第5章-熱輻射及輻射換熱-1

1、1v熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)由于物體微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而造成的；由于物體微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而造成的；v熱對(duì)流熱對(duì)流由于物體的宏觀運(yùn)動(dòng)而造成的；由于物體的宏觀運(yùn)動(dòng)而造成的；熱量傳遞的基本方式熱量傳遞的基本方式熱輻射及輻射傳熱熱輻射及輻射傳熱 自然界普遍存在的現(xiàn)象。自然界普遍存在的現(xiàn)象。 在日常生活和工程領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的應(yīng)用背景。在日常生活和工程領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的應(yīng)用背景。特別是在：特別是在： 高溫加熱和燃燒；高溫加熱和燃燒； 紅外干燥；紅外干燥； 航天航空；航天航空； 太陽(yáng)能利用；太陽(yáng)能利用；占有主導(dǎo)地位。占有主導(dǎo)地位。學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)： 掌握物體的輻射特性以及掌握物體的輻射特性以及物體間輻射傳熱的計(jì)算。物體間輻射

2、傳熱的計(jì)算。第第5章章 熱輻射及輻射傳熱熱輻射及輻射傳熱v5-1 熱輻射的基本概念v5-2 黑體輻射的基本定律v5-3 黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算v5-4 實(shí)際物體的輻射特性v5-5 灰體表面間輻射傳熱的計(jì)算（1 1）熱輻射的概念）熱輻射的概念v輻射輻射物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式。物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式。v輻射能輻射能電磁波傳遞的能量。電磁波傳遞的能量。v物體會(huì)因受到各種不同方式的激勵(lì)作用而產(chǎn)生輻射，物體會(huì)因受到各種不同方式的激勵(lì)作用而產(chǎn)生輻射，v使物體內(nèi)產(chǎn)生能量形式的轉(zhuǎn)化而向外發(fā)射輻射能。使物體內(nèi)產(chǎn)生能量形式的轉(zhuǎn)化而向外發(fā)射輻射能。v熱輻射熱輻射由于由于熱的原因熱的原因而產(chǎn)生的電磁

3、波輻射。而產(chǎn)生的電磁波輻射。v 其電磁波是由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變激發(fā)出來(lái)的其電磁波是由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變激發(fā)出來(lái)的。v熱輻射是物質(zhì)的固有屬性。熱輻射是物質(zhì)的固有屬性。v 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0K，就能不斷地發(fā)出輻射能。，就能不斷地發(fā)出輻射能。5-1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念5v起因不同，波長(zhǎng)不同、名稱不同、起因不同，波長(zhǎng)不同、名稱不同、特性不同。特性不同。v 短波短波 射線、射線、X射射線等線等，高能物理學(xué)家和核工程師更感興趣；，高能物理學(xué)家和核工程師更感興趣；v 微波爐微波爐利用波長(zhǎng)在利用波長(zhǎng)在25 m1mm的的遠(yuǎn)紅外線加熱物體遠(yuǎn)

4、紅外線加熱物體。遠(yuǎn)紅外線能。遠(yuǎn)紅外線能穿透塑料、陶瓷和玻璃等，但會(huì)被水等極性分子吸收而產(chǎn)生內(nèi)熱源；穿透塑料、陶瓷和玻璃等，但會(huì)被水等極性分子吸收而產(chǎn)生內(nèi)熱源；v無(wú)線電波無(wú)線電波波長(zhǎng)大于波長(zhǎng)大于1mm的電磁波的電磁波，主要用于無(wú)線電技術(shù)中。，主要用于無(wú)線電技術(shù)中。熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念（2）電磁波波譜）電磁波波譜電磁波的波長(zhǎng)范圍，從零到無(wú)窮大。電磁波的波長(zhǎng)范圍，從零到無(wú)窮大。電磁波通常以電磁波通常以波長(zhǎng)或頻率波長(zhǎng)或頻率來(lái)識(shí)別。來(lái)識(shí)別。不同的電磁波位于電磁波波譜的一定波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)。不同的電磁波位于電磁波波譜的一定波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)。6（3 3）熱射線）熱射線理論上：理論上：0 工程中：主要在工程中

5、：主要在0.1 m100 m熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念基本特征：基本特征：投射到物體表面并被吸收后能夠產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)。投射到物體表面并被吸收后能夠產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)。7v工業(yè)溫度工業(yè)溫度（在在2000K以下以下）紅外輻射紅外輻射v 有實(shí)際意義的熱輻射位于有實(shí)際意義的熱輻射位于0.38100 m，且大部分能量集中在紅，且大部分能量集中在紅外區(qū)段外區(qū)段0.7620 m，而可見(jiàn)光，而可見(jiàn)光 0.380.76 m所占比重不大。所占比重不大。v太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射（溫度約溫度約5800K）可見(jiàn)光輻射可見(jiàn)光輻射v 能量集中在能量集中在0.22 m波長(zhǎng)范圍，其中可見(jiàn)光區(qū)段占很大比重。波長(zhǎng)范圍，其中可見(jiàn)光區(qū)

