第8章热辐射的基本定律课件.ppt
2022/12/20,李琼,传热学,导热部分,主要内容：理论基础稳态导热非稳态导热 导热数值解基础 导热问题的求解目标和思路： 问题分析建立物理模型建立数学模型求解主要任务： 求解温度场和热流场,2022/12/20,李琼,传热学,对流换热部分,主要内容：对流换热分析（分析法、类比法、实验法）单相流体对流换热凝结与沸腾换热基本定律： 牛顿冷却定律主要任务： 求解表面换热系数h及换热量重点：准则关联式的应用,2022/12/20,传热学 李琼,3,第八章 热辐射的基本定律,Basic Law of Thermal Radiation,2022/12/20,李琼,传热学,相同室温，冬夏穿着不同。,深秋，树叶向上一面结霜。,辐射应用实例,2022/12/20,李琼,传热学,锅炉炉膛火焰与水冷壁辐射换热,辐射应用实例,2022/12/20,李琼,传热学,地板辐射采暖,辐射应用实例,2022/12/20,李琼,传热学,太阳能的利用主要有两大方向：转化为热能和转化为电能。,辐射应用实例,2022/12/20,李琼,传热学,伦敦“零碳馆”,2022/12/20,李琼,传热学,辐射干燥机,辐射应用实例,2022/12/20,李琼,传热学,热辐射与导热、对流换热的区别,机理上本质不同：在导热与对流过程中，能量传递依靠介质微观粒子热运动和宏观运动实现；热辐射中，能量的传递依靠电磁波传递实现，并伴随有能量形式的转化；研究方法不同： 电磁辐射的物理基础热辐射的基本定律理想物体和实际物体的辐射特性物体间辐射换热量计算,2022/12/20,李琼,传热学,第一节 基本概念,一. 热辐射的本质和特点1、定义和本质：辐射：以电磁波传递能量的过程。热辐射：由于自身温度或热的原因而发生的电磁波传递。,热辐射是电磁波，它就由一般电磁波的共性，即它是以光速在空间传播的。有下列关系成立：,2022/12/20,李琼,传热学,分析：,式中： 在真空中c=3.0108m/s;h=6.6310-34Js不同波长、不同频率的电磁波具有不同的能量；辐射能即电磁波或光子所运载的能量；波粒二重性（电磁波理论和量子理论）；研究方法：以量子理论为基础的微观方法（主要用于解释物体的发射与吸收特性）；以能量守恒为基础的宏观方法（主要用于辐射换热计算）。,2022/12/20,李琼,传热学,2022/12/20,李琼,传热学,分析上图：,热辐射的主要波谱：0.1100m 热效应显著，称为热射线，包括可见光线、部分红外和紫外线；可见光：0.380.76m紫外、伦琴射线：0.38m红外线：0.76100m地球上大部分物体2000K，大部分能量在0.7620m，可见光段内热辐射比重不大；太阳：5762K，主要能量集中在0.22m，可见光段内热辐射很大比重。,2022/12/20,李琼,传热学,2、特点：,不依赖物体的接触而进行热量传递，可以在真空中传播；伴随能量形式的两次转变：发射：内能电磁波吸收：电磁波内能任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；,2022/12/20,李琼,传热学,2022/12/20,李琼,传热学,当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图所示。,二、物体对热辐射的吸收、反射和穿透,2022/12/20,李琼,传热学,1、吸收比、反射比和穿透比,称为物体的吸收比，表示投射的总能量中被吸收的能量所占份额；称为物体的反射比，表示被反射的能量所占份额； 称为物体的穿透比，表示被透射的能量所占份额；如果投射能量是某一波长下的辐射能，上述关系同样适用；、 、 是物体表面的辐射特性，和物体的性质、温度及表面状况有关。,2022/12/20,李琼,传热学,对于大多数的固体和液体：,对于纯气体（不含颗粒）：,分析：1)热射线的吸收和反射几乎都在表面进行。 2)物体全波长特性参数与投射过来的辐射能波长分布有关；3)就工程材料而言，善于吸收的表面，就不善于反射。,分析：1)气体的吸收和辐射是在整个气体容积中进行。 2)气体的吸收和穿透特性与气体内部特征有关，与其表面状况无关；3)善于吸收的气体，就不善于透射，反之亦然。,2022/12/20,李琼,传热学,反射又分镜反射和漫反射两种：,镜反射,漫反射,镜面反射：入射角=反射角，表面粗糙度波长,一般工程材料的表面较粗糙，接近漫反射。,2022/12/20,李琼,传热学,镜体或白体：,透明体：,黑体：,黑体不是黑色物体； 黑体，镜体和透明体并不存在。