文档介绍：第2章热辐射定律及辐射源1
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第2章热辐射定律及辐射源
物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。热辐射是自然界中普遍存在的现象,一切物体,只要其温度高于绝对零度(-°C)都将产生辐射。黑体(或称绝对黑体)是一个能完全吸收入射在它上面的辐射能的理想物体,其在辐射度学中占有十分重要的地位。黑体辐射在辐射度学中起到了基准的作用。黑体本身也不是一个抽象的概念。现实世界中许多光源可认为或近似认为是黑体。
黑体辐射的基本定律
(1) 基尔霍夫定律当辐射能入射到物体表面时,一部分能量被物体吸收, 一部分能量从物体表面反射,一部分透射。 1859年基尔霍夫指出:物体的辐射出射度M和吸收本领a 的比值M/a与物体的性质无关,都等于同一温度下绝对黑体(a=1)的辐射出射度M0—基尔霍夫定律基尔霍夫定律不但对所有波长的全辐射,而且对波长为λ的任何单色辐射都是正确的,即
M 1λ M 2 λ= = ……= M 0 λ= f (λ, T ) a1λ a2 λ
M1 M 2 = = ……= M 0 = f (T ) a1 a2
基尔霍夫定律是一切物体热辐射的普遍定律: 吸收本领大的物体,其发射本领也大, 如果物体不能发射某波长的辐射, 则也不能吸收该波长的辐射。绝对黑体对于任何波长在单位时间,单位面积上发出或吸收的辐射能都比同温度下的其它物体要多。引入辐射发射率或比辐射率ελλλ 0λ eλ Mλ 0 ≤ελ= ≤1 =
M (T) =ε(T)M (T)
M 0λ
ελ是λ、T和表面性质的函数黑体,ελ=1; 灰体,ελ=ε<1,与波长无
关选择体,ε<1
e0 λ
一些常用材料及地面覆盖物的辐射发射率
材料毛面铝氧化的铁面磨光的钢板铁锈无光泽黄铜板非常纯的水银混凝土干的土壤麦地温度(°C) 26 125~525 940~1100 500~1200 50~350 0~100 20 20 20
ε
~ ~ ~ ~
材料平滑的冰黄土雪皮肤·人体水毛面红砖无光黑漆白色瓷漆光滑玻璃牧草
温度(°C) 20 20 -10 32 0~100 20 40~95 23 22 20
ε
~ ~
黑体辐射的基本定律
(2) 普朗克辐射定律 1900年,普朗克提出一种与经典理论完全不同的学说, 建立了辐射出射度公式。最常用的形式是以波长表示的方式
M 0 (λ, T ) = 1 λ5 exp(c2 / λT ) ? 1 c1
其中, 第一辐射常数 c1=2πhc2=×10-16(W?m2); 第二辐射常数 c2=hc/k=×10-2 (m?K); k为波尔兹曼常数; c为光速。
黑体辐射的基本定律
由于光波的波长与频率v可通过光速进行转换,因此,普朗克公式也可用频率表示 2π hν 3 M 0 (ν, T ) = c exp(hν/ λT ) ? 1 由于黑体是朗伯辐射体,故也可得到辐亮度公式 c 1 L0 (λ, T ) = 15 πλ exp(c2 / λT ) ? 1 若exp(c2/λT)>>1, 可改写维恩近似式
M 0 (λ, T ) ≈
λ
c1
5
exp( ?c2 / λT )
物理意义:黑体辐射的光谱分布
黑体辐射的基本定律
(3) 斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬—玻尔兹曼定律在全波长内普朗克公式积分,得到黑体辐射出射度与温度之间的关系——斯蒂芬—玻尔兹曼定律∞ c1π 4 4 M 0 (T ) = ∫ M 0 (λ, T )d λ= T = σT 4 [W/m2] 4 0
4 其中, σ= c1π 4 /15c2 =×10-8 (W?m-2?K-4)称为斯蒂芬—玻尔兹曼常数。
15c2
物理意义: 黑体在单位面积单位时间内辐射的总能量与黑体温度T的四次方成正比。
黑体辐射的基本定律
(4) 维恩位移定律黑体光谱辐射是单峰函数,利用极值条件?M 0 (λ, T ) ?λ= 0 求得峰值波长λm满足维恩位移定律
几个黑体辐射的特征波长
关系式
λmT = b
(μm?K)
波长峰值波长半功率(3dB) 波长中心波长