热辐射

崇明县新光中学课堂教案设计表课题

热在固体中和真空中的传递

授课

时间

课时

教学目标知识目标：通过热在金属中的传递实验，知道热在固体以传导的方式传递。

能力目标：初步学会运用理论推测的方法揭示固体的热传递方式

情感目标：通过辐射传递热的实验，知道热在空气中除通过对流方式外还可以通过辐射等方式传递。

重点难点教学重点：1．热在固体中以传导的方式传递。

2．辐射传热不需要介质。

教学难点：1．通过粒子理论解释传导现象。

2．辐射传热的现象以及辐射与传导、对流传热的根本差异

学情

教情

分析

教学

准备

铜棒、隔热板、氯化钴试纸、酒精灯\温度计2支，100瓦灯泡、灯座、接线板。

教学过程设计

教学

过程

教师活动学生活动设计意图

导入新课在屏幕上投出物质的三态粒

子构成模式图以及相关表

格。

让学生明确热在固体中不

可能通过对流传递。

◆回顾物质的三态特性，

并复习热在气体和液体

中的传递方式——对

流。

明确热在固体中不可能通过

对流传递。

教学

过程

教师活动学生活动设计意图

教授新课实验1

◆提问：为什么要将氯化

钴试纸能湿？

◆提问：为什么在铜棒靠

近酒精灯一侧加隔热

板。

◆提问：为什么A氯化钴

试纸最先变绿？最先A

变绿然后B变绿最后C

变绿的实验结果可以得

出什么结论？

◆注视教师的实验操作过

程并思考教师提出的问

题。

通过实验现象知道热在固体

中从高温的一端传递到低温

的一端的方式称为传导

说明：隔热板可使用

泡沫塑料制作但在靠

近火焰一侧需加硬纸

板。

教授新课2.屏幕上投出实验装置或使

用教材中的图片作参考。

要求思考为什么两支温度计

的安装位置不同？

◆预测实验结果。

◆为什么要记录两支温度

计的起始温度

◆实验结果的分析。

①要对实验结果进行

比较分析。

②两支温度计升温幅度不

同的原因是由于热在空气中

可以通过对流和辐射等方式

传递。

◆观看图片并安装实验

装置。

◆思考：为什么两支温

度计的安装位置不

同？

◆预测实验结果，并填

写工作纸。

◆记录两支温度计的起

始温度。

◆记录5分钟后两支温

度计温度。

组内分析实验结果。

列举辐射传递热的

例子

小结

热在固体中从高温的一端传递到低温的一端的方式称为传导

热在空气中可以通过对流和辐射等方式传递。

作业

反思

与重

建

常用材料热辐射系数

热分析材料导热系数汇总材料导热系数 Metal Material Conductivity Density W/m-C kg/m 3 Aluminum, 2024, Temper-T3 121 2.80E+03 Aluminum, 2024, Temper-T351 143 2.80E+03 Aluminum, 2024, Temper-T4 121 2.80E+03 Aluminum, 5052, Temper-H32 138 2.68E+03 Aluminum, 5052, Temper-O 144 2.69E+03 Aluminum, 6061, Temper-O 180 2.71E+03 Aluminum, 6061, Temper-T4 154 2.71E+03 Aluminum, 6061, Temper-T6 167 2.71E+03 Aluminum, 7075, Temper-O 130 2.80E+03 Aluminum, 7075, Temper-T6 130 2.80E+03 Aluminum, A356, Temper-T6 128 2.76E+03 Aluminum, Al-Cu, Duralumin, 95%Al-5%Cu 164 2.79E+03 Aluminum, Al-Mg-Si, 97%Al-1%Mg-1%Si-1%Mn 177 2.71E+03 Aluminum, Al-Si, Alusil, 80%Al-20%Si 161 2.63E+03 Aluminum, Al-Si, Silumim, 86.5%Al-1%Cu 137 2.66E+03 Aluminum, Pure 220 2.71E+03 Beryllium, Pure 175 1.85E+03 Brass, Red, 85%Cu-15%Zn 151 8.80E+03 Brass, Yellow, 65%Cu-35%Zn 119 8.80E+03 Copper, Alloy, 11000 388 8.93E+03 Copper, Aluminum bronze, 95%Cu-5%Al 83 8.67E+03 Copper, Brass, 70%Cu-30%Zn 111 8.52E+03 Copper, Bronze, 75%Cu-25%Sn 26 8.67E+03 Copper, Constantan, 60%Cu-40%Ni 22.7 8.92E+03 Copper, Drawn Wire 287 8.80E+03 Copper, German silver, 62%Cu-15%Ni-22%Zn 24.9 8.62E+03 Copper, Pure 386 8.95E+03 Copper, Red brass, 85%Cu-9%Sn-6%Zn 61 8.71E+03