6、段占很大比重。0.1100 m熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念v 物體之間相互發(fā)射和相互吸收輻射能的物體之間相互發(fā)射和相互吸收輻射能的綜合結(jié)果就造成了物體間以熱輻射方式進(jìn)行綜合結(jié)果就造成了物體間以熱輻射方式進(jìn)行的熱量傳遞。的熱量傳遞。v物體間有溫差物體間有溫差輻射傳熱量。輻射傳熱量。 v溫差消失溫差消失輻射傳熱量為零輻射傳熱量為零；但物體間的發(fā)射和；但物體間的發(fā)射和吸收仍在不停地進(jìn)行（吸收仍在不停地進(jìn)行（動(dòng)態(tài)熱平衡動(dòng)態(tài)熱平衡）。）。v物體間輻射傳熱量的計(jì)算后面詳細(xì)討論。物體間輻射傳熱量的計(jì)算后面詳細(xì)討論。（動(dòng)態(tài)平衡），002, 1212, 121TTTT熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念2 2、

7、輻射傳熱的基本特點(diǎn)、輻射傳熱的基本特點(diǎn)與導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱的本質(zhì)區(qū)別：與導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱的本質(zhì)區(qū)別： (1)物體間輻射傳熱不需要接觸，也不需要中間物體間輻射傳熱不需要接觸，也不需要中間媒質(zhì)，可在真空下進(jìn)行，且在真空中最有效。媒質(zhì)，可在真空下進(jìn)行，且在真空中最有效。 (2)輻射傳熱過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化。輻射傳熱過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化。發(fā)射熱力學(xué)能輻射能熱力學(xué)能輻射能吸收熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念105.1.3 輻射力與輻射強(qiáng)度輻射力與輻射強(qiáng)度（1）光譜輻射力與輻射力）光譜輻射力與輻射力1、光譜輻射力、光譜輻射力 E 物體在單位時(shí)間、單位表面積向其上半球空間所有物體在單位時(shí)間、單位表面積

8、向其上半球空間所有方向上發(fā)射的波長(zhǎng)方向上發(fā)射的波長(zhǎng)在在 +d 范圍內(nèi)范圍內(nèi)的輻射能量。的輻射能量。單位單位W/m32、輻射力、輻射力 E物體在單位時(shí)間、單位表面積向其上半球空間所有物體在單位時(shí)間、單位表面積向其上半球空間所有方向發(fā)射的方向發(fā)射的全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能量。的輻射能量。單位單位W/m2表示物體熱輻射本領(lǐng)的大小。表示物體熱輻射本領(lǐng)的大小。0 EE d二者關(guān)系熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念dEd dA11（2）定向輻射強(qiáng)度）定向輻射強(qiáng)度熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念2cddAr微元立體角 緯度角緯度角經(jīng)度角經(jīng)度角實(shí)際上，物體在空間不同方位上的輻射能力也不同。實(shí)際上，物

9、體在空間不同方位上的輻射能力也不同。首先需要了解空間方位及其大小的表示方法。首先需要了解空間方位及其大小的表示方法。空間某一方向所占區(qū)域的大小，空間某一方向所占區(qū)域的大小，用用立體角立體角表示，表示，單位球面度單位球面度sr 。2cAr立體角 球坐標(biāo)系空間方位空間方位空間大小空間大小v 空間不同方向上的立體角不同，所占空間區(qū)域空間不同方向上的立體角不同，所占空間區(qū)域的大小不同，立體角內(nèi)所具有的能量就不同的大小不同，立體角內(nèi)所具有的能量就不同。v 為了為了衡量物體表面向空間不同方位發(fā)射輻射能衡量物體表面向空間不同方位發(fā)射輻射能的的能力大小，必須能力大小，必須針對(duì)針對(duì)不同方位上的相不同方位上的相等

10、等立體角立體角進(jìn)進(jìn)行比較才有意義。行比較才有意義。122sinsin rdrddddr微元立體角135.1.3 輻射力與輻射強(qiáng)度輻射力與輻射強(qiáng)度（2）定向輻射強(qiáng)度）定向輻射強(qiáng)度 單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)在空間指定方向在空間指定方向 的的單位立體角單位立體角內(nèi)離開(kāi)物內(nèi)離開(kāi)物體體表面表面單位可見(jiàn)輻射面積單位可見(jiàn)輻射面積的全波長(zhǎng)輻射能量的全波長(zhǎng)輻射能量。 用用I表示表示，單位，單位W/(m2sr) 定向光譜輻射強(qiáng)度定向光譜輻射強(qiáng)度 針對(duì)某一波長(zhǎng)的定向輻射強(qiáng)度，針對(duì)某一波長(zhǎng)的定向輻射強(qiáng)度，用用I 表示表示，單位，單位W/(m3sr)( )( )cosddAdI熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念( )(co)

11、( )sIddddAIdv圖中位于球心圖中位于球心O處微元面處微元面dA為輻射表面，半球面上為輻射表面，半球面上dAs為接收輻射面。為接收輻射面。dAs緯度角為緯度角為 ，立體角為，立體角為d 。v空間空間 方向的微元面方向的微元面dAs所見(jiàn)到的輻射面積為所見(jiàn)到的輻射面積為dAcos ，該面積就稱為該面積就稱為可見(jiàn)輻射面積可見(jiàn)輻射面積。v顯然，在微元面顯然，在微元面dA法線方向上法線方向上可可見(jiàn)輻射面積最大見(jiàn)輻射面積最大，而，而在微元面在微元面切線方向上切線方向上可見(jiàn)可見(jiàn)輻射面積為零。輻射面積為零。14cosdA可見(jiàn)輻射面積 ( )( )cosddAdI15定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度( )( )