人工可以制造十分接近黑体(内表面6%的小孔，0.996)的模型。 黑体如同不可压流体、可逆循环等一样，是一种理想化的研究方法。,2、理想辐射模型：,应注意以下几个问题：,镜反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。物体的颜色。关键在于是物体本身发射可见光还是物体反射可见光。理想辐射模型均是对全波长而言的。,2022/12/20,李琼,传热学,2022/12/20,李琼,传热学,三、定向辐射强度和定向辐射力,1、 立体角,平面角如图，s为弧长，r为半径。=s/r （rad） 立体角如图，一个半球，在球面上取一个小面积，在这个面积周边向球心做射线，则这些射线所包围的空间即为立体角。立体角的度量用球面度。,2022/12/20,李琼,传热学,如图，在半球上割下一块微元面积dA2，则dA2对应的立体角为微元立体角,为清楚起见，将这个立体角放大，,即：,半圆：,半球：,2022/12/20,李琼,传热学,目的：辐射能按方向分布比较基础：相同的立体角 相同的可见表面积,定义：在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见辐射面积、单位立体角内所发射全部波长的能量。用I表示，单位： W/(m2Sr),为可见辐射面积。,其中：,2、定向辐射强度(Intensity of radiation) ：,2022/12/20,李琼,传热学,可见辐射面积的重要性,2022/12/20,李琼,传热学,光谱定向辐射强度：,指在某给定方向上，单位时间、单位可见辐射面积，在波长附近的单位波长间隔内、单位立体角所发射的能量，称为光谱定向辐射强度（单色定向辐射强度），符号为I，单位为W/(m2m Sr )。,2022/12/20,李琼,传热学,3、辐射力,定向辐射力E ：在某给定方向上，单位辐射面积、在单位立体角内所发射全波长的能量，称为定向辐射力，符号为E，单位为W/(m2sr)。,定向辐射力与定向辐射强度关系：,2022/12/20,李琼,传热学,辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。 (W/m2)；,光谱辐射力E：,光谱定向辐射力E，：,2022/12/20,李琼,传热学,黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。,黑体模型,第二节 热辐射的基本定律,2022/12/20,李琼,传热学,一. Planck定律(第一个定律)：,式中： 波长，m ；T 黑体温度，K ；c1 第一辐射常数，3.74210-16 Wm2；c2 第二辐射常数，1.43910-2 WK；,Planck 定律的图示,2022/12/20,李琼,传热学,分析：,Planck定律揭示了黑体辐射光谱的变化规律；在某一波长上，黑体光谱辐射力会达到一个峰值，对应波长称为峰值波长；曲线与横坐标围成的面积表示黑体辐射力的大小；m与T 的关系由Wien位移定律给出：,2022/12/20,李琼,传热学,二.Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：,式中，b= 5.6710-8 w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。,针对黑体发射的能量对半球空间所有方向及全部波长范围而言；描述黑体辐射力Eb随T的变化规律；依据：1879年，Stefan实验； 1884年，Boltzmann热力学理论； 现可直接由Plank定律导出。,2022/12/20,李琼,传热学,黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力，如图所示：,特定波长区段内的黑体辐射力,黑体辐射函数（计算某一波段的辐射能）,2022/12/20,李琼,传热学,黑体辐射函数：黑体在0波长范围内的辐射能在其辐射力中所占的份额。,例8-2；8-3,某一波段内辐射能份额：,2022/12/20,李琼,传热学,试分别计算温度为1000K、1400K、3000K、6000K时可见光和红外辐射在黑体总辐射中所占的份额。,辐射与颜色的关系： 夏天穿白色衣服凉快，因为我们吸收的是太阳辐射(0.2-2 m)可见光占比例很大。 地球上物体的辐射不同，因温度低（2000K以下） ，多与颜色无关。