE ??對于指定波長，而在方向上平均的情況，則定義了半球光譜發(fā)射率，即 實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比 λE這樣，前面定義的半球總發(fā)射率則可以寫為： ? ?? ? ? ?? ? )(E)(λ T,λ T, T, εTεbem i t t ed act u al0 b l ack b o d y, 0 b l ack b o d y, TTEdEdE????????????半球總發(fā)射率是對所有方向和所有波長下的平均 bb LLLL )()()()( ????? ?? 對應(yīng)于黑體的輻射力 Eb，光譜輻射力 Eb?和定向輻射強(qiáng)度 L，分別引入了三個修正系數(shù)，即，發(fā)射率 ?，光譜發(fā)射率 ?(? )和定向發(fā)射率 ?(? )，其表達(dá)式和物理意義如下 40)(TdEEE bb ????? ?????實際物體的輻射力與黑體輻射力之比 : 實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比： ????bEE?)(實際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比： 漫發(fā)射 的概念：表面的方向發(fā)射率 ?(?) 與方向無關(guān)，即定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)，滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面，這是對大多數(shù)實際表面的一種很好的近似。 圖 實際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜 本節(jié)中，還有幾點需要注意 ，這是由于熱輻射非常復(fù)雜，很難理論確定，實際上是一種權(quán)宜之計； Lambert定律的表面成為漫射表面。 64 實際固體的吸收比和基爾霍夫定律 上一節(jié)簡單介紹了實際物體的發(fā)射情況，那么當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時，該物體對投入輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對其作出解答。 圖 金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長的關(guān)系 圖 618 非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系 灰體 ：光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱為灰體。 如果投入輻射來自黑體，由于 ，則上式可變?yōu)? 1),( 2 ?Tb ??)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性質(zhì)表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb????????????????????????????????????圖 619 物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系 物體的選擇性吸收特性，即對有些波長的投入輻射吸收多，而對另一些波長的輻射吸收少，在實際生產(chǎn)中利用的例子很多，但事情往往都具有雙面性，人們在利用選擇性吸收的同時，也為其傷透了腦筋，這是因為吸收比與投入輻射波長有關(guān)的特性給工程中輻射換熱的計算帶來巨大麻煩，對此，一般有 兩種 處理方法，即 (1)灰體法 ，即將光譜吸收比 ?(?) 等效為常數(shù)，即 ? = ?(?) = const。如圖 620所示，板 1時黑體，板 2是任意物體，參數(shù)分別為Eb, T1 以及 E, ?, T2，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時，有 ??? ????bb EEEE圖 620 平行平板間的輻射換熱 此即 Kirchhoff 定律的表達(dá)式之一。 層 次 數(shù)學(xué)表達(dá)式 成立條件 光譜，定向 光譜，半球 全波段，半球 無條件， ?為天頂角 漫射表面 與黑體處于熱平衡或?qū)?漫灰表面 ),(),( TT ???????? ?),(),( TT ???? ?)()( TT ?? ?表 62 Kirchhoff 定律的不同表達(dá)式 注： (1)漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空間方向無關(guān)，即符合 Lambert定律的物體表面； (2)灰體：指光譜吸收比與波長無關(guān)的物體，其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個相同的比例。 但叫得最多的是角系數(shù) 。 (1) 角系數(shù) ：有兩個表面 ， 編號為 1和 2， 其間充滿透明介質(zhì) ， 則表面 1對表面 2的角系數(shù) X1,2是：表面 1直接 投射到表面 2上的能量 ， 占表面 1輻射能量的百分比 。 圖 有效輻射示意圖 的有效輻射表面的投入輻射對表面表面1212,1 ?X同理 ， 也可以定義
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