12、cosddAdI熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念2sincdAdrdd 微元立體角 cosdA可見(jiàn)輻射面積 緯度角經(jīng)度角165.1.3 理想輻射體理想輻射體 1、物體對(duì)投入輻射的作用、物體對(duì)投入輻射的作用 投入輻射投入輻射G單位時(shí)間內(nèi)從外界投射到單位時(shí)間內(nèi)從外界投射到物體單位表面積上的總輻射能，物體單位表面積上的總輻射能，W/m2。 1投入輻射投入輻射 = 1GGGGGGGGGG或能量守恒：GGGGGG吸收比反射比透射比 、 、 不僅取決于物體的性質(zhì)，還與不僅取決于物體的性質(zhì)，還與有關(guān)。有關(guān)。熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念自然界中物體自然界中物體1G 光譜吸收比光譜反射比光譜透射比特定波長(zhǎng)吸

13、收吸收反射反射透射透射17熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念 自然界中自然界中并不真實(shí)存在。并不真實(shí)存在。=0.900.95煤煙炭黑黑油漆粗糙鋼板=0.981磨光純金 純凈空氣 黑色物體不一定是黑體； 白色物體不一定是鏡體。不能僅憑顏色判斷：5.2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律5.2.1 黑體與黑體模型黑體與黑體模型v黑體黑體吸收比吸收比 = 1的物體的物體v 黑體具有最大的吸收能力，能夠百分百地吸收來(lái)自黑體具有最大的吸收能力，能夠百分百地吸收來(lái)自空間各方向、各波長(zhǎng)的全部投入能量，既空間各方向、各波長(zhǎng)的全部投入能量，既沒(méi)有沒(méi)有反射也反射也沒(méi)有沒(méi)有透透射射，這是它的吸收特性，這是它的吸收特

14、性。v自然界中并不存在真正意義上的黑體。自然界中并不存在真正意義上的黑體。 19 5.2.1 黑體與黑體模型黑體與黑體模型v當(dāng)輻射能從小孔進(jìn)入空腔時(shí)當(dāng)輻射能從小孔進(jìn)入空腔時(shí)v 經(jīng)過(guò)多次吸收和反射；經(jīng)過(guò)多次吸收和反射；v最終通過(guò)小孔離開(kāi)的能量就近乎最終通過(guò)小孔離開(kāi)的能量就近乎于零，認(rèn)為輻射能被全部吸收。于零，認(rèn)為輻射能被全部吸收。v 小孔面積占空腔內(nèi)壁總面積的份額越小，空腔小孔面積占空腔內(nèi)壁總面積的份額越小，空腔內(nèi)壁面材料的吸收比越大，小孔就越接近于黑體。內(nèi)壁面材料的吸收比越大，小孔就越接近于黑體。5-2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律人工黑體模型人工黑體模型帶小孔的壁溫均勻的空腔帶小孔的

15、壁溫均勻的空腔:205.2.2 5.2.2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律 揭示揭示Eb = f ( ，T）的函數(shù)關(guān)系）的函數(shù)關(guān)系21251b/1CTcEe 波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，m ； T 黑體溫度，黑體溫度，K ；第一輻射常數(shù)第一輻射常數(shù) C1= 3.74310-16 W m2 ;第二輻射常數(shù)第二輻射常數(shù) C2 = 1.43910-2 m K。 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律5.2.2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律 1901年普朗克根據(jù)量子力學(xué)年普朗克根據(jù)量子力學(xué)理論得到的。理論得到的。黑體輻射曲線黑體輻射曲線22 黑體輻射的特點(diǎn)：黑體輻射的特點(diǎn)：（1）黑體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)的變

16、化是連續(xù)的。 一定溫度下，黑體的光譜輻射力先隨波長(zhǎng)的增加而增加，達(dá)到某一峰值后又隨波長(zhǎng)的增加而減小。 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律（2）波長(zhǎng)一定時(shí)，黑體的光譜輻射力均隨溫度的升高而增加。 但短波范圍內(nèi)光譜輻射力的增加幅度比長(zhǎng)波范圍內(nèi)的要更大一些。（3）光譜輻射力曲線下的面積就是黑體在該溫度下的半球向總輻射力。 并且隨黑體溫度的升高而增大。（4）一定溫度下黑體輻射的大部分能量集中在某一波段范圍內(nèi)。 隨著溫度升高，該波段范圍向短波方向移動(dòng)。（5）任意溫度下，黑體的光譜輻射力都存在著一個(gè)極大值， 并且隨著溫度的升高，該極大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)?？梢?jiàn)光所占份額升高?？梢?jiàn)光所占份額升高。