ANSYS热分析详解

第一章简介一、热分析的目的热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中 ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。三、ANSYS 热分析分类 ?稳态传热：系统的温度场不随时间变化 ?瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化四、耦合分析 ?热－结构耦合 ?热－流体耦合 ?热－电耦合 ?热－磁耦合 ?热－电－磁－结构耦合等

第二章基础知识一、符号与单位 W/m 2-℃ 二、传热学经典理论回顾热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律: ● 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕 PE KE U W Q ?+?+?=- 式中: Q —— 热量; W —— 作功; ?U ——系统内能; ?KE ——系统动能； ?PE ——系统势能； ● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ??； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ?=； ● 对于稳态热分析：0=?=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ● 对于瞬态热分析：dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。三、热传递的方式 1、热传导热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：dx dT k q -=''，式中''q 为热流密度（W/m 2），k 为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。

热辐射计算公式

传热学课程自学辅导资料（热动专业）二○○八年十月

传热学课程自学进度表教材：《传热学》教材编者：杨世铭陶文铨出版社：高教出版时间：2006 1

注：期中（第10周左右）将前半部分测验作业寄给班主任，期末面授时将后半部分测验作业直接交给任课教师。总成绩中，作业占15分。 2

传热学课程自学指导书第一章绪论一、本章的核心、重点及前后联系（一）本章的核心 1、导热、对流、辐射的基本概念。 2、传热过程传热量的计算。（二）本章重点 1、导热、对流、辐射的基本概念。 2、传热过程传热量的计算。（三）本章前后联系简要介绍了热量传递的三种基本方式和传热过程二、本章的基本概念、难点及学习方法指导（一）本章的基本概念 1、热传导导热（Heat Conduction）：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热。特点：从宏观的现象看，是因物体直接接触，能量从高温部分传递到低温部分，中间没有明显的物质迁移。从微观角度分析物体的导热机理：气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。导电固体：自由电子不规则运动相互碰撞的结果，自由电子的运动对其导热起主导作用。非导电固体：通过晶格结构振动所产生的弹性波来实现热量传递，即院子、分子在其平衡位置振动。液体：第一种观点类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。热流量：单位时间传递的热量称为热流量，用Ф表示，单位为W。 3

热辐射基本定律

热辐射的基本定律 ? ?smyt_1983 ?2位粉丝 ? 1楼在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。太阳对大地的照射是最常见的辐射现象。高炉中灼热的火焰会烘烤得人们难以忍受…太阳对人造卫星的辐射，会使卫星的朝阳面的温度明显地高于卫星背阳面的温度；高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构与强度设计，等等。特别是近年来，人类对太阳能的利用，都大大地促进了人们对辐射换热的研究。本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律；然后重点讨论物体之间的辐射换热规律；最后对气体辐射换热的特点作扼要的介绍。第一节基本概念 1－1 热辐射的本质和特征由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。人们根据电磁波不同效应把电磁波分成若干波段。波长λ＝0.38一0.76μm的电磁波段称为可见光波段λ＝0. 76—1000 μm的电磁波段称为红外波段(一般将红外波段范围又分为近红外波段和远红外波段，近红外波段为λ＝0.7—25μm，远红外波段为λ＝25—1000μm)；波长大于1000μm的电磁波段称为无线电波段(根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段)；波长小于0.4μm的电磁波依次分为紫外线、x射线和Y射线等。可见光和红外线以及紫外线的一部分被物体吸收后产生热效应，即波长λ＝0.1—1000 μm范围内的电磁技能被物体吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热射线。因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范围，所以本课程所感兴趣的将是热射线，下面将专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。一、热辐射的本质和特点

热辐射成像实验

实验3 热辐射成像实验热辐射是19世纪发展起来的新学科，至19世纪末该领域的研究达到顶峰，以致于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。黑体辐射实验是量子论得以建立的关键性实验之一，也是高校实验教学中一重要实验。物体由于具有温度而向外辐射电磁波的现象成为热辐射，热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0到∞，而一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。物体在向外辐射的同时，还将吸收从其他物体辐射的能量，且物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。【实验目的】 1、研究物体的辐射面、辐射体温度对物体辐射能力大小的影响，并分析原因。 2、测量改变测试点与辐射体距离时，物体辐射强度P 和距离S 以及距离的平方S 2的关系，并描绘P-S 2曲线。 3、依据维恩位移定律，测绘物体辐射能量与波长的关系图。 4、测量不同物体的防辐射能力，你能够从中得到哪些启发？（选做） 5、了解红外成像原理，根据热辐射原理测量发热物体的形貌（红外成像）。【实验原理】热辐射的真正研究是从基尔霍夫（G.R.Kirchhoff ）开始的。1859年他从理论上导入了辐射本领、吸收本领和黑体概念，他利用热力学第二定律证明了一切物体的热辐射本领r (ν,T )与吸收本领α(ν,T )成正比，比值仅与频率ν和温度T 有关，其数学表达式为： ),() ,(),(T F T T r νναν= （3-1）式中F (ν,T )是一个与物质无关的普适函数。在1861年他进一步指出，在一定温度下用不透光的壁包围起来的空腔中的热辐射等同于黑体的热辐射。1879年，斯特藩（J.Stefan ）从实验中总结出了黑体辐射的辐射本领R 与物体绝对温度T 四次方成正比的结论；1884年，玻耳兹曼对上述结论给出了严格的理论证明，其数学表达式为： 4T R T σ= （3-2）即斯特藩-玻耳兹曼定律，其中4212/10673.5K cm w -?=σ为玻耳兹曼常数。 1888年，韦伯（H.F.Weber ）提出了波长与绝对温度之积是一定的。1893年维恩（wilhelmwien ）从理论上进行了证明，其数学表达式为：

