第八章熱輻射的基本定律-傳熱學(xué)

1第八章熱輻射的基本定律§8-1基本概念§8-2熱輻射的基本定律2輻射的定義與特點:

物質(zhì)由基本微觀粒子組成，當(dāng)原子內(nèi)部的電子受激和振動時，產(chǎn)生交替變化的電場和磁場，發(fā)出電磁波向空間傳播，此為輻射。不同的激發(fā)方式，產(chǎn)生電磁波的波長不同，它們投射到物體上產(chǎn)生的效應(yīng)不同。31.定義熱輻射－thermalradiation:物體由于熱的原因（溫度高于0K）(自身溫度或熱運動)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象?！?-1基本概念一.熱輻射的本質(zhì)與特點輻射換熱－radiationheattransfer:

物體之間通過熱輻射交換熱量的過程。

當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時，輻射換熱量為零，但熱輻射仍然不斷進(jìn)行。4任何物體，只要溫度高于0K，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；固有屬性;可以在真空中傳播；伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；具有強(qiáng)烈的方向性；輻射能與溫度和波長均有關(guān)2.特點51)

f＝C2)電磁波譜式中：C—介質(zhì)中的光速，m/s；f

—

頻率，s-1;λ—

波長，m3.熱輻射具有電磁波的共性

電磁輻射包含了多種形式，工業(yè)上有實際意義的熱輻射區(qū)域一般波長為0.1-100μm。6理論上覆蓋整個電磁波譜；對于太陽輻射（約5800K）：0.2

2

m；可見光0.38

0.76

m

紅外線0.76

25

1000

m一般工業(yè)范圍內(nèi)（2000K以下）：

0.38

100

m0.76

20

m遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)7當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖所示。二物體對熱輻射的吸收、反射和穿透

物體對熱輻射的吸收、反射和穿透G

8對于大多數(shù)的固體和液體透明體對于不含顆粒的氣體對于黑體鏡體或白體只涉及表面整個氣體容積假想的9鏡反射和漫反射鏡反射漫反射表面不平整尺寸小于輻射波長表面不平整尺寸大于輻射波長10定義：球面面積除以球半徑的平方單位：sr(球面度)1立體角三輻射強(qiáng)度與輻射力11

dA2dA1

r122輻射強(qiáng)度

單位時間內(nèi)，在給定輻射方向上，物體在與發(fā)射方向垂直的方向上的每單位投影面積，在單位立體角內(nèi)所發(fā)射全波長的能量,其符號為I，單位為W/（m2.sr）dA’13單色輻射強(qiáng)度：單位時間內(nèi)，與發(fā)射方向垂直的每單位投影面積，在波長

附近的單位波長間隔內(nèi)、單位立體角內(nèi)所發(fā)射的能量；I

，單位為W/（m2.sr）14單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和。單位：W/m2E從總體上表征了物體輻射能力的大小。3輻射力E

emissivepower15根據(jù)E與I定義可知：單位可見面積，單位立體角單位發(fā)射面積16單色輻射力：單位時間內(nèi)，物體的每單位面積、在波長

附近的單位波長間隔內(nèi)，向半球空間所發(fā)射的能量，E

，單位為W/（m2.）定向輻射力：單位時間內(nèi)，物體的每單位面積、向半球空間的某給定輻射方向上，在單位立體角內(nèi)所發(fā)射全波長的能量，E在法線方向上：En=In17單色定向輻射力：單位時間內(nèi)，物體的每單位面積、向半球空間的某給定輻射方向上，在單位立體角內(nèi)所發(fā)射在波長

附近的單位波長間隔內(nèi)的能量。181.為什么？一黑體模型2.黑體模型可以全部吸收透射到其表面上的所有波長的輻射能；理想的吸收體現(xiàn)實世界中并不存在嚴(yán)格意義上的黑體；實驗室模型比較標(biāo)準(zhǔn)，對比研究實際物體的輻射特性§8-2熱輻射的基本定律19帶有小孔的溫度均勻的空腔