17、max2898 m KT1891891 1年年維恩據(jù)熱力學(xué)原理導(dǎo)出，維恩據(jù)熱力學(xué)原理導(dǎo)出，早于普朗克定律早于普朗克定律。max0bET一定時(shí)，令所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。max5800K 0.5 mTmax2000K 1.45 mTmax300K 9.66 mT 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律 可測(cè)定太空星體表面溫度，也可用來(lái)選擇對(duì)特定地物的監(jiān)測(cè)波段，如火災(zāi)檢測(cè)。 可解釋現(xiàn)象，可解釋現(xiàn)象，如色溫。核爆炸：溫度約核爆炸：溫度約幾千萬(wàn)幾千萬(wàn) K， max024黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律輻射表面顏色輻射表面顏色表面溫度表面溫度/K輻射表面顏色輻射表面顏色表面溫度表面溫度/K暗紅色暗紅色800黃色

18、黃色1500深紅色深紅色1000白色白色1600櫻桃紅色櫻桃紅色1200白熾白熾1800以上以上橙色橙色1400 將一鐵塊放入高溫爐中加熱，從熱輻射角度分析將一鐵塊放入高溫爐中加熱，從熱輻射角度分析鐵塊的顏色變化過(guò)程。鐵塊的顏色變化過(guò)程。254bET = 5.6710-8 W/(m2 K4) 。251bb/()001CTcEE dde40100TCEbC0= 5.67 W/(m2 K4) 黑體輻射系數(shù)黑體輻射系數(shù)。 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律Ludwig Boltzmann 18441906 首先由首先由18791879年通過(guò)實(shí)年通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到；其后由驗(yàn)得到；其后由玻耳茲曼玻耳茲曼18

19、188484年通過(guò)熱力學(xué)理論證實(shí)。年通過(guò)熱力學(xué)理論證實(shí)。均早于均早于1901年年普朗克定律普朗克定律。波段輻射力波段輻射力黑體在某一波段范圍內(nèi)發(fā)出的輻射能。黑體在某一波段范圍內(nèi)發(fā)出的輻射能。2121()bbEE d 由于黑體發(fā)出輻射能的大部分都集中在某一波段范圍內(nèi)，因此由于黑體發(fā)出輻射能的大部分都集中在某一波段范圍內(nèi)，因此許多工程應(yīng)用并不需要計(jì)算全波長(zhǎng)輻射力。許多工程應(yīng)用并不需要計(jì)算全波長(zhǎng)輻射力。黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律12()bF-表示波段輻射力占同溫度下黑體輻射力的份額黑體輻射函數(shù)：黑體輻射函數(shù)： Fb(0) 表示相同溫度下黑體在波長(zhǎng)表示相同溫度下黑體在波長(zhǎng)0范圍內(nèi)的波范圍內(nèi)的

20、波段輻射力占其輻射力的份額，記為段輻射力占其輻射力的份額，記為 f ( T ) 。0(0)450()()TbbbEdEFdTfTTT22111221()(0)(0)40001bbbbbbbE dFE dE dFFTE d黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù)T/(m K)F0-TT/(m K)F0-TT/(m K)F0-T2004006008001 0001 2001 4001 6001 8002 0002 2002 4002 6002 8003 0003 2003 4003 6003 8004 0000.000 0000.000 0000.000 0000.000 0160.000 3210.002 13

21、40.007 7900.019 7180.039 3410.066 7280.100 8880.140 2560.183 1200.227 8970.273 2320.318 1020.361 7350.403 6070.443 3820.480 8774 2004 4004 6004 8005 0005 2005 4005 6005 8006 0006 2006 4006 6006 8007 0007 2007 4007 6007 8008 0000.516 0140.548 7960.579 2800.607 5590.633 7470.658 9700.680 3600.701 0460

22、.720 1580.737 8180.754 1400.769 2340.783 1990.796 1290.808 1090.819 2170.829 5270.839 1020.848 0050.856 2888 5009 0009 50010 00010 50011 00011 50012 00013 00014 00015 00016 00018 00020 00025 00030 00040 00050 00075 000100 0000.874 6080.890 0290.903 0850.914 1990.923 7100.931 8900.939 9590.845 0980.9

23、55 1390.962 8980.969 9810.973 8140.980 8600.985 6020.992 2150.995 3400.997 9670.998 9530.999 7130.999 905黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律例題例題5-1習(xí)題習(xí)題5-1、2、3等等1221()(0)(0)bbbFFF28黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律( )bII 常數(shù)( )bdEddA黑體的定向輻射力 bbEI黑體輻射力 cosbI( )( )cosddAdI2930黑體黑體輻射基本定律的小結(jié)輻射基本定律的小結(jié) 揭示黑體光譜輻射力揭示黑體光譜輻射力Eb = f ( ,T）的函數(shù)關(guān)系）

24、的函數(shù)關(guān)系黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律max2898 m KT維恩(Wien)位移定律 44b0100TETCbb0EE d( )bII定向輻射強(qiáng)度 常數(shù)cos bbEI定向輻射力 251b/1CTcEebbEI余弦定律四次方定律v任意放置的兩個(gè)黑體表面任意放置的兩個(gè)黑體表面:v面積面積A1、A2v溫度溫度T1、T2v如何計(jì)算它們的傳熱量？如何計(jì)算它們的傳熱量？5.3 黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算5.3.1 兩個(gè)黑體表面間的輻射傳熱兩個(gè)黑體表面間的輻射傳熱 v表面表面1 1發(fā)出的輻射能：發(fā)出的輻射能：Eb1A1v表面表面2 2發(fā)出的輻射能：發(fā)出的輻射能：Eb2A2v