EFD仿真材料热辐射系数表

Emissivity Coefficients of some common Materials The radiation heat transfer emissivity coefficient of some common materials as aluminum, brass, glass and many more Sponsored Links The emissivity coefficient - - indicates the radiation of heat from a 'grey body' according the Stefan-Boltzmann Law, compared with the radiation of heat from a ideal 'black body' with the emissivity coefficient = 1. The emissivity coefficient - - for some common materials can be found in the table below. Note that the emissivity coefficients for some products varies with the temperature. As a guideline the emmisivities below are based on temperature 300 K. Surface Material Emissivity Coefficient - - Alloy 24ST Polished 0.9 Alumina, Flame sprayed 0.8 Aluminum Commercial sheet 0.09 Aluminum Foil 0.04 Aluminum Commercial Sheet 0.09 Aluminum Heavily Oxidized 0.2 - 0.31 Aluminum Highly Polished 0.039 - 0.057 Aluminum Anodized 0.77 Aluminum Rough 0.07 Antimony, polished 0.28 - 0.31 Asbestos board and paper 0.94 Asphalt 0.93 Basalt 0.72 Beryllium 0.18 Beryllium, Anodized 0.9 Bismuth, bright 0.34 Black Body Matt 1.00 Black Parson Optical 0.95 Black Silicone Paint 0.93 Resources, Tools and Basic Information for Engineering and Design of Technical Applications! Web The Engineering ToolBox Search

补充3-ANSYS热辐射分析

第六章热辐射分析 6.1热辐射的定义热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：式中：—物体表面的绝对温度； —Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为 5.67×10-8 6.2基本概念下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：黑体黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体；通常的物体为“灰体”，即ε< 1；在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；辐射率（黑度）物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。式中：－辐射率（黑度）－物体表面辐射热量－黑体在同一表面辐射热量形状系数形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。表面I与表面J之间的形状系数为：形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；由于能量守恒，所以：

根据相互原理：由辐射矩阵计算的形状系数为：式中：－单元法向与单元I,J连线的角度－单元I,J重心的距离有限单元模型的表面被处理为单元面积dA I 及dA J ，然后进行数字积分。辐射对在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的或是闭合的。在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。 Radiosity 求解器当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。而面上的热流为接下来的热传导分析提供了有限元模型的边界条件。重复上面的过程，就会由于新的时间步或者新的迭代循环会得到新的热流边界条件，从而计算出新的温度分布。在计算中使用的每个表面的温度必须是均匀的，这样才能满足辐射模型的条件。 6.3分析热辐射问题针对不同的情况ANSYS为热辐射分析提供了四种方法。热辐射线单元（LINK31），模拟两节点间（或多对节点）间辐射；表面效应单元（SURF151及SURF152），模拟点对面（线）的辐射；利用AUX12生成辐射矩阵，模拟更一般的面与面（或线与线）的辐射(只有ANSYS/Multiphysics ANSYS/Mechanical和ANSYS/Professional这些产品提供辐射矩阵生成器)； Radiosity求解器方法，求解二维、三维面与面之间的热辐射，该方法对所有含温度自由度的二维和三维单元都适用。(只有ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical 和ANSYS/Professio- nal这些产品提供Radiosity求解器)

