《传热学》杨世铭陶文铨第八章热辐射.ppt

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1、1,第八章 热辐射基本定律及 辐射特性,2,意义和目的,意义：热辐射是热量传递的三种基本方式之一，在许多领域中具有重要应用，特别是航天器热控制中，热辐射更是必须考虑的，如：,3,意义和目的意义：日常生活中也随处可见热辐射的例子，如：(1)当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；在冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘 时要舒服；(3)太阳能传递到地面冬天，在蔬菜大棚内的空气温度在0以上，但地面却可 能结冰。,4,目的：(1)认识热辐射的性质；(2)掌握表面热辐射的基本传递规律；(3)了解气体辐射的过程(4)掌握热辐射换热的基本研究方法和过程,5,8-1 热辐射的基本概念,一.热辐

2、射的定义及区别于导热对流的特点(1)定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)特点：a 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；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。,6,（3）热辐射的定义及区别于导热对流的特点,a:热辐射的能量传递不需要其他介质存在，而且在真空中传递的效率最高；b:在物体发射与吸收辐射能量的过程中发生了电磁能与热能两种能量形式的转换,7,二 从电磁波的角度描述热辐射的特性,1.传播速率与波长、频率间的关系热辐射具有一般辐射现象的共性，以光速在空间传播。

3、电磁波的速率与波长、频率间的关系 式中：f 频率，s-1;波长，m,8,2.电磁波谱,物体辐射的电磁波波长可以包括整个波谱，如图8-1所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1100m。注1：红外线区段：0.7620m 可见光区段：0.380.76m 太阳辐射：0.22m注2：波长在1mm1m之间的电磁波称为微波。,9,电 磁 辐 射 波 谱,图8-1,10,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8-2所示。,1）物体对热辐射的吸收、反射和穿透,图8.2物体对热辐射的吸收反射和穿透,3.物体表面对电磁波的作用,11,对于大多数的固体和液

4、体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：镜体或白体：,透明体：,2）反射又分镜反射和漫反射两种,图8-3 镜反射,图8-4 漫反射,12,黑体概念黑体：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。,图8-5 黑体模型,三 黑体模型及其重要性,黑体：镜体：透明体：,1.定义：,13,8-2 黑体辐射的基本定律,1.热辐射能量的表示方法,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：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。(W

5、/m3)；,14,E、E关系:,显然，E和E之间具有如下关系：,黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为Eb,15,2.黑体辐射的三个基本定律及相关性质,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，1.438810-2 WK；,(1)Planck定律(第一个定律)：,图8-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。m与T 的关系由Wien位移定律给出，,图8-6 Planck 定律的图示,16,(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：,式中，=5.6710-8 w/(m2K4)，

6、是Stefan-Boltzmann常数。,17,普朗克定律与斯蒂芬玻耳兹曼定律的关系,光谱辐射力曲线下的面积就是该温度下黑体的辐射力,练习题：分析为何炼钢时随着温度的升高，钢锭表面颜色由暗红逐渐变白？,18,黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力，如图8-7所示：,(3)黑体辐射能按波段的分布,图8-7 特定波长区段内的 黑体辐射力,19,黑体辐射函数:,注：,在任意两个波长 之间黑体的辐射能为：,20,(4)立体角 前面涉及到的只是半球空间内的光谱特性，下面将要介绍的是黑体发射辐射的空间方向特性。首先引入立体角的概念。,定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)。,21,要

7、说明黑体向半球空间辐射出去的能量按不同方向分布的规律，只有对不同方向的相等的立体角来比较才有意义。如图8-8和8-9所示：,图8-9 立体角定义图,22,图8-9 计算微元立体角的几何关系,称为经度角，称为纬度角,23,定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量。参见图8-10。注：对于黑体辐射可以预期，由于对称性在相同的纬度角下从微元黑体面积dA向空间不同经度角方向单位立体角中辐射出去的能量是相等的。因此，研究黑体辐射在空间不同方向的分布只要查明辐射能按不同纬度角分布的规律就可以了。根据前面辐射力的定义，如果考察落到d立体角内的能量，则 因此，定向辐

