热辐射的基本规律
热辐射的规律
热辐射的规律热辐射是一种物体由于其温度而产生的电磁辐射现象，是物体内部分子振动引起的。
根据斯特藩-玻尔兹曼定律，热辐射的辐射能量密度正比于温度的四次方。
这意味着温度越高，辐射能量密度越大，辐射出的光谱也越短波长。
热辐射规律在自然界中随处可见。
太阳作为地球上最重要的热辐射源，发出的热辐射使得地球获得能量并维持生态系统的平衡。
夜晚的星空中，恒星发出的热辐射让我们看到美丽的星光。
地球的大气层也会吸收和辐射热能，形成温室效应，维持地球的温度适宜生命存在。
在工业生产中，热辐射也扮演着重要的角色。
工业炉燃烧产生的热辐射能源被用于加热材料、生产电力等工艺。
人们利用太阳能光伏电池板，将太阳的热辐射转化为电能，实现清洁能源的利用。
在日常生活中，我们也可以感受到热辐射的存在。
炉灶上的火焰、电热水壶的加热、暖气片散发的热量，都是热辐射的表现。
我们在冬天里暖暖的被窝中感受到的温暖，也是热辐射的结果。
热辐射不仅存在于宏观世界中，也存在于微观世界中。
原子和分子之间的振动和旋转运动产生的热辐射被称为分子热辐射。
分子热辐射是一种宏观物体所不具备的微观现象，它在大气层的能量传递中起着重要作用。
热辐射的规律性使得人类能够利用热能进行生产和生活。
人们通过深入研究热辐射的特性，不断开发新的利用方式和技术，以提高能源利用效率，减少环境污染。
热辐射作为一种基本的物理现象，贯穿于人类社会的各个领域，为人类的发展和进步提供了重要支撑。
总的来说，热辐射的规律性在自然界和人类社会中都具有重要意义。
通过深入研究热辐射现象，人类可以更好地理解能量的传递和转化规律，为可持续发展和环境保护提供重要的科学依据。
希望未来能够进一步挖掘热辐射的潜力，开发更多高效、清洁的能源利用方式，为人类社会的可持续发展做出更大贡献。
热辐射基尔霍夫定律
热辐射基尔霍夫定律热辐射基尔霍夫定律热辐射基尔霍夫定律是描述物体在任意温度下发出的热辐射的规律，它是热辐射理论中的基本定律之一。
本文将从以下几个方面详细介绍热辐射基尔霍夫定律。
一、基尔霍夫定律的概念基尔霍夫定律是指在任意温度下，物体发出的热辐射功率与其表面积、温度和发射率有关。
具体来说，一个黑体在单位时间内向所有方向发出的总辐射功率等于其表面积与斯特藩-玻尔兹曼常数和温度的四次方之积相乘。
而对于非黑体来说，它们所发出的辐射功率则等于其表面积、温度和发射率三者之积相乘。
二、黑体和非黑体在讨论基尔霍夫定律时，需要先了解黑体和非黑体的概念。
所谓黑体是指能够完全吸收所有入射光线并将其全部转化为热能并且不会反射或透过任何光线的物体。
而非黑体则是指不能完全吸收所有入射光线并且会反射或透过一部分光线的物体。
三、斯特藩-玻尔兹曼常数斯特藩-玻尔兹曼常数是热辐射理论中的重要常数之一，它的值约为5.67×10^-8 W/(m^2·K^4)。
这个常数描述了热辐射功率与温度之间的关系，即一个黑体在温度为T时向所有方向发出的单位面积辐射功率为σT^4。
这个公式也被称为斯特藩-玻尔兹曼定律。
四、基尔霍夫定律的应用基尔霍夫定律在工程技术中有着广泛的应用。
例如，在太阳能电池板设计中，需要考虑电池板表面对太阳辐射能量的吸收和转换效率，而基尔霍夫定律可以用来计算电池板表面向外散发出去的热辐射功率。
此外，在红外测温技术中，也可以利用基尔霍夫定律来计算被测物体表面所发出的红外辐射功率，从而得到物体的表面温度。
五、结语总之，热辐射基尔霍夫定律是热辐射理论中的重要定律之一，它描述了物体在任意温度下发出的热辐射功率与其表面积、温度和发射率之间的关系。
在工程技术中，基尔霍夫定律有着广泛的应用，例如在太阳能电池板设计和红外测温技术中。
第三章 热辐射的基本定律
令 x = c2/λT 则 λ= c2/xT dλ=-(c2/x2T)dx (积分限λ:0～∞,则x:∞～0)
c1 Mb (e 5 (c 2 / xT )
0
0