黑体辐射实验

实验十黑体辐射实验实验者：头铁的小甘引言：任何物体，只要温度大于绝对零度，就会向周围发生辐射，这称为温度辐射。黑体是指能够完全吸收所有外来辐射的物体，处于热平衡时，黑体吸收的能量等于辐射的能量，由于黑体具有最大的吸收本领，因而黑体也就具有最大的辐射本领。这种辐射是一种温度辐射，辐射的光谱分布只与辐射体的温度有关，而与辐射方向及周围环境无关。 6000o K 5000o K 4000o K 3000o K 图 1 黑体辐射能量分布曲线黑体辐射 p lanck 公式十九世纪末，很多著名的科学家包括诺贝尔奖获得者，对黑体辐射进行了大量实验研究和理论分析，实验测出黑体的辐射能量在不同温度下与辐射波长的关系曲线如图 1 所示，对于此分布曲线的理论分析，历上曾引起了一场巨大的风波，从而导致物理世界图像的根本变革。维恩试图用热力学的理论并加上一些特定的假设得出一个分布公式－维恩公式。这个分布公式在短波部分与实验结果符合较好，而长波部分偏离较大。瑞利和金斯利用经典电动力学和统计物理学也得出了一个分布公式，他们得出的公式在长波部分与实验结果符合较好，而在短波部分则完全不符。如图 2。因此经典理论遭到了严重失败，物理学历史上出现了一个变革的转折点。实验原理： Planck 提出：电磁辐射的能量只能是量子化的。他认为以频率ν做谐振动的振子其能量只能取某些分立值，在这些分立值决定的状态中，对应的能量应该是某一最小能量的 h ν整数倍，即 E=nh ν,n=1,2,3,…，h 即是普朗克常数。在此能量量子化的假定下，他推导出了著名的普朗克公式 )() 1(35 1 2--= Wm e C E T C T λλλ

热辐射

热辐射在生活与工厂中的应用冶金12-A1 马凯李景玉汪鹏飞一、热辐射﹙thermal radiation ﹚ 物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热量传递的3种方式之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。二、热辐射 - 特点热辐射的本质决定了热辐射过程有如下三个特点： ⑴辐射换热与导热、对流换热不同、它不依赖物体的接触而进行热量传递，而导热和对流换热都必须由冷、热物体直接接触或通过中间介质相接触才能进行。

⑵辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体的部分内能转化为电磁波能发射出去，当此波能射及另一物体表面而被吸收时，电磁波能又转化为内能。 ⑶一切物体只要其温度T＞0K，都会不断地发射热射线。当物体间有温差时，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量，因此总的结果是高温物体把能量传给低温物体。即使各个物体的温度相同，辐射换热仍在不断进行，只是每一物体辐射出去的能量，等于吸收的能量，从而处于动平衡的状态。关于热辐射，其重要规律有4个:基尔霍夫辐射定律、普朗克辐射分布定律、斯蒂藩·玻耳兹曼定律、维恩位移定律，这 4 个定律。有时统称为热辐射定律。三、发展历史 1889年O.lummer等测定了黑体辐射光谱能量分布的实验数据。 1879年J.Stefan根据实验数据确立了黑体辐射力正比绝对温度的四次方规律。 1884年L.Boltzmann从理论上证实了上述定律。

热辐射

崇明县新光中学课堂教案设计表课题热在固体中和真空中的传递授课时间课时教学目标知识目标：通过热在金属中的传递实验，知道热在固体以传导的方式传递。能力目标：初步学会运用理论推测的方法揭示固体的热传递方式情感目标：通过辐射传递热的实验，知道热在空气中除通过对流方式外还可以通过辐射等方式传递。重点难点教学重点：1．热在固体中以传导的方式传递。 2．辐射传热不需要介质。教学难点：1．通过粒子理论解释传导现象。 2．辐射传热的现象以及辐射与传导、对流传热的根本差异学情教情分析教学准备铜棒、隔热板、氯化钴试纸、酒精灯\温度计2支，100瓦灯泡、灯座、接线板。教学过程设计教学过程教师活动学生活动设计意图导入新课在屏幕上投出物质的三态粒子构成模式图以及相关表格。让学生明确热在固体中不可能通过对流传递。 ◆回顾物质的三态特性，并复习热在气体和液体中的传递方式——对流。明确热在固体中不可能通过对流传递。教学过程教师活动学生活动设计意图教授新课实验1 ◆提问：为什么要将氯化钴试纸能湿？ ◆提问：为什么在铜棒靠近酒精灯一侧加隔热板。 ◆提问：为什么A氯化钴试纸最先变绿？最先A 变绿然后B变绿最后C 变绿的实验结果可以得出什么结论？ ◆注视教师的实验操作过程并思考教师提出的问题。通过实验现象知道热在固体中从高温的一端传递到低温的一端的方式称为传导说明：隔热板可使用泡沫塑料制作但在靠近火焰一侧需加硬纸板。

教授新课2.屏幕上投出实验装置或使用教材中的图片作参考。要求思考为什么两支温度计的安装位置不同？ ◆预测实验结果。 ◆为什么要记录两支温度计的起始温度 ◆实验结果的分析。 ①要对实验结果进行比较分析。 ②两支温度计升温幅度不同的原因是由于热在空气中可以通过对流和辐射等方式传递。 ◆观看图片并安装实验装置。 ◆思考：为什么两支温度计的安装位置不同？ ◆预测实验结果，并填写工作纸。 ◆记录两支温度计的起始温度。 ◆记录5分钟后两支温度计温度。组内分析实验结果。列举辐射传递热的例子小结热在固体中从高温的一端传递到低温的一端的方式称为传导热在空气中可以通过对流和辐射等方式传递。作业反思与重建