,例题：,2022/12/20,李琼,传热学,三. Lambert 定律(黑体辐射的第三个基本定律),描述黑体辐射能量沿半球空间方向的变化规律；漫表面：既是漫辐射又是漫反射。漫辐射：物体发射的辐射强度与方向无关的性质；漫反射：反射的辐射强度与方向无关的性质；漫表面的性质：发射和反射辐射强度与方向无关；Lambert 定律：,表明：黑体表面具有漫辐射性质，在半球空间各个方向上的辐射强度相等。I与方向无关。,2022/12/20,李琼,传热学,漫辐射表面定向辐射力与辐射强度间关系,表明：单位辐射面积上发出的辐射能落到空间不同方向单位立体角内的能量是不等的，其值正比于该方向与辐射面法线夹角的余弦；法线方向的定向辐射力最大，切线方向最小，但其定向辐射强度却相同；除黑体外，只有漫辐射表面才遵守兰贝特定律。,2022/12/20,李琼,传热学,辐射力E与定向辐射强度的关系,漫辐射表面的辐射力是任意方向定向辐射强度的倍。,该定律描述了黑体及漫辐射表面定向辐射力按空间方向的分布变化规律。,2022/12/20,李琼,传热学,思考题,暖气取暖时与方向有关，太阳辐射与方向有关，是否与Lamberts Law 相矛盾？（黑体在任何方向上的定向辐射强度与方向无关） 答：将定向辐射强度定义变形得辐射能： 人与暖气的距离不变时，d=const，dA=const，I=const，角度不同，cos不同，当=0时，辐射面获得的能量最多。故I与方向无关，而d（）与方向有关。,2022/12/20,李琼,传热学,例题8-4,思路分析：A1A2辐射，求投入辐射能。,求得G,A1,A2,l,2022/12/20,李琼,传热学,例题8-4,A1,A2,x,l,d,偏移x距离,x=0.19m,2022/12/20,李琼,传热学,黑体小结,黑体辐射力Eb由四次方定律确定，黑体辐射能量按波长分布服从Plancks Law,按空间方向分布则服从Lamberts Law；黑体的光谱辐射力Eb有峰值，对应的波长max由Weins Law确定。随温度T升高,max向短波移动。,2022/12/20,李琼,传热学,黑体的辐射特性和吸收特性,辐射特性：漫射体性质向半球空间各个方向发射的辐射强度是均匀的；辐射能随cos变化；在规定的温度下，黑体发射的辐射能按波长分布不均匀；和其他任何物体比较，以黑体发射的辐射能最多；吸收特性吸收率：表示物体吸收投射辐射的能力黑体1,2022/12/20,李琼,传热学,四. 实际固体和液体的辐射特性,1、 发射率前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；因此，定义了发射率 (也称为黑度) ：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:,2022/12/20,李琼,传热学,上面公式只是针对方向和波长平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随方向和波长变化的。,Wavelength,Direction (angle from the surface normal),2022/12/20,李琼,传热学,因此，我们需要定义光谱定向发射率，对于某一指定的方向(, ) 和波长,对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率，即实际物体的定向发射率：,2022/12/20,李琼,传热学,对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了半球光谱发射率，即实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比,如果已知某物体的发射率，则该物体的辐射力为：,2022/12/20,李琼,传热学,漫发射的概念：表面的定向发射率 与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。,几种金属导体在不同方向上的定向发射率( )(t=150),2、定向发射率与漫射表面,2022/12/20,李琼,传热学,几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率(t=093.3),2022/12/20,李琼,传热学,但从图中可以看出，金属在=0-40o、非金属在=0-60o的单色发射率基本为常数，所以较为粗糙的实际物体表面可作为漫射表面处理，但其发射率应做如下修正：,（非金属）,（磨光金属表面）,实际物体辐射方向修正,2022/12/20,李琼,传热学,各朝向辐射同性的表面称为漫辐射表面， f()；f()符合兰贝特余弦定律；定向吸收比与空间方向无关。