小孔的孔徑越小

越大；溫度均勻是為了保證輻射均勻且各向同性。黑體模型20

－Stefan-Boltzmann常數(shù),5.67

10-8W/(m2·K4)Cb－黑體輻射系數(shù),5.67W/(m2·K4)黑體輻射力：注：黑體的所有輻射參數(shù)有下角標(biāo)b21二、普朗克(Planck)定律式中：λ—波長，mT—黑體溫度，Kc1—第一輻射常數(shù)，3.742×10-16W

m2；

c2—第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2W

K；

揭示了黑體單色輻射力與波長、溫度之間的關(guān)系22黑體的單色輻射力隨溫度升高而增大，短波區(qū)增大速度比長波區(qū)大。在一定的溫度下，黑體的單色輻射力隨波長的增加，先是增大，然后有減小，其中有一峰值2324三、維恩位移定律黑體的峰值波長與熱力學(xué)溫度T之間的函數(shù)關(guān)系隨著溫度T的升高，最大單色輻射力所對應(yīng)的峰值波長逐漸向短波方向移動25例8－1測得對應(yīng)于太陽最大單色輻射力的峰值波長約為，若太陽可以近似看成黑體，求太陽的表面溫度解：根據(jù)維恩位移定律，可得：由維恩位移定律，可根據(jù)黑體的光譜求黑體溫度。如果已知黑體溫度，則可以求得最大單色輻射力所對應(yīng)的波長26討論：黑體溫度在3800K以下時，其峰值波長處在紅外線區(qū)域。因此，在一般工程中所遇到的輻射換熱，基本上屬于紅外輻射。思考：金屬在加熱過程中，隨著溫度的升高，金屬顏色呈暗紅、紅、黃、白，請解釋這一現(xiàn)象。27四、斯蒂芬-玻爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律確定黑體輻射力Eb黑體輻射力Eb受溫度T影響很大，溫度增加2倍，輻射力增加16倍。參考書上例8-3根據(jù)Planck定律，導(dǎo)出Stefan-Boltzmann定律28Planck定律和Stefan-Boltzmann定律的關(guān)系：29五、黑體輻射函數(shù)波長λ1與λ2之間的輻射能計算如下:30通常,將黑體的波段輻射力表示成同溫度下黑體輻射力Eb的百分?jǐn)?shù),記為Fb(0-λT)31根據(jù)黑體輻射函數(shù)，可以計算出給定溫度下λ1－λ2波段內(nèi)的黑體輻射力為：32解：利用黑體輻射函數(shù)表來完成在給定波長范圍內(nèi)，透射到玻璃上的能量占總能量的百分?jǐn)?shù)為：0.9717－0.0696＝90.21％太陽輻射透過該玻璃的百分?jǐn)?shù)為：90.21％×0.85=76.68％例8－2已知某太陽能集熱器的透光玻璃在波長從λ1=0.35μm至λ2=2.7μm范圍內(nèi)的透光率為85%,在此范圍之外是不透過的.試計算太陽輻射對該玻璃的透光率.把太陽能當(dāng)成黑體,表面溫度為5762K.33討論：集熱器玻璃表面溫度低，它的長波輻射對玻璃阻擋，短波透過玻璃。這種特性能夠減少集熱器表面透過玻璃向外的輻射熱損失。如果用這種玻璃作為房屋的窗子，結(jié)果如何？34說明：黑體輻射力中不同波長輻射能的比例溫度（K）可見光紅外線1000<0.1%>99.9%300011.4%88.5%600045.5%43.0%351)定向輻射強(qiáng)度I(

,

)在單位時間內(nèi)、單位可見輻射面積上、單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長的能量單位：W/m2·sr六.蘭貝特余弦定律(Lambert’sLaw)2)Lambert定律：黑體表面具有漫輻射性質(zhì)，在半球空間各個方向輻射強(qiáng)度相等361)定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)的規(guī)律說明：2)除了黑體表面，還有漫射表面服從Lambert定律又稱余弦定律3)黑體的在輻射力法向方向最大，切線方向為零373黑體定向輻射強(qiáng)度與輻射力之間的關(guān)系對于漫射表面，輻射力是任意方向輻射強(qiáng)度的倍38一般通過實驗測定只取決于物體本身，與外界無關(guān)七基爾霍夫定律1.實際物體的輻射發(fā)射率溫度為T的單色定向發(fā)射率單色發(fā)射率:定向發(fā)射率:單色定向發(fā)射率39說明實際物體的輻射力并不嚴(yán)格遵從四次方定律,怎么辦？認(rèn)為E∝T4由此引起的誤差修正歸入用實驗方法確定的