基础科学黑体红外热辐射实验

黑体红外热辐射实验热辐射是19世纪发展起来的新学科，至19世纪末该领域的研究达到顶峰，以致于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。黑体辐射实验是量子论得以建立的关键性实验之一，也是高校实验教学中一重要实验。物体由于具有温度而向外辐射电磁波的现象成为热辐射，热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0到∞，而一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。物体在向外辐射的同时，还将吸收从其他物体辐射的能量，且物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。 1. 1862年，基尔霍夫根据实验提出了理想黑体的概念 2. 1896年，维恩把热力学考察和多普勒原理结合起来，应用到空腔辐射的压缩。他指出，在一定温度下的辐射密度可以通过反射壁包围辐射区域的绝热收缩或绝热膨胀，转变到另一温度的辐射，从而得出了黑体辐射的能量按波长（或频率）分布的公式，又称维恩公式。这个公式的短波部分同实验数据很好符合，并足以解释为什么光谱的极大强度在黑体的温度升高时愈来愈向短波方向移动。 3. 1900年，瑞利应用经典统计力学和电磁理论来计算一个封闭腔的热辐射。他指出，随着封闭腔被加热，那么腔中将建立一个电磁场，这个电磁场可分解成为一个具有不同频率和不同方向的驻波系统，每一个这样的驻波就是电磁场的一个基本状态。于是在一定频率间隔内的场能的计算变为去导出基元驻波的个数，由此得到一个新的热辐射公式。可是瑞利在推导中错了一个因数8，这个错误为英国当时只有27岁的金斯所发现。他于1905年给《自然》杂志的一封信中加以修正，即把原来的瑞利公式用8去除，得到了现在称之为瑞利-金斯公式。这是企图用古典理论来处理黑体辐射的又一重要尝试。这个公式表明，辐射能量密度的频率分布正比于频率的平方。于是在长波部分与实验数据基本相符，但在短波部分却完全不相符合，因此此时按公式计算而得到的辐射能量将变成无穷大，显然这是不可能的。古典理论与实验事实产生了很大的矛盾，这种情况曾被荷兰物理学家埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。事实上，维恩公式与瑞利—金斯公式，各从一个侧面反映出物体辐射中的部分规律，但在解释全部热辐射现象却产生了矛盾和“灾难”，这就充分暴露了经典物理学本身的缺陷。 4. 1900年，普朗克指出，为了得到和实验符合的黑体辐射公式（普朗克公式），必须抛弃经典物理学中关于物体可以连续辐射或吸收能量的概念，而代之以新的概念。他认为可以将构成黑体腔壁的物质看作带电的线性谐振子，它们和腔内的电磁场交换能量（辐射或吸收能量）。而这些微观谐振子只能处于某些特定的状态，在这些状态中它们的能量是最小能量ε0的整数倍。它辐射或吸收能量时只能由一个可能状态跃迁到另一可能状态，即能量只可一份一份地改变，而不能连续地变化。这最小能量ε0称为能量子，它与振子的振动频率v成正比，比例系数就是h （普朗克常数），ε0=hv根据这些假设可以成功地导出普朗克黑体辐射公式。普朗克的能量子假说，突破了经典物理学的旧框架，首次提出了微观系统的量子特性，从而打开了认识微观世界的大门，是现代物理学史上又一次革命性的发现。【实验目的】 1.了解黑体辐射的历史并明白它在近代物理学发展中的重要地位。 2.研究物体的辐射面、辐射体温度对物体辐射能力大小的影响。 3.研究物体辐射能量和距离之间的关系。【实验器材】

热辐射实验

1.实验题目：热辐射与红外扫描成像系列实验 2.实验目的 1）学习热辐射的背景知识及相关定律，理解科学家们创造性的思维方法和相关实验技术。 2）学习用虚拟仪器研究热辐射基本定律，测量Planck 常数。 3）了解红外扫描成像的基本原理，掌握扫描成像的实验方法和技术。 4）培养学生运用热辐射的基本原理和相关技术进行基础研究和应用设计的能力。 3.实验内容 1）验证热辐射基本定律，用黑体辐射公式测量Planck 常数 2）研究和测定物体不同表面状态的辐射发射量 3）研究辐射发射量与距离的关系 4）红外扫描成像实验研究 5）红外无损探伤实验研究 6）红外温度计的设计与材料热性质的研究 7）运用热辐射基本定律和本实验装置进行自主应用设计性实验 4.实验原理 1. 了解热辐射的基本概念和定律当物体的温度高于绝对零度时，均有红外光向周围空间辐射出来，红外辐射的物理本质是热辐射。其微观机理是物体内部带电粒子不停的运动导致热辐射效应。热辐射的波长和频率在0.76?100μ之间，与电磁波一样具有反射、透射和吸收等性质。设辐射到物体上的能量为Q ，被物体吸收的能量为Q α，透过物体的能量为Q τ，被反射的能量为Q ρ。由能量守恒定律可得： Q=Q α+Q τ+Q ρ归一化后可得： +1Q Q Q Q Q Q βαταβτ+=++= （1）式中α为吸收率，τ为透射率，ρ为反射率。 1.1 基尔霍夫定律基尔霍夫指出：物体的辐射发射量M 和吸收率α的比值M/α与物体的性质无关，都等同于在同一温度下的绝对黑体的辐射发射量M B ，这就是著名的基尔霍夫定律。