8、射力定义式可写为：,(5)定向辐射强度I(,)：,24,图8-10 定向辐射强度的定义图,25,(6)Lambert 定律(黑体辐射的第三个基本定律)a:黑体的定向辐射强度是个常量，与空间方向无关（度量是以单位可视面积）b:黑体单位面积辐射（度量是以单位实际辐射面积）出去的能量在空间的不同方向分布是不均匀的，按空间纬度角 的余弦规律变化：在垂直于该表面的方向最大，而与表面平行的方向为零。,它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变化，见图8-11，因此，Lambert定律也称为余弦定律。,26,图8-11 Lambert定律图示,沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:,可见，遵守兰贝特定

9、律的辐射，数值上其辐射力等于定向辐射强度的倍。,27,小 结 Planck定律:给出了特定波长下的辐射力；Stefan-Boltzmann定律:给出了一切波长下的总辐射力；Lambert定律：描述了辐射能量按空间方向分布的规律；Wien位移定律：给出了m与T 的关系,28,8-3 实际固体和液体的辐射特性,一 实际物体的辐射力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；定义: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:,29,上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真

10、实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。,Wavelength,Direction(angle from the surface normal),二实际物体的光谱辐射力,30,实际物体的光谱辐射力是随波长分布的规律与普朗克定律不同，但定性上是一致的。（1）黑体的辐射波谱是随波长连续地变化的（光滑曲线）；（2）对任何波长，T，Eb（3）对于某一温度而言，辐射力有最大值。T，最大值向左移动；（4）辐射能和温度有关。当温度较低时，可见光所占分额很少（800K无颜色变化），但随着T的升高，所占分额有所升高，若是太阳辐射，辐射能在可见光区所占分额很大。,31,一般情况下，T800K时，物体的颜色变化是看不

11、见的（无可见光），此时均在红外谱区。加热金属，即T，颜色将由从暗红色鲜红色桔红色白炽色。（根据颜色的变化，炉钢工人就能知道炉内的大体温度）我们所用的普通灯泡，其效率为10。随着科学技术的发展，必须逐渐淘汰耗能多的灯泡改用节能灯，可以大大节省电力。,32,发射率(续),我们定义方向光谱发射率，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（书中的定向发射率），即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：,33,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,这样，前面定义的半球总发射率则可以写为：

12、,半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均,34,实验结果发现，实际物体的辐射力并不严格地与绝对温度呈四次方的关系，但工程上仍采用四次方关系进行计算，而把温度项修正包括到黑度中去，因而黑度还与温度有关。,35,三 实际物体的定向辐射强度,Direction(angle from the surface normal),实际物体辐射按空间方向的分布，也不尽符合兰贝特定律,36,因此，我们需要定义方向光谱发射率，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定向发射率，即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：,37,对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力

13、Eb和定向辐射强度I，分别引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率()和定向发射率()，其表达式和物理意义如下,实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:,实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：,实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：,38,39,1.定向发射率随 角的变化规律,对于黑体表面，定向发射率在极坐标中是半径为1的半圆。对于定向辐射强度随 的分布满足兰贝特定律的物体，其定向发射率在极坐标中是半径小于1的半圆，这样的物体称为漫射物体。,40,漫发射的概念：表面的方向发射率()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

14、近似。,图8-14 几种金属导体在不同方向上的定向发射率()(t=150),41,图8-15 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率()(t=093.3),42,2.定向发射率 与半球平均发射率 间的关系,实际上是物体在整个半球范围内的辐射能与黑体的辐射能量之比。从能量守恒原理可得关系：,无论金属还是非金属，在半球空间的大部分范围内，定向发射率基本是个常数，可以用其法向的发射率 来近似表示。,43,3.影响黑度的因素=f（种类，表面温度，表面状况）=f（本身特性）（1）种类不同，黑度不同：白大理石，=0.95；镀锌铁皮，=0.23。（2）温度不同，不同：金属T，（形成氧化膜）；非金属，T，（

