传热学-第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性.ppt

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1、第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,1,第八章 热辐射基本定律及 物体的辐射特性,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,2,主要内容,热辐射现象的基本概念黑体热辐射的基本定律固体和液体的辐射特性实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,3,8-1 热辐射现象的基本概念,1.热辐射特点(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。,2.电磁波谱,

2、电磁辐射包含了多种形式，如图7-1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。电磁波的传播速度：c=f 式中：f 频率，s-1;波长，m,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,4,电 磁 辐 射 波 谱,图8-1 电磁波的波谱,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,5,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。,3.物体表面对电磁波的作用,图8.2物体对热辐射的吸收反射和穿透,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,6,对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：镜体或白体：,透明体：,反射又分镜反射和漫反

3、射两种,图8-3 镜反射,图8-4 漫反射,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,7,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,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,8,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/m3)；,1.热辐射能量的表示方法,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

4、射力为Eb，黑体的光谱辐射力为Eb,8-2 黑体辐射的基本定律,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,9,2.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8-7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8-7 Planck 定律的图示,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,10,(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：,式中，=5.6710-8 w/(m2

5、K4)，是Stefan-Boltzmann常数。,(3)黑体辐射函数,黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力，如图8-8所示：,图8-8 特定波长区段内的 黑体辐射力,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,11,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)，如图8-9所示：,(4)立体角,黑体辐射函数:,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,12,图8-9 立体角定义图,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,13,计算微元立体角的几何关系,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,14,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

6、见图8-10。,(5)定向辐射强度L(,)：,图8-10 定向辐射强度 的定义图,(6)Lambert 定律(黑体辐射的第 三个基本定律),它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变化，因此，Lambert定律也称为余弦定律。,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,15,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:,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,16,黑体辐射规律,黑体辐射的辐射力由Stefan-Boltzmann定律确定，辐射力正比例于热力学温度的四次方；黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律，而按空间方向的分布服从兰贝特定律；黑体的光谱辐射力有个峰值，与

7、此峰值相对应的波长m由维恩位移定律确定，即随着温度的升高，m向波长短的方向移动,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,17,8-3 固体和液体的辐射特性,1 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；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:,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,18,2 实际物体的光谱辐射力 实际物体的光谱辐射力往往随波长作不规则变化 实际物体的光谱辐射力按波长分布的规律与普朗克定律不同，但在定性上是一致的 光谱发射率：

8、实际物体的光谱辐射率与同温度下黑体的光谱辐射力之比,实际物体的辐射力并不严格地同热力学温度的四次方成正比，但要对不同物体采用不同方次的规律计算，实用上不方便。在工程计算中仍认为一切实际物体的辐射力都与热力学温度的四次方成正比，而把由此引起的修正包括到用实验方法确定的发射率中去,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,19,3 实际物体的定向辐射强度,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,20,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),第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,21,影响物体发射率的因素物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况发射率只与

9、发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,22,对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度L，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：,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,23,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近似。,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,2

10、4,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，它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8-12 实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,25,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

11、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。,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,26,8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,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 w

12、ith what happens to _,while emissivity deals with _,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,27,1.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：,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,28,(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-

13、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,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,29,图8-18 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,30,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,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,31,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,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性

14、,32,图8-19 物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,33,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

15、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。,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,34,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，Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff 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,图8-20 平行平板间的辐射换热,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,35,该定律表述为：在热平衡条件下，任何物体的辐射力和它对来自黑

16、体辐射的吸收比的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力也可表述为：热平衡时，任意物体对黑体投入辐射的吸收比，恒等于同温度下该物体的发射率对于光谱辐射，有：=这是该定律更基本的表达式，不受投入辐射沿波长分布的约束对于灰体，由=常数，可得：=常数表明灰体辐射沿波长分布与黑体类似对于灰体，不论投入辐射是否来自黑体，也不论是否处于热平衡条件，恒有=该结论对辐射换热条件下的确定带来实质性的简化,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,36,引出灰体概念给工程计算带来的方便到此已十分清楚对于接近灰体性质的材料可近似作为灰体处理，取同温度下的值。在辐射换热计算中，将工程材料作为灰体对待但是不能推广到对太阳辐射的吸

17、收，因为此时可见光占将近一半，颜色对可见光吸收呈现强烈的选择性，吸收比与发射率不相等,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,37,此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，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：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7-2。,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,38,表8-3 Kirchhoff 定律的不同表达式

18、,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。,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,39,本章小结,本章首先分析热辐射的本质和特点，结合表面的辐射特性引出有关热辐射的一些术语和概念，然后提出了热辐射的基本定律。学习的基本要求是：理解热辐射的本质和特点；掌握有关黑体、灰体、漫射体、发射率、吸收比的概念；理解和熟悉热辐射的基本定律，重点是Stefan-Boltzmann定律和基尔霍夫定律；了解影响实际物体表面辐射特性的因素,第七章 热辐射基本定律

19、及物体的辐射特性,40,本章小结,（1）作为表面的热辐射性质，主要有：吸收比、反射比、穿透比和发射率。对于实际表面，这些性质既有方向性又具有光谱性，即它们既和辐射的方向有关，又和辐射的波长有关。工程上为简化计算而提出了“漫”、“灰”模型：前者指各向同性的表面，后者指表面的发射辐射能的光谱与同温度黑体的辐射光谱相似，或表面的光谱吸收比不随波长而变化吧，是一个常数。如表面的辐射特性，除了与方向无关外，还与波长无关，则称为“漫灰”表面，本教材主要针对这类表面作分析计算,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,41,本章小结,（2）黑体既是一个理想的吸收体，又是理想的发射体，在热辐射中可把它作为标准物

20、体以衡量实际物体的吸收比和发射率。其特性为：同温度下黑体具有最大的辐射力；黑体的辐射力是温度的单调递增函数；黑体辐射各向同性，定向辐射强度与方向无关（3）发射率和光谱发射率的定义，对于灰体，两者相等,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,42,本章小结,（4）辐射力和定向辐射强度均表示物体表面的辐射能力。只要表面温度大于0K，就会有辐射能量。前者是单位表面积朝半球方向在单位时间内所发射全波长的能量，后者是某方向上单位可见面积在单位时间、单位立体角内所发射的全波长能量。注意两者之间的关系（5）热辐射的基本定律：五个基本定律，各解决什么问题,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,43,思考题：

21、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?,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,44,7.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.,第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性,45,作业：7-3，7-7，7-8，7-17，7-19，7-23，7-26,