1 212()B M M M f t αα====L （2）基尔霍夫定律不仅对所有波长的全辐射（或称总辐射）而言是正确的，而且对任意单色波长λ也是正确的。 1.2 绝对黑体能完全吸收入射辐射，并具有最大辐射率的物体叫做绝对黑体。实验室中人工制作绝对黑体的条件是：1）腔壁近似等温，2）开孔面积<<腔体。本实验中我们利用红外传感器测量辐射方盒表面的总辐射发射量M 。M 是所有波长的电磁波的光谱辐射发射量的总和，数学表达式为： M M d λλ∞ =∫ （3）上式被称为斯蒂芬-玻尔兹曼定律。不同的物体，处于不同的温度，辐射发射量都不同，但有一定的规律。比辐射率ε的定义：物体的辐射发射量与黑体的辐射发射量之比，即 00d =d B B T B M M M M λλλελελ ∞∞??==????∫∫物体辐射发射量黑体辐射发射量（4）由基尔霍夫定律可知，辐射发射量M与吸收率α的关系：B M M α= 由能量守恒定律和基尔霍夫定律，即公式（1）和（2）联立求解 1B M M αβτα++=??=? 可得: ()1B M M τρ=?? （5）由上述知识可知，若我们测出物体的辐射发射量和黑体的辐射发射量，便可求出物体的吸收率，还可以获得物体反射率和透射率的有关信息。 2. 空气中热辐射的传播规律研究我们知道，许多物理量都与距离 r 的反平方成正比。现代物理学认为，这很大程度上是由空间的几何结构决定的。以天体辐射为例，如果距离 r 的指数比 2 大或者比 2 小，就会影响太阳的辐射场，使地球温度过低或者过高，从而不适合碳基生命形式的存在。那么热源的辐射量与距离的关系是否也遵循这一规律呢？对于球形均值热源和各种不同形状和不同材料构成的热源的辐射量在空气中的衰减规律及其分布是否都遵循反平方定律呢？我们首先引进几个概念。辐射功率 P ：单位时间内传递的辐射能 W ，即

第7章-热辐射的基本定律

第七章热辐射的基本定律在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。太阳对大地的照射是最常见的辐射现象。高炉中灼热的火焰会烘烤得人们难以忍受‘太阳对人造卫星的辐射，会使卫星的朝阳面的温度明显地高于卫星背阳面的温度；高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构与强度设计，等等。特别是近年来，人类对太阳能的利用，都大大地促进了人们对辐射换热的研究。本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律；然后重点讨论物体之间的辐射换热规律；最后对气体辐射换热的特点作扼要的介绍。第一节基本概念 1－1 热辐射的本质和特征由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。人们根据电磁波不同效应把电磁波分成若干波段。波长λ＝0.38一0.76μm的电磁波段称为可见光波段λ＝0.76—1000 μm的电磁波段称为红外波段(一般将红外波段范围又分为近红外波段和远红外波段，近红外波段为λ＝0.7—25μm，远红外波段为λ＝25—1000μm)；波长大于1000μm的电磁波段称为无线电波段(根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段)；波长小于0.4μm的电磁波依次分为紫外线、x射线和Y射线等。可见光和红外线以及紫外线的一部分被物体吸收后产生热效应，即波长λ＝0.1—1000 μm范围内的电磁技能被物体吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热射线。因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范围，所以本课程所感兴趣的将是热射线，下面将专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。一、热辐射的本质和特点 1、发射辐射能是各类物质的固有特性。当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。由于自身温度或热运动的原因面激发产生的电磁波传播，就称热辐射。显然，热辐射是电磁波，电磁波的波长范围可从几万分之一微米到数千米，它们的名称和分类如图所示。通常把λ＝0.1—100μm范围的电磁波称热射线，其中包括可见光线、部分紫外线和红外线具有波动和量子特性。 2、特点热辐射的本质决定了热辐射过程有如下三个特点：

