熱輻射

熱輻射

熱輻射,thermal radiation ,物體由於具有溫度而輻射電磁波的現象。熱量傳遞的3種方式之一。一切溫度高於絕對零度的物體都能產生熱輻射,溫度愈高,輻射出的總能量就愈大,短波成分也愈多。熱輻射的光譜是連續譜,波長覆蓋範圍理論上可從0直至∞,一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播。由於電磁波的傳播無需任何介質,所以熱輻射是在真空中唯一的傳熱方式。

基本信息

分布

熱輻射熱輻射

溫度較低時,主要以不可見的紅外光進行輻射,當溫度為300℃時熱輻射中最強的波長在紅外區。當物體的溫度在500℃以上至800℃時,熱輻射中最強的波長成分在可見光區。

關於熱輻射,其重要規律有4個:基爾霍夫輻射定律、普朗克輻射分布定律、斯蒂藩-玻耳茲曼定律、維恩位移定律。這4 個定律,有時統稱為熱輻射定律。

物體在向外輻射的同時,還吸收從其他物體輻射來的能量。物體輻射或吸收的能量與它的溫度、表面積、黑度等因素有關。但是,在熱平衡狀態下,輻射體的光譜輻射出射度(見輻射度學和光度學)r(λ,T)與其光譜吸收比a(λ,T)的比值則只是輻射波長和溫度的函式,而與輻射體本身性質無關。

上述規律稱為基爾霍夫輻射定律,由德國物理學家G.R.基爾霍夫於1859年建立。式中吸收比a 的定義是:被物體吸收的單位波長間隔內的輻射通量與入射到該物體的輻射通量之比。該定律表明,熱輻射輻出度大的物體其吸收比也大,反之亦然。

黑體是一種特殊的輻射體,它對所有波長電磁輻射的吸收比恆為1。黑體在自然條件下並不存在,它只是一種理想化模型,但可用人工製作接近於黑體的模擬物。即在一封閉空腔壁上開一小孔,任何波長的光穿過小孔進入空腔後,在空腔內壁反覆反射,重新從小孔穿出的機會極小,即使有機會從小孔穿出,由於經歷了多次反射而損失了大部分能量 。對空腔外的觀察者而言,小孔對任何波長電磁輻射的吸收比都接近於1,故可看作是黑體。將基爾霍夫輻射定律套用於黑體,由此可見,基爾霍夫輻射定律中的函式f(λ,T)即黑體的光譜輻射出射度。

發展歷史

M.PlanckM.Planck

1889年O.lummer等測定了黑體輻射光譜能量分布的實驗數據。

1879年J.Stefan根據實驗數據確立了黑體輻射力正比絕對溫度的四次方規律。

1884年L.Boltzmann從理論上證實了上述定律。

1896年Wien位移定律。

19世紀末L.Rayleigh-J.H.Jeans公式。

1900年M.Planck定律。

特點

熱輻射的特點:

1、任何物體,只要溫度高於0K ,就會不停地向周圍空間發出熱輻射;

2、可以在真空和空氣中傳播;

3、伴隨能量形式的轉變;

4、具有強烈的方向性;

5、輻射能與溫度和波長均有關;

6、發射輻射取決於溫度的4次方。

本質

人體熱輻射人體熱輻射

(1) 輻射:物體以電磁波的方式向外傳遞熱量的過程。

(2)輻射能:物體以電磁波的方式向外傳遞的能量。

通常以輻射表示輻射能。

(3) 熱輻射:因熱引起的電磁波輻射稱為熱輻射。它是由物體內部微觀粒子在運動狀態改變時所激發出來的。激發出來的能量分為紅外線、可見光和紫外線等。其中紅外線對人體的熱效應顯著。

(4) 能量轉換:內能->輻射能->內能

A 物體(發射)----> B 物體(吸收)

(5) 輻射換熱:是指物體之間相互輻射和吸收過程的總效果。當物體的溫度處於平衡時,則它們之間輻射和吸收的能量相等,處於熱的動平衡狀態。

(6) 電磁波的速率、波長和頻率的關係:

c= nl

電磁波的特性取決於波長或頻率。在熱輻射分析中通常用波長來描述電磁波。

(7) 電磁波的波譜

熱射線的本質決定了熱輻射過程有如下特點:

(1) 它是依靠電磁波向物體傳輸熱量,而不是依靠物質的接觸來傳遞熱量。

(2) 輻射換熱過程中伴隨著能量的兩次轉換:物體的內能 ® 輻射能;

(接受)輻射能 ® (轉換)內能

(3) 一切物體只要其溫度 T>0K ,都在不斷發射熱射線。

電磁波具有波粒二象性。

2.輻射能的吸收、反射、透射

熱射線與光的特性相同,所以光的投射、反射、折射規律對熱射線也同樣適用。

3. 根據能量守恆定律有:

Q= Qr + Qa + Qd

1= Qr / Q + Qa / Q + Qd/ Q

=r+a+d

r ——反射率; a ——吸收率; d ——透過率。

當吸收率 a=1 時,表明物體能將投射到它表面的熱射線全部吸收,稱為絕對黑體,簡稱黑體。

當反射率 r =1 時,表明物體能將投射到它表面的熱射線全部反射出去,稱為絕對白體,簡稱白體。

當是鏡反射(入射角 = 反射角)則稱鏡體。

當 d=1 時,稱為絕對透明體,簡稱透明體,又稱介熱體、透熱體。

應該指出:上面所說的黑體、白體、透明體均是對熱射線而言,而不是對可見。

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