c2 ( c2 / xT )T
c2 1) ( 2 )dx x T
1
c1 c2
4 4
x 3T 4 (e x 1) 1 dx
知道一个λT值，就对应一个f(λT)值，即知道一个 温度T，就得到某波长处的辐射出射度Mλ。 这样即可查表得到Mλ，而不用普朗克公式计算了。
知道一个λT值，就对应一个f(λT)值，即知道 一个温度T，则在某波长处的辐射出射度Mλ 为 M f (T )M f (T ) BT 5
m
这样即可查表得到Mλ，而不用普朗克公式 计算了。
例3 如太阳的温度T=6000K并认为是黑体， 求其辐射特性 1.其峰值波长为 2898 m 0.48m 6000 2、全辐射出射度为
M T 5.67 10 6000 7.3 10 W / m
4 8 4 7 2
3、紫外区的辐射出射度为
M 0~0.4 0.14M
M m
根据普朗克公式
M b
c1
1
2
5 e c
/ T
1
根据维恩最大发射本领定律
M bm
c1
1 ec2 / mT 1
m
5
BT 5
所以
c1 1 M 5 e c2 / T 1 c1 1 f (T ) 5 5 c 2 / T 5 M m BT B T e 1
1
f ( .T )
令x = c2/λT
M ( x)
热辐射的基本规律
热辐射的基本规律热辐射，这个看似深奥的物理概念，其实在我们的日常生活中无处不在。
从冬日里温暖的炉火，到夏日里炽热的阳光，热辐射时刻影响着我们的生活。
那么，热辐射到底遵循着哪些基本规律呢？让我们一起来揭开它神秘的面纱。
首先，我们要明白什么是热辐射。
简单来说，热辐射就是由物体自身的温度引起的向外发射电磁波的现象。
这种电磁波的波长范围很广，从红外线、可见光到紫外线都有可能。
而且，物体只要具有温度，就会不停地进行热辐射。
热辐射的第一个基本规律是斯特藩玻尔兹曼定律。
这个定律表明，黑体的辐射出射度与黑体的热力学温度的四次方成正比。
什么是黑体呢？黑体是一种理想化的物体，它能够完全吸收所有入射的电磁波，并且在相同温度下，它的辐射能力也是最强的。
打个比方，如果一个物体的温度升高一倍，那么它辐射出的能量将会增加到原来的 16 倍。
这意味着，温度的微小变化都会导致热辐射能量的显著改变。
接下来是维恩位移定律。
这个定律指出，黑体辐射的峰值波长与黑体的热力学温度成反比。
也就是说，温度越高，黑体辐射的峰值波长就越短。
比如，低温的物体主要发出长波的红外线，而高温的物体则可能发出可见光甚至紫外线。
想象一下，烧红的铁块会发出暗红色的光，当温度继续升高，它会变得越来越亮，颜色也会从红色逐渐变为白色，这就是因为温度改变导致峰值波长变化的结果。
在实际情况中，大多数物体并不是黑体，它们的热辐射能力会受到自身性质和表面状况的影响。
这就引出了发射率的概念。
发射率是指实际物体的辐射出射度与同温度下黑体辐射出射度的比值。
发射率的值在 0 到 1 之间，越接近 1，说明物体的辐射能力越接近黑体。
不同材料的发射率是不同的。
例如，金属的发射率通常较低，而一些非金属材料，如陶瓷和塑料，发射率相对较高。
这也是为什么在冬天，我们触摸金属会感觉比触摸塑料更冷，因为金属的热辐射能力较弱，不容易向外散失热量。
热辐射的规律还与物体的形状和大小有关。
对于大面积的物体，其热辐射的强度相对较为均匀；而对于小尺寸的物体，由于边缘效应的影响，热辐射的分布会有所不同。
第三章-热辐射的基本规律
p2 sin dpdd
pz
dp p
pd
py
px
p cosd
在空间体积
V
内
动量大小在 p p dp 范围内
动量方向在
d d
范围内
自由粒子 可能的状态数：
在空间体积 动量大小在
Vp2 sin dpdd
h3
V
内
p p dp 范围内
自由粒子 可能的状态数：
Vp2dp
六、关于基尔霍夫定律的几点说明
1．基尔霍夫定律就是热平衡辐射定律，与物质本身 的性质无关，（当然对黑体也适用）；