热辐射的研究

热辐射的研究热辐射是19世纪发展起来的一门新学科，它的研究得到了热力学和光谱学的支持，同时用到了电磁学和光学的新兴技术，因此发展很快。到19世纪末，这个领域已经达到这样的高峰，以致于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。热辐射实际上就是红外辐射。1800年，赫谢尔（W.Herschel）在观察太阳光谱的热效应时首先发现了红外辐射，并且证明红外辐射也遵守折射定律和反射定律，只是比可见光更易于被空气和其他介质吸收。1821年，塞贝克（T.J. Seebeck）发现温差电现象并用之于测量温度。1830年，诺比利（L. Nobili）发明了热辐射测量仪。他用温差电堆接收包括红外辐射在内的热辐射能量，再用不同材料置于其间，比较它们的折射和吸收作用。他发现岩盐对热辐射几乎是完全透明的，后来就用岩盐一类的材料做成了各种适用于热辐射的“光学”器件。与此同时，别的国家也有人对热辐射进行研究。例如：德国的夫琅和费在观测太阳光谱的同时也对光谱的能量分布作了定性观测；英国的丁铎尔（J. Tyndall）、美国的克罗瓦（A.P.P. Crova）等人都测量了热辐射的能量分布曲线。其实，热辐射的能量分布问题很早就在人们的生活和生产中有所触及。例如：炉温的高低可以根据炉火的颜色判断；明亮得发青的灼热物体比暗红的温度高；在冶炼金属中，人们往往根据观察凭经验判断火候。因此，很早就对热辐射的能量分布问题发生了兴趣。美国人兰利（https://www.360docs.net/doc/326867981.html,ngley）对热辐射做过很多工作。1881年，他发明了热辐射计，可以很灵敏地测量辐射能量。图19.13就是兰利的热辐射计。他用四个铂电阻丝组成电桥，从检流计测出电阻的温度变化。为了测量热辐射的能量分布，他设计了很精巧的实验装置，用岩盐作成棱镜和透镜，仿照分光计的原理，把不同波长的热辐射投射到热辐射计中，测出能量随波长变化的曲线，从曲线可以明显地看到最大能量值随温度增高向短波方向转移的趋势（图19.14）。1886年，他用罗兰凹面光栅作色散元件，测到了相当精确的热辐射能量分布曲线。兰利的工作大大激励了同时代的物理学家从事热辐射的研究。随后，普林舍姆（E. Pringsheim）改进了热辐射计；波伊斯（C. V. Boys）创制了微量辐射计；帕邢（F. Paschen）又将微量辐射计的灵敏度提高了多倍。这些设备为热辐射的实验研究提供了极为有力的武器。与此同时，理论物理学家也对热辐射展开了广泛研究。1859年，基尔霍夫证明热辐射的发射本领和吸收本领的比值与辐射物体的性质无关，并提出了黑体

第8章热辐射基本定律和辐射特性

第8章热辐射基本定律和辐射特性课堂讲解课后作业【8-10】一等温空腔的内表面为漫射体，并维持在均匀的温度。其上有一个面积为0.022 m 的小孔，小孔面积相对于空腔内表面积可以忽略。今测得小孔向外界辐射的能量为70W ，试确定空腔内表面的温度。如果把空腔内表面全部抛光，而温度保持不变，问这一小孔向外的辐射有何影响？【解】小孔可以当做黑体来处理，4T A Φσ= 498.4496K 02 .01067.570 484 b =??==-A E T σ 小孔的黑体特性与空腔的内表面的性质无关，故不影响小孔向外的辐射。【8-18】暖房的升温作用可以从玻璃的光谱穿透比变化特性解释。有一块厚为3mm 的玻璃，经测定，其对波长为0.3～2.5μm 的辐射能的穿透比为0.9，而对其他波长的辐射能可以认为完全不穿透。试据此计算温度为5800K 的黑体辐射及温度为300K 的黑体辐射投射到该玻璃上时各自的总穿透比。【解】 ()()()()()()()() [] 12212 1 2 1 2 1 2 2 1 1 ~0b ~0b ~b b b b b b b b b b b b b b 0 b 9.09.0d 9 .0d 9.0d d d d d λλλλλλ λλλλλλ λλ λλλλλλλλ λ λλτλ λτλ λτλλτλλττF F F E E E E E E E E E E E E E E -==== = + + ==???????∞ ∞ T 1=5800K ，K m 174058003.011?=?=μλT ，K m 1450058005.212?=?=μλT ()0.032854 1~0b =λF ，()0.9660652~0b =λF ()()[][]0.8398899032854 .0966065.09.09.01 2 ~0b ~0b =-=-=λλτF F T 2=300K ，K m 903003.011?=?=μλT ，K m 0573005.212?=?=μλT ()0.0000288 1~0b =λF ，()0.000242~0b =λF ()()[][]0.000190080.0000288 0.000249.09.01 2 ~0b ~0b =-=-=λλτF F 【8-21】温度为310K 的4个表面置于太阳光的照射下，设此时各表面的光谱吸收比随波长的变化如附图所示。试分析，在计算与太阳能的交换时，哪些表面可以作为灰体处理？为什么？【解】太阳辐射能的绝大部分集中在2μm 以下的区域，温度为310K 的物体辐射能则绝大部分在6μm 以上的红外辐射，由图可见，第一种情形与第三种情形，上述波段范围内单色吸收率相同，因而可以作为灰体处理。