25、二者相減是不是輻射傳熱量？二者相減是不是輻射傳熱量？Nov為什么？為什么？黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算5.3.1 兩個(gè)黑體表面間的輻射傳熱兩個(gè)黑體表面間的輻射傳熱 在表面面積、溫度確定的條件下，表面在表面面積、溫度確定的條件下，表面1 1發(fā)出的輻射能未必全部落到表面發(fā)出的輻射能未必全部落到表面2 2上，同樣表上，同樣表面面2 2發(fā)出的輻射能未必全部落到表面發(fā)出的輻射能未必全部落到表面1 1上。上。v表面之間的相對(duì)位置不同，黑體發(fā)出的輻射能落到對(duì)方上的數(shù)量是不同的。v兩個(gè)表面間的輻射傳熱量?jī)蓚€(gè)表面間的輻射傳熱量v 與其相對(duì)位置有很大關(guān)系。與其相對(duì)位置有很大關(guān)系。輻射傳熱量輻射

26、傳熱量 最大最大輻射傳熱量輻射傳熱量 為零為零角系數(shù)的定義：角系數(shù)的定義：同理，表面表面2對(duì)表面對(duì)表面1的角系數(shù)，記為的角系數(shù)，記為X2,1。 表面表面1發(fā)出的發(fā)出的的輻射能中的輻射能中落到達(dá)表面落到達(dá)表面2的的百分?jǐn)?shù)百分?jǐn)?shù)，稱為表面稱為表面1對(duì)表面對(duì)表面2的角系數(shù)，記為的角系數(shù)，記為X1,2。黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算5.3.1 兩個(gè)黑體表面間的輻射傳熱兩個(gè)黑體表面間的輻射傳熱 121b11,2E XA表面1發(fā)射的落到表面2上的輻射能212b22,1E XA表面2發(fā)射的落到表面1上的輻射能1,2122111,2b122,1

27、b2bA XEA XE凈輻射傳熱量:34 122122112, 1coscos1AAdAdArAX 122122121 , 2coscos1AAdAdArAX根據(jù)角系數(shù)和定向輻射強(qiáng)度的定義，根據(jù)角系數(shù)和定向輻射強(qiáng)度的定義，并利用蘭貝特定律：并利用蘭貝特定律：v角系數(shù)純是幾何參數(shù)：角系數(shù)純是幾何參數(shù)：僅與僅與物體表面的物體表面的幾何形狀、尺寸大小和相對(duì)位置有關(guān)。幾何形狀、尺寸大小和相對(duì)位置有關(guān)。而與物體的種類(lèi)、溫度、表面狀況等均沒(méi)有關(guān)系。而與物體的種類(lèi)、溫度、表面狀況等均沒(méi)有關(guān)系。條件：條件：漫射表面；表面溫度均勻漫射表面；表面溫度均勻（不均勻應(yīng)看成不同表面）（不均勻應(yīng)看成不同表面）11,222

28、,1A XA X1 1、角系數(shù)的計(jì)算式、角系數(shù)的計(jì)算式黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算 5.3.2 角系數(shù)的性質(zhì)與計(jì)算角系數(shù)的性質(zhì)與計(jì)算 11,222,1A XA X,1,2,11Niii ii Ni jjXXXXX 2、角系數(shù)的性質(zhì)、角系數(shù)的性質(zhì), 0i iX非凹表面, 0i iX凹表面黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算5.3.2 角系數(shù)的性質(zhì)與計(jì)算角系數(shù)的性質(zhì)與計(jì)算 角系數(shù)的完整性 1,21,21,2abXXX1,21,21,1b11b11b12abXXXAEAEAE121212ab212 ,12 122,2aabbXXXAAA212 ,12 ,1abXXX角

29、系數(shù)的分解：角系數(shù)的分解：只針對(duì)角系數(shù)的第二個(gè)角碼！只針對(duì)角系數(shù)的第二個(gè)角碼！1,21,21 NiiXX表面2由N個(gè)表面構(gòu)成:5.3.2 角系數(shù)的性質(zhì)與計(jì)算角系數(shù)的性質(zhì)與計(jì)算 黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算 122122112, 1coscos1AAdAdArAX黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算5.3.2 角系數(shù)的性質(zhì)與計(jì)算角系數(shù)的性質(zhì)與計(jì)算 （在垂直板面的方向無(wú)限長(zhǎng)）（在垂直板面的方向無(wú)限長(zhǎng)）1,21,31XX2,12,31XX3,13,21XX11,222,1A XA X11,333,1A XA X22,333,2A XA X1231,212AAAXA13

30、21,312AAAXAXi,i =01231,212LLLXL2312,322AAAXA黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算1,21,1,1acbdXXX 1,2abacbcacablllXl1,2abbdadbdablllXl 1,22adbcacbdabllllXl兩個(gè)相互看得見(jiàn)的非凹表面兩個(gè)相互看得見(jiàn)的非凹表面 （在垂直板面的方向無(wú)限長(zhǎng)）（在垂直板面的方向無(wú)限長(zhǎng)）的斷面長(zhǎng)度表面不交叉線之和交叉線之和122 , 1X 系統(tǒng)封閉系統(tǒng)封閉 作假想面作假想面acac和和bd bd (作假想面作假想面bc和和ad)1-ab 2-cd(abdca封閉封閉)(abda封閉封閉)(abca封