2．吸收和辐射的多少应在同一温度下比较；
3．任何强烈的吸收必发出强烈的辐射，无论吸收是 由物体表面性质决定的，还是由系统的构造决定的；
4．基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关，与人眼 的视觉特性和光度量无关；
E dv
8Vv2
c3
d
eh
1
K BT
hv 1
8hv3
1
E dv
c3
V
eh
K BT
dv 1
在 d 的频率范围内，单位体积内的辐射能：
w d
8hv3
c3
eh
1
K BT
dv 1
w
8hv3
c3
eh
1
K BT
1
以频率为变量 的普朗克公式
w ：单位体积、单位频率间隔内的辐射能，也就是
辐射场的光谱能量密度。
体的不同而改变。
物体的吸收率越大，则它的辐射出射度越大； 发射强的物体必然吸收也强; 善于发射的物体必善于接收； 好的反射体必然是弱的发射体。
——反之亦然
第三章 热辐射的基本规律
8hv 1 w d h K BT dv 3 c e 1
3
8hv 1 w h K BT 3 c e 1
3
以频率为变量 的普朗克公式
w ：单位体积、单位频率间隔内的辐射能，也就是
辐射场的光谱能量密度。 c c d 2 d
w
8hc
5
E
E
C1
5
e
C2 T
V E 2 3 3e c
维恩公式 实验曲线
维恩的公式只在高频（短波长）端和实验结果相符。
三，瑞利－金斯的黑体辐射公式
根据经典理论的能量均分定理，一个谐振子的能量
1 包含两个平方项，每个平方项的平均能量为: K BT 2 在 d 的频率范围内，可能的驻波模式数：
第三章 热辐射的基本规律
§3.1 发光的种类
1，化学发光 直接发光
简接发光
2，气体放电（电致气体放电发光） 辉光放电 低（气）压放电
弧光（电弧）放电 火花放电
常（气）压放电
3，场致发光（电致发光）：载流子复合发光 发光二极管（LED）
电致发光显示屏
4，电（子）激发发光 如：电子显象管 5，光致发光 6，热辐射 物体基于自身温度而向外发射的电磁辐射。 （温度辐射） 荧光
dP LdA cosd
dt时间内通过dA的能量为：
d dA cdt
dQ LdA cosddt
这些能量原来处在截 面积为dA，高为 cdtcosθ 的柱体内，所以 θ 方向的 辐射能量密度为：
dQ LdA cos ddt Ld dw dV dAcdt cos c
两种近似式在不同λT值的计算误差
第八章热辐射的基本定律_传热学
d () I () dA cos d
单位：W/m2· sr
2) Lambert定律：
黑体表面具有漫辐射性质，在半球空间各个方向辐射强度相等
I 1 I 2 ...... I n
E I cos I n cos En cos
如果已知黑体温度，则可以求得最大单色辐射力 Eb， max 所对应的波长 max
25
讨论：黑体温度在3800K以下时，其峰值波长处在红外线区域。 因此，在一般工程中所遇到的辐射换热，基本上属于红外辐射。
思考：金属在加热过程中，随 着温度的升高，金属颜色呈暗 红、红、黄、白，请解释这一 现象。
Fb 0－T
T E c1 b d T d T f T 5 0 T C2 5 b b T exp 1 T
30
根据黑体辐射函数，可以计算出给定温度下λ1－λ2波段内的 黑体辐射力为：
Eb 1－ 2 Eb Fb 0－ 2T Fb 0－1T
f (T )
23
三、维恩位移定律
黑体的峰值波长 max 与热力学温度T之间的函数关系
Eb
c15 ec
2
( T )
1
根据普朗克定律，将Eb 对 波长求极值，可得： maxT 2897.6m.K
随着温度T的升高，最大单色辐射 力 Eb， 所对应的峰值波长 max max 逐渐向短波方向移动
• 实际物体的辐射力并不严格遵从四次方定律,怎么办？ 认为E∝T4 由此引起的误差修正归入用实验方法确定的中 因此除了与物性有关，还与物体本身的温度有关