热辐射实验报告

热辐射实验报告组员：丁博G012012297 郝景龙G012012311郭有信G012012115 何思文G012012297付光顺G012012297 一、实验原理理论研究表明处于热平衡时，物体的辐射强度由下式确定：4I=T εσ 上式中的σ=5.6703*-81024W m K 是斯特藩-玻尔兹曼常数；T 是物体的绝对温度，ε 是物体表面的吸收率，一般ε≤1，对于理想辐射体，ε=1。最大光强度对应的波长由下式确定： max c 0.002898m K ==T T λ? T 是物体的绝对温度。二、仪器安装：实验平台线路已连接三、实验内容 1、当立方体处于热平衡时，旋转立方体将其有洞的一面正对红外光传感器，并使两者间距2cm 。 2、用导轨上的夹子确定转动传感器的起始位置，将红外传感器放置在立方体左侧开始扫描。 3、按红外传感器上的清零键“TARE ”，点击数据处理软件的“START ”。移动转动传感器使红外光传感器完整扫描立方体。点击“STOP ”。 4、记录腔体温度。

5、将黑色一面正对红外传感器，重复扫描。按红外传感器的清零键“TARE”，从同一位置开始扫描。 6、将光滑面正对红外传感器，再次扫描。将白色面正对红外传感器，再次扫描。四、注意事项： 1在加热立方腔过程中，注意红外传感器不要正对立方体。 2在移动转动传感器时注意移动速度不要太慢，防止红外传感器过热损坏。 3试验线路不要乱接，防止损坏仪器。五、实验结果

六、实验反思： 1在实验过程中，不要乱改线路。由于我们组实验时盲目按照

课本接线，致使实验无法进行。 2熟练应用软件是实验成功的另一必然要求。当打开软件时，感觉对其都不了解，定义各个接口就花费了我们很长时间。3熟练掌握实验内容，首先应熟识各个实验仪器，如转动传感器、红外光传感器、温度传感器。

黑体热辐射实验

黑体辐射实验（41070101）实验背景：早在1859年，德国物理学家基尔霍夫在总结当时实验发现的基础上，用理论方法得出一切物体热辐射所遵从的普遍规律：在相同的温度下，各辐射源的单色辐出度Mi（λ，T）与单色吸收率αi（λ，T）成正比，其比值对所有辐射源（i=1，2，┄）都一样，是一个只取决于波长λ和温度T的普适函数。而黑色物体对可见光能强烈吸收，则当获取能量时也应有在可见光区的强烈辐射，因而从黑体辐射的角度研究确定普适函数的具体形式就具有极大的吸引力。显然，如果单色吸收率αi （λ，T）=1，则该辐射源的单色辐出度Mi（λ，T）就是要研究的普适函数。而 αi（λ，T）=1的辐射体就是绝对黑体，简称黑体。黑体的辐射亮度在各个方向都相同，即黑体是一个完全的余弦辐射体，辐射能力小于黑体，但辐射的光谱分布与黑体相同的温度辐射体称为灰体。任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向周围发射辐射，这称为温度辐射; 只要其温度在绝对零度以上，也要从外界吸收辐射的能量。处在不同温度和环境下的物体，都以电磁辐射形式发出能量，而黑体是一种完全的温度辐射体，即任何非黑体所发射的辐射通量都小于同温度下的黑体发射的辐射通量；并且，非黑体的辐射能力不仅与温度有关，而且与表面的材料的性质有关，而黑体的辐射能力则仅与温度有关。在黑体辐射中，存在各种波长的电磁波，其能量按波长的分布与黑体的温度有关。实验目的：1、了解黑体辐射实验现象，掌握辐射研究方法； 2、学会仪器调整与参数选择，提高物理数量关系与建模能力； 3、通过验证定律，充实物理假说与思想实验能力。实验仪器： WGH-10型黑体实验装置专门用于进行黑体辐射能量的测量和任意发射光源的辐射能量的测量。可以记录出发光源的辐射能量曲线。在实验时，通过改变光源的温度，分别进行扫描，可以从记录的光谱辐射曲线直接看到维恩位移定律的现象，并能够对普朗克定律、斯忒藩-波尔兹曼定律进行较精确的验证。

热辐射