辐射力符合四次方定律：E=Eb=Eb一般较为粗糙的实际物体表面可作为漫射表面处理。,漫射表面：,2022/12/20,李琼,传热学,3、光谱辐射率与灰体,实际材料表面的光谱辐射力不遵守普朗克定律，或者说不同波长下光谱发射率随波长的变化比较大，并且不规则。某一温度下，实际物体的单色辐射力随波长的变化是不规则的。但工程上，实际物体一般可用灰体近似替代。,2022/12/20,李琼,传热学,灰体：,灰体：是指物体光谱辐射力与同温度黑体光谱辐射力随波长的变化曲线相似，或它的单色发射率不随波长变化，即： f()；f()辐射是连续的光谱：E=Eb,辐射力符合四次方定律：E=Eb=Eb一般实际物体表面在红外线波长范围内，可以近似作为灰体处理。,2022/12/20,李琼,传热学,(1)实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图；(2)实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；(3)实际物体的定向辐射强度也不严格遵守Lambert定律，,实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱,因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能很复杂。在工程上一般都将真实表面假设为漫射表面。实际物体在红外波段范围内可近似视为灰体。,实际物体的辐射特性,2022/12/20,李琼,传热学,将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难理论确定，实际上是一种权宜之计；服从Lambert定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律，这有许多原因；物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。,注意,2022/12/20,李琼,传热学,五. 基尔霍夫定律,上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？本节将对其作出解答。,Semi-transparent medium,2022/12/20,李琼,传热学,1.投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能。 2.选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸收。3.吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表示，即,首先介绍几个概念：（实际物体的吸收特性）,2022/12/20,李琼,传热学,4 光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。,灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比都是同一个常数。,2022/12/20,李琼,传热学,根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比为,2022/12/20,李琼,传热学,如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为,2022/12/20,李琼,传热学,基尔霍夫定律推导：,2022/12/20,李琼,传热学,如图所示，板1是黑体，板2是任意物体，参数分别为Eb, T1 以及E, , T2，则当系统处于热平衡时，有,平行平板间的辐射换热,表明在热平衡条件下，表面单色定向发射率等于它的单色定向吸收率。,基尔霍夫定律推导：,2022/12/20,李琼,传热学,整个系统处于热平衡状态；如物体的吸收比和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；投射辐射源必须是同温度下的黑体。