热辐射现象基本概念详解

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：发射辐射能是各类物质的固有特性。显然，热辐射是电磁波传递能量的现象。通常把波长在0.1～100μm范围的电磁波称为热辐射。于是有α+ρ=1 当热辐射投到气体上时，由于气体对辐射能几乎没有反射能力，则可认为ρ=0。于是有α+τ=1 热辐射投射到物体表面后的反射现象有镜面反射和漫反射两种类型，区分反射类型取决于物体的表面粗糙度。

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而激发产生的电磁波传播，就称为热辐射。显然，热辐射是电磁波传递能量的现象。通常把波长在0.1～100μm范围的电磁波称为热辐射。热辐射的传播速度与光速相同，真空中光速c₀=2.998×10⁸m/s。在介质中，光速c<c₀，可用介质的折射率n=c₀/c来表示介质特性，可以发现n>1。

1.传播速度与波长、频率间的关系

热辐射具有一般辐射现象的共性，在介质中辐射的传播特性存在如下关系：

c=fλ （3-52）

式中，c为介质中的辐射传播速度（m/s）；f为频率（s^-1）；λ为波长（m），常用单位为μm，1μm=10^-6m。

2.辐射的吸收、反射与透射

当热辐射透射在一个物体表面时，会发生吸收、反射和透射现象。

设物体对投射辐射的吸收率、发射率以及透射率分别为α、ρ、τ，根据能量守恒定律可知：

α+ρ+τ=1 （3-53）

实用工程材料中，一般认为热辐射不能穿透固体和液体，即τ=0。于是有

α+ρ=1 （3-54）

当热辐射投到气体上时，由于气体对辐射能几乎没有反射能力，则可认为ρ=0。于是有

α+τ=1 （3-55）

热辐射投射到物体表面后的反射现象有镜面反射和漫反射两种类型，区分反射类型取决于物体的表面粗糙度。当物体表面的粗糙尺寸小于投射辐射的波长时，形成镜面反射；反之，则形成漫反射。

3.黑体

黑体是一种理想物体，其吸收比α=1，这意味着它能全部吸收各种波长的辐射。因此，在处理实际热辐射问题时，就可以用黑体来衡量实际物体的辐射能力大小。自然界中是不存在黑体的，但可以用人工方法制造出近似于黑体的模型。如图3-8所示，设有一个腔壁为黑体的腔体，且腔体的温度保持均匀一致，此时在腔壁上开个小孔，这种带有小孔且温度均匀的空腔就是一个黑体模型。值得指出的是，制造空腔的材料本身的吸收比大小原则上对黑体模型没有影响，只是在小孔面积与腔体总面积之比一定的情况下，材料的吸收比越大，黑体的有效吸收比就越大；小孔面积占空腔面积份额越小，小孔的吸收比就越高。同时，由于周围特性对黑体的发射率不产生影响，故黑体发射辐射能的特性只能是温度的函数。

黑体在热辐射分析中具有特殊的重要性，接下来我们将根据一些被实验证实过的黑体辐射特性定律来处理一般物体的一些辐射性质参数。

图3-8 黑体模型

热辐射现象基本概念详解

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