表面积 (A) 和时间持续时间与辐射的热量 (Q) 成正比。因此,考虑单位面积单位时间内辐射的热量(或单位面积发射的功率)是很实际的。这被称为物体在特定温度 T 下的发射功率或辐射功率 R。发射功率的量纲是 [L0M1T-3],国际单位制单位是 Jm-2s-1 或 W/m2。发射表面的成分或抛光程度本身不是物理量。为了探讨材料方面的特性,我们会比较相同几何形状、相同温度下由不同材料制成的物体。完美黑体在特定温度下具有最大的发射功率。因此,将给定表面的发射功率与给定温度下理想黑体的发射功率进行比较是非常方便的。
以下是发射功率公式:
> R = Q / At
>
>
>
> 其中,
>
>
>
> – R = 辐射功率,
> – Q = 辐射的热量,
> – A = 表面积,
> – t = 时间持续时间。
发射系数或发射率
表面在相同温度下的发射功率 R 与完美黑色表面的发射功率 RB 之间的差异(或者说比值关系),被称为给定表面的发射系数或发射率 (e)。
发射系数或发射率公式
发射系数或发射率公式如下:
> e = R / RB
>
>
>
> 其中,
>
>
>
> – e = 发射率或发射系数,
> – R = 辐射功率,
> – RB = 相同温度下完美黑色表面的发射功率。
>
> 对于完美反射体,e=0;而对于完美黑体,e=1。
完美的黑体在普通物体中并不常见。因此,它们在相同温度下辐射的能量少于黑体。除了温度之外,这些物体的辐射速率还取决于表面特性,如颜色和成分。术语“发射率 e”分别解决了这些现象。对于常规物体,0<e<1,取决于表面的成分;例如,铜的发射率为 0.3。粗糙的表面具有较高的发射率,而光滑和抛光的表面发射率较低。发射率同样随温度和辐射波长而变化。
物体辐射的热量取决于,
- 物体的绝对温度 (T)。
- 物体的性质 – 材料、表面的性质 – 是否抛光等。
- 物体的表面积 (A)。
- 物体辐射辐射的持续时间。
基尔霍夫热辐射定律
> 基尔霍夫热辐射定律涵盖了处于热平衡状态的物体对热辐射的发射和吸收。它声称,对于所有波长,给定温度下完美黑体的发射功率等于物体的发射功率与其吸收系数之比。
>
>
>
> 基尔霍夫定律也可以表述为:对于处于热平衡状态并发射和吸收热辐射的物体,其发射率等于其吸收率。这是因为我们可以通过发射率来定义普通物体相对于完美黑体的发射功率。
>
>
>
> 用符号表示,a=e 或更具体地 a(λ) = e(λ)。
>
>
>
> 在给定时间内从给定区域辐射的热量称为发射功率。
>
>
>
> 物体 A 吸收的辐射热量 = 物体 A 发射的热量
>
>
>
> 或者
>
>
>
> ∴ aQ = R …(方程 1)
>
>
>
> 对于完美黑体 B,
>
>
>
> ∴ Q = RB …(方程 2)
>
>
>
> 将方程 1 除以方程 2,我们得到
>
>
>
> ∴ a = R / RB
>
>
>
> 或者
>
>
>
> ∴ RB = R / a
>
>
>
> 但是 R / RB = e …(发射功率)
>
>
>
> ∴ a = e
>
>
>
> 因此,基尔霍夫定律得到了理论证明。
发射功率计算例题
问题 1:一个面积为 0.04 m2 的球体,其发射功率为 0.7 Kcal/sm2。30 秒后球体表面的温度是多少?
答案:
> 已知:A = 0.04 m2, R = 0.7 Kcal/sm2, t = 30 s
>
>
>
> 我们有公式,
>
>
>
> R = Q / At
>
>
>
> ∴ Q = R × A × t
>
>
>
> ∴ Q = 0.7 × 0.04 × 30
>
>
>
> ∴ Q = 0.84 Kcal
问题 2:一个表面积为 86 cm2 的物体在 3 分钟内辐射了 5003 J 的能量。求该物体的辐射功率?
答案:
> 已知:Q = 5003 J, t = 3 × 60 = 180 s, A = 86 cm2 = 86 × 10-4 m2
>
>
>
> 我们有公式,
>
>
>
> R = Q / At
>
>
>
> ∴ R = 5003 / 86 × 10-4 × 180
>
>
>
> ∴ R = 5003 / 15480 × 10-4
>
>
>
> ∴ R = 0.3231 × 10-4 J
问题 3:当物体的表面积为 0.12 m2 时,发射的热量为 3984 J,时间段为 49 s,请确定物体的辐射功率。
答案:
> 已知:Q = 3984 J, t = 49 s, A = 0.12 m2
>
>