中因此

除了與物性有關(guān)，還與物體本身的溫度有關(guān)計算式402實際物體的光譜輻射力E

1)光譜發(fā)射率

：0～1一般與波長有關(guān)與波長無關(guān)的物體同溫度T412)光譜輻射力E

不同于Planck定律423實際物體的定向輻射強(qiáng)度1)定向發(fā)射率

（

）

（

）：0～1一般與

有關(guān)實際物體

同溫度與

有關(guān)43

實際物體定向發(fā)射率

（

）的變化規(guī)律金屬導(dǎo)體0～30o，

（

）

常數(shù)然后隨

增大而增大接近90o時急劇減小44非金屬0～60o，

（

）

常數(shù)，然后隨

增大而急劇減小

45實際物體的輻射強(qiáng)度在半球空間的不同方向不同，書上圖8-7給出了實際物體定向發(fā)射率在空間各個方向上的變化情況462)

法向黑度

n實際物體的

（

）隨

變化很大所以，大多數(shù)工程材料

n473)影響

、

、

的因素僅僅取決于物體自身，與外界無關(guān)

物體的種類物體表面溫度物體表面狀況：氧化與否、光滑程度等48

對應(yīng)于黑體的輻射力Eb，光譜輻射力Eb

和定向輻射強(qiáng)度L，分別引入了三個修正系數(shù)，即：發(fā)射率

，光譜發(fā)射率

(

)和定向發(fā)射率

(

)，其表達(dá)式和物理意義如下實際物體的輻射力與黑體輻射力之比:實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比：實際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比：說明:49灰體概念的引入：物體單色輻射力與同溫度黑體的單色輻射力隨波長的變化曲線相似，或者單色發(fā)射率不隨波長變化。50(1)實際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見右圖；(2)實際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；(3)實際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守Lambert定律。所有這些差別全部歸于上面的系數(shù)；在工程上一般都將真實表面假設(shè)為漫發(fā)射面。51

灰體定義：物體的光譜吸收比與波長無關(guān)好處：對外界一視同仁理想模型

在一般工業(yè)溫度水平，大多數(shù)工程材料均可看成灰體吸收特性與輻射特性之間有什么關(guān)系？52投入輻射：單位時間從外界輻射到物體單位表面積上的能量稱為該物體的投入輻射，G吸收率：物體對投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)稱為該物體的吸收率物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分比為單色吸收率物體某一特定波長、特定方向的輻射能所吸收的百分比為單色定向吸收率4基爾霍夫定律現(xiàn)在討論實際物體的吸收特性與發(fā)射特性的關(guān)系53基爾霍夫定律rdA1dA254dA1dA2r55ελ,θ,T和αλ,θ,T都是物體表面的輻射特性,它們僅僅取決于表面自身的溫度.即使不是熱平衡條件,表面間存在輻射換熱,則仍然有ελ,θ,T=αλ,θ,T56漫射表面，輻射特性與方向無關(guān)，故有：灰表面，輻射特性與波長無關(guān)，故有：漫灰表面，輻射特性與方向和波長都無關(guān)，故有：一般在工程中，只要參與輻射各物體的溫差不過分懸殊，可以把物體表面當(dāng)成漫灰表面57例8-3：某漫射表面溫度T1＝300K，其單色吸收率如圖所示。將其放在壁溫T2＝1200K的黑空腔中，計算此表面的吸收率和發(fā)射率0.20.40.60.81.01、吸收率與單色吸收率的關(guān)系：解：根據(jù)題意，此表面為漫射非灰表面，輻射特性與方向無關(guān)，與波長有關(guān)，因此按照波長分段計算580.20.40.60.81.0Gλ:投射單色輻射,該投射來自溫度T=1200K的黑體,因此 59利用黑體輻射函數(shù)，計算查表8－1：602、發(fā)射率與單色發(fā)射率的關(guān)系：0.20.40.60.81.0漫射表面,ελ=αλ,表面溫度T1=300K,故61利用黑體輻射函數(shù)，計算查表8－1：對于非漫表面,ελ=αλ,但是ε≠α在本題的計算中,α=0.69,ε=0.1162

黑體投入輻射系統(tǒng)處于熱平衡

＝

的條件63思考題1.什么是黑體,灰體?實際物體在什么樣的條件下可以看成是灰體?2.光譜輻射力,輻射力和定向輻射強(qiáng)度