31、閉封閉)（交叉線法）（交叉線法）Xi,i =0黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算工程上，工程上， 線算圖求角系數(shù)；線算圖求角系數(shù)； 可查閱傳熱學(xué)手冊(cè)?？刹殚唫鳠釋W(xué)手冊(cè)。黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算例題：求下列圖形中的角系數(shù)。例題：求下列圖形中的角系數(shù)。1 2X，11 222 1A XA X，212211AXXA，211X，2413324RRR 解：黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算21221112AXXA，解：21221118AXXA，解：1 20.5X，解：211X，211X，2221 24RAAR2221 2ARAR黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑

32、體表面間輻射傳熱的計(jì)算特殊情況下角系數(shù)的計(jì)算：特殊情況下角系數(shù)的計(jì)算：1,21X11,222,1A XA X12,12AXA21,21,21aaAXXA1,22,11XX忽略邊緣效應(yīng)忽略邊緣效應(yīng)輔助平面輔助平面2a兩表面組成的封閉系統(tǒng)兩表面組成的封閉系統(tǒng)1,12,200XX1,12,20 X0X1,12,20XX黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算5.3.3 5.3.3 黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算 1,211,2b1b222,1b1b2 bA XEEA XEEb1b2b1b21,211,222,111EEEEA XA X11,222,1A XA X黑體表面間輻

33、射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算空間輻射熱阻空間輻射熱阻1,2b輻射勢(shì)差空間輻射熱阻關(guān)鍵是求角系數(shù)。關(guān)鍵是求角系數(shù)。寫(xiě)成歐姆定律的形式：寫(xiě)成歐姆定律的形式：1,21b1b244112 bA EEATT1,21X特殊情況 455.3.3 5.3.3 黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算 黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算黑體表面間輻射傳熱的計(jì)算b1 2b1b2，表面之間的輻射傳熱量某表面的凈輻射是不是能量或 一回事？1,2122bbb 表面組成封閉系統(tǒng)：1,2122bbb 表面組成非封閉系統(tǒng)：為了計(jì)算表面的凈輻射能量，必須建立包括研究表面在內(nèi)的，可以是真實(shí)表面，也可以是虛封腔。閉構(gòu)表面 1

34、,N 1Nbibjbijii jEEA X由 個(gè)黑體表面組成的封閉空腔：v5.4.1 固體和液體的輻射特性v5.4.2 固體和液體對(duì)投入輻射的作用 v5.4.3 氣體輻射v5.4.4 漫射表面和灰體v5.4.5 基爾霍夫定律46471）實(shí)際物體輻射的波長(zhǎng)特性）實(shí)際物體輻射的波長(zhǎng)特性bEE光譜發(fā)射率 材料的光譜輻射率隨波長(zhǎng)變化比較大，且不規(guī)則； 不同材料的光譜輻射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律差異也很大。又稱單色黑度482）實(shí)際物體的輻射力）實(shí)際物體的輻射力 總是小于同溫度下黑體的輻射力?？偸切∮谕瑴囟认潞隗w的輻射力。404100TCTEEb實(shí)際物體的輻射力并不嚴(yán)格遵循四次方定律，實(shí)際物體的輻射力并不嚴(yán)格遵

35、循四次方定律，所存在的偏差包含在發(fā)射率中。所存在的偏差包含在發(fā)射率中。0040 bbbE dE dEETE d發(fā)射率49實(shí)際物體的發(fā)射率實(shí)際物體的發(fā)射率一般都與其溫度有關(guān)。一般都與其溫度有關(guān)。物體的發(fā)射率通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。物體的發(fā)射率通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。常用材料的發(fā)射率可查附錄常用材料的發(fā)射率可查附錄15或有關(guān)傳熱學(xué)手冊(cè)?；蛴嘘P(guān)傳熱學(xué)手冊(cè)。503）實(shí)際物體輻射的方向特性）實(shí)際物體輻射的方向特性 一般不嚴(yán)格遵守蘭貝特定律，其定向輻射強(qiáng)度在空間一般不嚴(yán)格遵守蘭貝特定律，其定向輻射強(qiáng)度在空間不同方向上是不同的。不同方向上是不同的。( )( ) ( )bbIIII定向發(fā)射率 1.01.30.931.0nnn 總

36、發(fā)射率與法向發(fā)射率相差不大導(dǎo) 電 體 非導(dǎo)電體 n意味著實(shí)際物體也基本服從蘭貝特定律，可將大多數(shù)工程材料近似一種合理的近似 看作漫發(fā) 射表面。某些材料的表面發(fā)射率某些材料的表面發(fā)射率材料名稱及表面狀況材料名稱及表面狀況溫度溫度t（）發(fā)射率發(fā)射率鋁：拋光，純度鋁：拋光，純度982006000.040.06 粗制板粗制板400.07 嚴(yán)重氧化嚴(yán)重氧化1005500.200.33 箔，光亮箔，光亮1003000.060.07黃銅：高度拋光黃銅：高度拋光2500.03 拋光拋光400.07 無(wú)光澤板無(wú)光澤板402500.22 氧化氧化402500.460.56石棉：石棉板石棉：石棉板400.96 石棉

