傳熱學(xué)第5章 輻射換熱-32學(xué)時

1、第五章 輻射換熱(Radiation Heat Transfer) 5.1輻射的基本概念 一、輻射的本質(zhì) 輻射物體通過電磁波傳遞能量的過程 熱輻射是由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動狀態(tài)改變時，而將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)變成電磁波的能量發(fā)射出去的過程。熱輻射的三大特點 可以在真空中傳播； 能量形式在傳播過程中發(fā)生了變化 一切物體只要溫度大于0K，就會不停地發(fā)射熱射線。 5.1輻射的基本概念 由于起因不同，物體發(fā)射電磁波的波長也不同，可分為： 5.1輻射的基本概念 由于起因不同，物體發(fā)射電磁波的波長也不同，可分為： 0.38m 紫外線、X射線、射線 0.380.76m 可見光 0.761000m 紅外線 0.76

2、4m 近紅外 41000m 無線電波 熱輻射的波段=0.1100m 5.1輻射的基本概念 熱輻射具有一般輻射現(xiàn)象的共性，以光速傳播： cc ：電磁波的傳播速度，3108m/s：頻率1/s ：波長m輻射的本質(zhì)極其傳播過程除了用電磁波理論來說明外，對有些現(xiàn)象 還需進一步用量子理論來解釋。即：輻射的本質(zhì)既具有波動性，又具有粒子性。輻射的粒子性表明：輻射是離散的量子化能量束， 是光子傳播能量的過程。 光子的能量e與頻率的關(guān)系可以普朗克公式表示： eh h6.6310-34J.S二、吸收率、反射率、穿透率 5.1輻射的基本概念 投入輻射: 單位時間內(nèi)投射到單位面積物體表面上的全波長范圍內(nèi)的輻射能。G W

3、/m2 吸收比 反射比透射比 根據(jù)能量守恒，二、吸收率、反射率、穿透率 5.1輻射的基本概念 注意： （1） 屬于物體的輻射特性，取決于物體的種類、溫度和表面狀況，是波長的函數(shù)。 不僅取決于物體的性質(zhì)，還與投射輻射能的波長分布有關(guān)。 （2）固體和液體對輻射能的吸收和反射基本上屬于表面效應(yīng)：金屬的表面層厚度小于1m；絕大多數(shù)非金屬的表面層厚度小于1mm。 （3）對于固體和液體， 。二、吸收率、反射率、穿透率 5.1輻射的基本概念 注意： 鏡反射與漫反射： 產(chǎn)生何種反射取決于物體表面的粗糙程度和投射輻射能的波長 。黑體模型及其重要性5.1輻射的基本概念 對于黑體： 鏡體或白體：透明體：111人工黑

4、體：空腔上的小孔接近于黑體。白天從 遠處看房屋的窗戶有黑洞洞的感覺。1889年O.lummer等測定了黑體輻射光譜能量分布的實驗數(shù)據(jù)。1879年J.Stefan根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確立了黑體輻 射力正比絕對溫度的四次方規(guī)律。1884年L.Boltzmann從理論上證實了上述定律。1896年Wien位移定律。19世紀末L.Rayleigh-J.H.Jeans公式。三、輻射換熱的發(fā)展歷程1900年M.Planck定律。JOSEF STEFAN1835-1893 Austrian physicist Ludwig Boltzmann 1844 -1906 Italy physicist Wilhelm Wi

5、en 1864 -1928 Germany physicist Lord Rayleigh 1842 -1919 England physicist Max Planck 1858 -1947 Germany physicist 5.1輻射的基本概念 l單色輻射強度Rayleigh-Jeans公式5.1輻射的基本概念 5.2黑體輻射的基本定律 5.2黑體輻射的基本定律 5.2黑體輻射的基本定律 5.2黑體輻射的基本定律 5.2黑體輻射的基本定律 5.2黑體輻射的基本定律 對服從蘭貝特定律的輻射，可以得到：說明：單位時間、單位面積發(fā)出的輻射能，落到不同空間單位立體角內(nèi)的數(shù)量不同，其數(shù)值正比于該方

6、向與輻射表面法線方向夾角的余弦，故又稱蘭貝特定律為余弦定律。定向輻射強度L與輻射力Eb之間的關(guān)系為：5.2黑體輻射的基本定律 黑體的輻射力由斯第芬-波爾茲曼定律確定，輻射力 正比于熱力學(xué)溫度的四次方；黑體輻射能量按波長的分布服從普朗克定律，按空間方向 的分布服從蘭貝特定律；黑體的光譜輻射力有個峰值，與此峰值相對應(yīng)的波長尤維 恩位移定律確定，隨著溫度的升高，峰值波長向波長短的 方向移動。5.2黑體輻射的基本定律 5.3 兩無限大黑體平板間的輻射換熱 5.4 實際物體的輻射與吸收 如嚴重氧化的鋁50 500 5.4 實際物體的輻射與吸收 eqeqeqeq5.4 實際物體的輻射與吸收 5.4 實際物

7、體的輻射與吸收 (光譜吸收率)5.4 實際物體的輻射與吸收 5.4 實際物體的輻射與吸收 5.4 實際物體的輻射與吸收 例子：實際物體與黑體間的輻射換熱。當(dāng)處于熱平衡時得到：5.5基爾霍夫定律5.5基爾霍夫定律5.5基爾霍夫定律例題 溫度為310K的4個表面置于太陽光的照射下，設(shè)此時各表面的光譜吸收比隨波長的變化如圖所示。試分析在計算與太陽能的熱交換時，哪些表面可以看作灰體處理？為什么？5.6無限大灰體間輻射換熱特性T1,a1,e1T2,a2,e25.6無限大灰體間輻射換熱特性離開任意實際表面的熱流： 兩無限大灰體間的輻射換熱熱流： J1(1-a2)a2 J1E2E1J2J2(1-a1)a1

8、J2J15.7 漫射表面間的角系數(shù)5.7 漫射表面間的角系數(shù)5.7 漫射表面間的角系數(shù)5.7 漫射表面間的角系數(shù)A1A2A1A2acdb5.7 漫射表面間的角系數(shù)12125.7 漫射表面間的角系數(shù)5.8 灰表面間的輻射換熱 12125.8 灰表面間的輻射換熱 （相當(dāng)于無限大平板）（室內(nèi)電爐子、熱電偶測溫）5.8 灰表面間的輻射換熱 例：三個灰表面間的輻射換熱重輻射表面對封閉腔內(nèi)輻射換熱的影響重輻射表面的溫度輻射換熱的強化與削弱問題電暖器及電爐取暖問題太陽能熱水器問題冬天洗澡問題植物結(jié)霜問題提高熱電偶測溫精度問題5.8 灰表面間的輻射換熱 已知一個正四面體，每面面積為2m2。其中兩個面為黑體，溫度分別為1200K和500K，另兩個面為黑度0.8的灰體并絕熱。求兩個黑體表面間的輻射換熱熱流及另兩個絕熱面的溫度。5.9 氣體輻射 5.9 氣體輻射 5.9 氣體輻射 5.9 氣體輻射 5.9 氣體輻射 5.9 氣體輻射 是氣體在總壓力為一個大氣壓下由實驗得到的黑度，以水蒸氣或二氧化碳的分