39
2 实际物体的光谱辐射力E
E Eb
第八章 热辐射的基本定律
5.单色辐射力E：在给定波长下的辐射力。单位：W/m2·m
E 0 Ed
或：
| E
dE
d
6.定向辐射力E：单位面积物体表面、在单位时间内、在某 给定方向上、单位空间立体角内所发射的辐射能。单位为： W/m2·sr
7.单色定向辐射力E，：在给定波长下的定向辐射力。单位 为：W/m2·sr·m
第一节 基 本 概 念
令： =G/G =G/G
则有：
++=1
=G/G
1.吸收率：=G/G 表示总能量被物体吸收的份额； 2.反射率：=G/G 表示总能量被物体反射的份额； 3.透射率：=G/G 表示总能量被物体透射的份额；
若能量为一特定波长的单色辐射，则有：++=1 其中、 、分别称为物体的单色吸收率、单色反射率、单色透射率。 4.镜反射：
当T=1400时，max=2.07，可见光所占能量部 分仍极少。
第二节 热辐射的基本定律
三、斯蒂芬-玻尔兹曼定律
Eb
0 Eb d
c 1
d
0
5
exp
c 2
T
1
积分后有：
Eb=bT4 W/m2 式中：b=5.67×10-8 W/m2·k4，为黑体辐射常数。 为方便计算，上式常写成：
Eb
Cb
5.漫反射：
6.黑体：=1
7.白体：=1
8.透明体：=1
第一节 基 本 概 念
三、辐射强度和辐射力
1.空间立体角：=A/r2，单位：球面度（sr），整个半球：2。
2.辐射强度I：在单位时间内，在给定的其辐射方向上，物体 表面在与发射方向垂直的方向上的单位投影面积，在单位立 体角内所发射的全波长辐射能。单位：W/m2·sr
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• 教学目的：在红外物理（技术）及其应用的科学实践和工 程设计中，经常会遇到各种形式的辐射源发出辐射的问题 和测量问题，解决这些问题依据的就是本章所学习的几个 基本定律。本章要学习的基本规律有基尔霍夫定律、普朗 克公式、维恩位移定律、斯特藩-玻耳兹曼定律的基本概 念、定义及计算。 • 学时分配：8 • 重点、难点：普朗克公式、维恩位移定律、斯特藩-玻耳 兹曼定律的基本概念及计算。
14
——红外技术及应用
• （2）当c2/（λT）＜＜1时，即hc/λ＜＜KBT，此时对应长 波或高温情形，可将普朗克公式中的指数项展成级数，并 取前两项 •
e
c2 T
1 c 2 ( T )
这时普朗克公式变为
•
M b
c1 T 4 c2
这就是瑞利—普金公式，它仅适用于黑体辐射的长波部分。
11
——红外技术及应用
12
——红外技术及应用 • 曲线的说明（黑体的辐射特性）：
M bλ随波长连续变化。对应某一个温度就有固定的一条曲线。
（一旦温度确定，则M bλ在某波长处有唯一的固定值） 温度越高，M bλ越大。（全辐射出射度Mb是曲线下面积） 随着温度T的升高，M bλ的峰值波长向短波方向移动。（T再 高就可见了） 黑体的辐射特性只与其温度有关，与其它参数无关。 黑体辐射亮度与观察角度无关。
8
——红外技术及应用 §3-2 黑体及其辐射定律 黑体是一个抽象的概念，可以从几个方面认识：
1、（理论上讲）ɑ=1的物体。全吸收，没有反射和透射。 2、（结构上讲）封闭的等温空腔内的辐射是黑体辐射。 3、（从应用角度）如果把等温封闭空腔开一个小孔，则从小 孔发出的辐射能够逼真地模拟黑体辐射。这种装置称为黑 体炉。
因为M=f（λ、T）
• 吸收本领：即物体的吸收比α，α也与波长和温度有关，
故写成αλT 。 • 二者之间关系（称为基尔霍夫定律）
5
——红外技术及应用
• 如果有三个物体，则
M1T M 2T M 3T C 1T 2T 3T
即所有的物体，它们的发射本领与发射本领之比都是相同 的一个常数（在相同温度、相同波长条件下）。
13
——红外技术及应用