37、水泥石棉水泥 400.97 石棉瓦石棉瓦400.97混凝土：粗糙表面混凝土：粗糙表面400.94玻璃：平板玻璃玻璃：平板玻璃400.94 石英玻璃石英玻璃2mm厚厚2505500.960.66 硼硅酸玻璃硼硅酸玻璃2505500.940.75材料名稱及表面狀況材料名稱及表面狀況溫度溫度t（）發(fā)射率發(fā)射率雪雪-12-60.82冰：光滑面冰：光滑面00.97油漆：各種油漆油漆：各種油漆400.920.96 白色油漆白色油漆400.800.95 光亮黑漆光亮黑漆400.90人的皮膚人的皮膚320.98各種木材各種木材400.800.9252 （1 1）物體向外輻射能量的多少）物體向外輻射能量的多少，

38、不僅與物體的種，不僅與物體的種類(lèi)有關(guān)，而且與其表面狀況及溫度等因素有關(guān)，類(lèi)有關(guān)，而且與其表面狀況及溫度等因素有關(guān)，同時(shí)輻射強(qiáng)度不一定各向均勻。同時(shí)輻射強(qiáng)度不一定各向均勻。 （2 2）物體物體A A發(fā)出的輻射能發(fā)出的輻射能不一定全部落到物體不一定全部落到物體B B表表面面，到底有多少？比例多大？，到底有多少？比例多大？ （3 3）落到物體落到物體B B上的部分輻射能，上的部分輻射能，不一定全部被吸不一定全部被吸收，有一部分被表面反射回去，有一部分可透過(guò)收，有一部分被表面反射回去，有一部分可透過(guò)物體。物體。各自比例多大？如何計(jì)算？各自比例多大？如何計(jì)算？四次方定律四次方定律角系數(shù)角系數(shù)物體對(duì)投入輻

39、射的作用物體對(duì)投入輻射的作用v對(duì)大多數(shù)固體和液體，對(duì)大多數(shù)固體和液體，v 分子排列緊密，當(dāng)熱射線投射到其表面時(shí)，會(huì)在很段的距離分子排列緊密，當(dāng)熱射線投射到其表面時(shí)，會(huì)在很段的距離內(nèi)吸收。一般工程問(wèn)題所涉及的材料厚度都大于這個(gè)距離。內(nèi)吸收。一般工程問(wèn)題所涉及的材料厚度都大于這個(gè)距離。v 可認(rèn)為熱射線不能穿透固體和液體，可認(rèn)為熱射線不能穿透固體和液體，即即1）實(shí)際物體的透射特性）實(shí)際物體的透射特性01 其吸收和反射都在表面上進(jìn)行，其吸收和反射都在表面上進(jìn)行， 屬表面現(xiàn)象，物體的表面狀況影響至關(guān)重要。屬表面現(xiàn)象，物體的表面狀況影響至關(guān)重要。v有些材料能夠透過(guò)熱射線，并對(duì)熱射線的透過(guò)具有有些材料能夠透

40、過(guò)熱射線，并對(duì)熱射線的透過(guò)具有一定的選擇性。一定的選擇性。v即對(duì)某一波長(zhǎng)范圍的熱射線具有良好的穿透性，即對(duì)某一波長(zhǎng)范圍的熱射線具有良好的穿透性， 而對(duì)另一波長(zhǎng)范圍的熱射線則表現(xiàn)出非透射性。而對(duì)另一波長(zhǎng)范圍的熱射線則表現(xiàn)出非透射性。1）實(shí)際物體的透射特性）實(shí)際物體的透射特性 4 m 常溫輻射 太陽(yáng)輻射 對(duì)的紅外線是非透明體石英玻璃建造溫室對(duì)可見(jiàn)光和紫外線是透明體55 高度磨光的金屬板高度磨光的金屬板 一般工程材料一般工程材料 物體表面的粗糙度和投入輻射的波長(zhǎng)決定反射類(lèi)型：物體表面的粗糙度和投入輻射的波長(zhǎng)決定反射類(lèi)型： 表面不平整尺寸小于投入輻射的波長(zhǎng)，形成鏡面反射；表面不平整尺寸小于投入輻射的波

41、長(zhǎng)，形成鏡面反射； 表面不平整尺寸大于投入輻射的波長(zhǎng)，形成漫反射。表面不平整尺寸大于投入輻射的波長(zhǎng)，形成漫反射。2）實(shí)際物體的反射特性）實(shí)際物體的反射特性01 563）實(shí)際物體的吸收特性）實(shí)際物體的吸收特性 G光譜吸收比特定波長(zhǎng)00G dG dGGG投入輻射吸收比物體對(duì)黑體輻射的吸收比物體對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系v影響物體表面吸收的主要因素：影響物體表面吸收的主要因素：v（1）物體本身的狀況）物體本身的狀況va物體的種類(lèi)物體的種類(lèi)vb物體表面的狀況，如顏色、粗糙程度等。物體表面的狀況，如顏色、粗糙程度等。v但投入輻射的來(lái)源不同，影響程度也不同。但投入輻射的來(lái)源不同，影響程度也