15、暗黑表面、白亮表面）。（3）表面状况不一样，不一样：磨光表面，低；粗糙表面，高。有氧化与无氧化不一样：一般氧化的金属黑度大于无氧化的金属黑度。,44,黑度小结：金属表面的发射率一般较小。（很小）；有氧化层可大大增大金属表面的发射率：铝：轻微氧化，=0.1；严重氧化，=0.5；非导体的发射率较大，一般0.6；金属：T，（形成氧化无薄层）；非金属：或（可增可减）。,45,前面讲过，黑体、灰体、白体等都是理想物体，而实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同，比如，(1)实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图7-14；(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

16、的定向辐射强度也不严格遵守Lambert定律，等等。所有这些差别全部归于上面的系数，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发射面。,图8-14 实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱,46,本节中，还有几点需要注意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

17、涉及外界条件。,47,7-4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,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,Absorptivity deals with what happens to _,while emissivity deals with _,48,1.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

18、百分数，通常用表 示，即,首先介绍几个概念：,49,4 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，也叫单色吸收比。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。,图8-17和8-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。,图8-17 金属导电体的光谱吸收比同波长的关系,50,图8-18 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系,51,5.实际物体的吸收具有选择性,物体的光谱吸收比随波长而异的特性称为物体的吸收具有选择性。（1）玻璃暖房温室效应（2）焊接工人戴墨镜（3）物体的颜色,52,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,6实际

19、物体吸收的选择性对辐射传热计算所造成的困难,物体的吸收比除了与自身表面的性质和温度（T1）有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关，投入辐射按波长的能量分布有取决于发出投入辐射的物体的性质和温度（T2）。物体的吸收比要根据吸收一方和发出投入辐射一方两方面的性质和温度来确定。,53,图8-19给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。,如果投入辐射来自黑体，由于，则上式可变为,54,图8-19 物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系,55,物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的

20、同时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一般有两种处理方法，即灰体法，即将光谱吸收比()等效为常数，即=()=const。并将()与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。,56,7.灰体的概念及其工程应用,因单色吸收率对不同波长辐射的选择性，从而吸收率与投入辐射有关。如果=C（即单色吸收率与波长无关），从而=C。定义灰体：光谱吸收比（单色吸收率）

21、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。=C 灰体和黑体一样,也是一种理想物体,但在工业中遇到的热辐射，波长主要在0.7610微米之间，在此范围内，把实际物体看作灰体误差不大，也可看作是漫射表面。,57,在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者之间具有什么样的联系，1859年，基尔霍夫用热力学方法回答了这个问题，从而提出了基尔霍夫定律。最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图8-20所示，板1时黑体，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,8.吸收比与发射率的关系基尔霍夫定律,（1）实际物

22、体吸收比和发射率间的关系,58,两个平行放置无限大平板，两板相距很近，板1为黑体，其辐射力为Eb，吸收率为b=1，温度为T1，板2为实际物体，温度为T2，黑度为。求板2 的能量收支差额。,图8-20 平行平板间的辐射换热,59,任何物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收率的比值恒等于Eb。注意：只有在热平衡条件下才能成立。,推论：1.善于辐射的物体必善于吸收；2.因1，所以EEb。即在同一温度下，黑体的辐射力最大,Kirchhoff 定律的表达式说明，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下限制：,60,整个系统处于热平衡状态；如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处

23、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，见表8-3。,61,表8-3 Kirchhoff 定律的不同表达式,注：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；灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，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。,62,返回,63,图8-7 Planck 定律与Stefan-Boltzmann定律的关系,返回,64,图8-6 Planck 定律的图示,返回,65,思考题：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,吸收率,反射率,穿透率是怎样定义的?发射率和反射率有何不同?4.工业上有实际意义的热辐射波长范围.近红外,远红外辐射概念.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.但是吸收率与外界条件有关.为什么对于灰体,吸收率也可看成是物性,并等于发射率?,66,7.维恩位移定律的表达式.试考虑一下它在自然科学 及工程应用中的作用.8.四个黑体辐射基本定律的物理意义及计算应用.,67,作业：,