普朗克公式在以下两种极限条件下的情况：
• （1）当c2/（λT）＞＞1时，即hc/λ＞＞KBT，此时对应短波 或低温情形，普朗克公式中的指数项远大于1，故可以把 分母中的1忽略，这时普朗克公式变为 c 2 • c1 M b 5 e T
这就是维恩公式，它仅适用于黑体辐射的短波部分
9
——红外技术及应用 黑体的应用价值（实用意义）：
1.标定各类辐射探测器的响应度； 2.标定其他辐射源的辐射强度； 3.测定红外光学系统的透射比； 4.研究各种物质表面的热辐射特性； 5.研究大气或其他物质对辐射的吸收或透射特性。主要做光 源（辐射源）
10
——红外技术及应用
c1 1
2
普朗克公式：
M bT M bT C M bT bT 1
式中 MbλT——黑体的辐射出射度。 αbλT——黑体的吸收比， αbλT = 1 （黑体的定义）
6
——红外技术及应用
• 基尔霍夫定律的描述：
• 在给定温度下，对某一波长来说，物体的吸收本领和发射 本领的比值与物体本身的性质无关，对于一切物体都是恒 量。即MλT/αλT对所有物体都是一个普适函数（即黑体的发 射本领），而MλT和αλT两者中的每一个都随着物体而不同。 • “发射大的物体必吸收大”，或“善于发射的物体必善于 接收”，反之亦然。
7
——红外技术及应用
关于基尔霍夫定律的说明：
1．基尔霍夫定律是平衡辐射定律，与物质本身的性质无关， （当然对黑体也适用）； 2．吸收和辐射的多少应在同一温度下比较，（温度不同时就 没有意义了）； 3．任何强烈的吸收必发出强烈的辐射，无论吸收是由物体表 面性质决定的，还是由系统的构造决定的； 4．基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关，不与人眼的视觉 特性和光度量有关； 5．基尔霍夫定律只适用于温度辐射，对其它发光不成立。
M b
5 e c
/ T
1
M bλ——黑体的光谱辐射出射度 c —— 真空光速 c1—— 第一辐射常数 c1=2πhc2=3.7418×10-16W· m2 c2—— 第二辐射常数 c2=hc/k=0.014388m· K h —— 普朗克常数 6.626176×10-34J· s k —— 波尔兹曼常数 1.38×10-23J/K
辉光放电
放电 弧光放电
3
——红外技术及应用
• 普雷夫定则：在单位时间内，如果两个物体吸收的能量不 同，则它们发射的能量也不同。即在单位时间内，一个物 体发出的能量等于它吸收的能量。 • 普雷夫定则小实验
4
——红外技术及应用 §3-1 基尔霍夫定律
• 发射本领：即物体的辐射出射度M，通常写成MλT，
15
——红外技术及应用 瑞利－金斯公式和经典辐射模型的困难
两种近似式在不同λ T值时的计算误差
16
——红外技术及应用
维恩位移定律
c 1 • M b 1 f ( .T ) c / T 5 e 1 • 令x = c2/λT • c1T 5 x 5 X何值时M最大，应 M ( x) 5 x c2 e 1 •
1
——红外技术及应用 引言
热辐射——红外辐射
• 概念：物体以自身温度而向外发射能量称热辐射，亦称
温度辐射。 • 在光学范畴内，在可见光范围内的辐射一般称为发光，在 红外部分通常称为辐射。 • 红外辐射的发射和接收是都热交换。红外技术的应用都是 基于热交换的。
2
——红外技术及应用
化学发光（鬼火） 发光分三种 光致发光（泵浦） 电致发光 激发
2
M 0 x
M c1T 5 5 x 4 (e x 1) x 5 e x 5 x (e x 1) 2 c2
17
——红外技术及应用
若上式为零 5 x 4 (e x 1) x 5e x =0 须 解此方程 x = 4.9651142 即：c2/λT = 4.9651142 λT = 2898 (μm· K) 此乃维恩位移定律，其中的λ即某温度T时黑体辐射出射度 Mbλ的峰值波长λm，通常写为