42、不同。0120.96白色黑色 對(duì)太陽(yáng)輻射，取決于物體表面的顏色白色表面：吸收差. 、反射強(qiáng)；黑色表面：吸收強(qiáng)、反射差。3）實(shí)際物體的吸收特性）實(shí)際物體的吸收特性0.90,0 985白漆黑漆雪 對(duì)工業(yè)溫度下的紅外輻射，取決于表面粗糙度 幾乎相同；雪對(duì)紅外輻射的吸收比.。v影響物體表面吸收的主要因素：影響物體表面吸收的主要因素：v（2）投入輻射的波長(zhǎng)）投入輻射的波長(zhǎng)v例：例：a、墨鏡、焊接黑色防護(hù)鏡、墨鏡、焊接黑色防護(hù)鏡能吸收有害的紫外線；能吸收有害的紫外線； v b、自、自然界中五彩斑斕的色彩然界中五彩斑斕的色彩v 物體對(duì)可見(jiàn)光中不同波長(zhǎng)熱射線的選擇性吸收和反射物體對(duì)可見(jiàn)光中不同波長(zhǎng)熱射線的選擇

43、性吸收和反射3）實(shí)際物體的吸收特性）實(shí)際物體的吸收特性解釋：解釋：黑色：全部吸收各種可見(jiàn)光；黑色：全部吸收各種可見(jiàn)光；白色：全部反射各種可見(jiàn)光；白色：全部反射各種可見(jiàn)光；灰色：均勻吸收并均勻反射各色可見(jiàn)光；灰色：均勻吸收并均勻反射各色可見(jiàn)光；綠色：只反射綠色而吸收了其他可見(jiàn)光；綠色：只反射綠色而吸收了其他可見(jiàn)光；藍(lán)色：只反射藍(lán)色而吸收了其他可見(jiàn)光。藍(lán)色：只反射藍(lán)色而吸收了其他可見(jiàn)光。我們看到常溫物體呈現(xiàn)某一顏色，解釋這一現(xiàn)象。實(shí)際物體的吸收特性60v 發(fā)出投射輻射物體的溫度發(fā)出投射輻射物體的溫度v因?yàn)槲矬w的溫度不同，其發(fā)射的因?yàn)槲矬w的溫度不同，其發(fā)射的輻射能隨波長(zhǎng)的分布規(guī)律就不同，而輻射能隨波

44、長(zhǎng)的分布規(guī)律就不同，而實(shí)際物體的吸收對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性。實(shí)際物體的吸收對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性。3）實(shí)際物體的吸收特性）實(shí)際物體的吸收特性v基本特點(diǎn)：基本特點(diǎn)：01 01 01 5.4.4 漫射表面和灰體漫射表面和灰體v通過(guò)上面的分析可以了解到，實(shí)際物體的輻射特性是復(fù)雜的：v（1）實(shí)際物體輻射的方向特性不嚴(yán)格遵守蘭貝特定律，實(shí)際物體）實(shí)際物體輻射的方向特性不嚴(yán)格遵守蘭貝特定律，實(shí)際物體對(duì)投入輻射的反射有鏡面反射和漫反射之分。對(duì)投入輻射的反射有鏡面反射和漫反射之分。v 但分析表明，一般工程材料的表面均可看作是漫射表面，尤其對(duì)紅外輻射而言。v 漫射表面漫射表面包含兩層含義漫發(fā)射和漫反射，即能向半球空間各方向

45、以均勻的輻射強(qiáng)度發(fā)射輻射能、以均勻的強(qiáng)度反射輻射能。v 這大大簡(jiǎn)化了實(shí)際物體輻射換熱計(jì)算的復(fù)雜性。v（2）實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收具有光譜選擇性。）實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收具有光譜選擇性。v 這是造成實(shí)際物體吸收特性復(fù)雜化的主要原因，也為輻射傳熱的分析和計(jì)算帶來(lái)了極大的不便。v 為了解決這一特性對(duì)輻射傳熱計(jì)算所帶來(lái)的困難，這里提出一種新的理想體灰體灰體。 63v光譜吸收比光譜吸收比 不隨波長(zhǎng)不隨波長(zhǎng)變化的物體變化的物體既然灰體是一種理想的輻射體，那么什么情況下可以將實(shí)際物體當(dāng)作灰體處理呢?v 研究表明，在一般輻射傳熱計(jì)算所涉及到的工業(yè)高溫研究表明，在一般輻射傳熱計(jì)算所涉及到的工業(yè)高溫（2000K）范圍內(nèi)，輻射能主要集中在紅外波段內(nèi)。在）范圍內(nèi)，輻射能主要集中在紅外波段內(nèi)。在這一波段范圍內(nèi)大多數(shù)工程材料的光譜吸收比隨波長(zhǎng)的這一波段范圍內(nèi)大多數(shù)工程材料的光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化不大，近似為常數(shù)，因而可看作是灰體。變化不大，近似為常數(shù)，因而可看作是灰體。v 需要注意，