,为了将Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式，见下表。,该式具有如下限制：,2022/12/20,李琼,传热学,Kirchhoff 定律的不同表达式,(1)漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合Lambert定律的物体表面；(2)灰体：指单色吸收率与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。,2022/12/20,李琼,传热学,本章小结,基本概念： 黑体、漫射表面、灰体、漫-灰表面、发射率、吸收比、辐射强度、辐射力基本定律普朗克定律斯蒂芬-玻尔兹曼定律兰贝特余弦定律基尔霍夫定律,2022/12/20,李琼,传热学,例题练习,例题1：=与=的区别是什么？答：区别在于=的适用条件为灰体表面，而=的适用条件为漫射表面。,2022/12/20,李琼,传热学,例题2、应用维恩定律解释金属加热过程的颜色变化。答：维恩定律maxT=2897.6 mK表明，物体随着温度T的升高，max向波长减小的方向移动。金属发射的能谱中可见光部分的份额越来越多，其可见光中的短波部分也越来越多，因而感觉到金属加热过程随着T升高颜色由黑逐渐变为暗红、橘红、鲜红，甚至白亮色。,例题练习,2022/12/20,李琼,传热学,例题练习,例题3、试从热辐射观点分析，用电炉来烘烤某一工件，把工件放在电炉的正上方热得快还是放在电炉的边沿热得快？为什么？答：虽然不论是放在上方，还是放在边沿，工件被辐射照射面积相同，所张立体角也相同，但一个是法向，一个是成角的偏向，而E=Encos，所以工件放在电炉正上方(即法向)得到的辐射热多，热得快。,2022/12/20,李琼,传热学,例题4、实际物体表面的发射率和吸收比主要受哪些因素影响？答：发射率与物体本身的性质(种类)、表面状况、温度及方向有关。吸收比与物体的种类、表面状况及温度有关，而且与入射的波长有关。,例题练习,2022/12/20,李琼,传热学,例题5、何谓“漫灰表面”？ 有何实际意义？答：1）“漫灰表面”是研究实际物体表面时建立的理想体模型。 2）漫辐射、漫反射指物体表面在辐射、反射时各方向相同。灰表面是指在同一温度下表面的辐射光谱与黑体辐射光谱相似，吸收比也取定值。 3）“漫灰表面”的实际意义在于将物体的辐射、反射、吸收等性质理想化，可应用热辐射的基本定律了。 4）大部分工程材料可作为漫辐射表面，并在红外线波长范围内近似看作灰体。从而可将基尔霍夫定律应用于辐射换热计算中。,例题练习,2022/12/20,李琼,传热学,1.什么是黑体, 灰体? 实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体?2.光谱辐射力,辐射力和定向辐射强度的物理意义. 它们之间有什么关系?3.物体的发射率, 吸收比, 反射比, 穿透比是怎样定义的? 发射率和反射比有何不同?4.工业上有实际意义的热辐射波长范围. 5.漫射表面的概念.6.物体的发射率取决于物体本身, 而不涉及外部条件. 因此, 发射率可看成是物性. 但是吸收比与外界条件有关. 为什么对于灰体,吸收比也可看成是物性, 并等于发射率?,思考题：,2022/12/20,李琼,传热学,课后思考题：（P223）,1、相同点：都依靠电磁波传递能量； 不同点：热辐射的电磁波具有热效应。2、太阳灶的受热面：利用吸收特性，吸收太阳的可见光，粗糙的表面吸收比大，黑色表面吸收所有波长范围的能量； 辐射采暖板：利用辐射特性，采暖板表面温度低，可见光辐射占比例少，所以辐射与颜色无关。,2022/12/20,李琼,传热学,课后思考题：（P223）,3、太阳可见光能够穿透玻璃，射入室内，使人吸收可见光具有的热能，而室内物体发出的红外线不能穿透玻璃，能量被阻隔在室内，所以人感到暖和。,2022/12/20,李琼,传热学,4、2）在较暖的空气和较冷的物体表面相接触时空气就会冷却，达到水汽过饱和的时候多余的水汽就会析出。如果温度在0C以下，则多余的水汽就在物体表面上凝华为冰晶，这就是霜。因此霜总是在有利于物体表面辐射冷却的天气条件下形成。 1）云对地面物体夜间的辐射冷却是有妨碍的，天空有云不利于霜的形成，因此，霜大都出现在晴朗的夜晚，也就是地面辐射冷却强烈的时候。 3）热阻越大，热损失越小，屋面温度越低，越有利于结霜。,课后思考题：（P223）,2022/12/20,李琼,传热学,9，10，13，14,作业：,
