传热学-第八章 热辐射基本定律与辐射特性ppt课件

1、第八章第八章 热辐射基本定热辐射基本定和辐射特性和辐射特性Radiation Heat Transfer辐射换热应用背景介绍辐射换热应用背景介绍物体通过电磁波的来传递能量的方式叫辐射。自然界中物体通过电磁波的来传递能量的方式叫辐射。自然界中各个物体不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其他各个物体不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递辐射方式进行的物体间的热量传递辐射传热。辐射传热。 航空航天中大量运用航空航天中大量运用到辐射换热到辐射换热人体与墙壁间的

2、人体与墙壁间的传热方式主要是辐射传热方式主要是辐射人体辐射散热人体辐射散热保温瓶夹层中主保温瓶夹层中主要依靠辐射传热要依靠辐射传热传统工业中的辐射换热问题传统工业中的辐射换热问题太阳能热水器是典型太阳能热水器是典型的利用辐射换热原理的利用辐射换热原理-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念1. 1. 热辐射特点热辐射特点(1) (1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；传递的能量；(2) 特点：特点：a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空，就会不停地向周围空间发出热辐射；间发出热辐射；b无须任何介质，可以在真空中传

3、播；无须任何介质，可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e 辐射能与温度，在高温时更加重要，发射辐射取决于辐射能与温度，在高温时更加重要，发射辐射取决于温度的温度的4次方；次方；F 和波长均有关；和波长均有关；g存在近程及远程效应存在近程及远程效应(近在咫尺，远至天体近在咫尺，远至天体)2. 2. 电磁波谱电磁波谱 电磁辐射包含了多种形式，而我们所感兴趣的，即工业上有实际电磁辐射包含了多种形式，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意义的热辐射区域一般为0.10.1100m100m。电磁波的传播速度：电磁波的传播速

4、度： C = f C = f 式中：式中：f f 频率，频率，s-1; s-1; 波长，波长，mm电磁辐射波谱电磁辐射波谱 当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三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，如图种现象，即吸收、反射和穿透，如图7-27-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ3. 3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 物体对热辐射的吸收反射和穿透物体对热辐射的吸收反射和穿透对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：对于黑体： 镜体或白体：镜体或白体：透明体：透明体：11

5、11,01,0反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种镜反射镜反射漫反射漫反射固体表面的两种辐射固体表面的两种辐射 黑体：是指能吸收投入到其面黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。工制造出近似的人工黑体。黑体模型及其重要性黑体模型及其重要性1黑体模型黑体模型在研究黑体辐射基础上，把其它物体的辐射和黑体辐在研究黑体辐射基础上，把其它物体的辐射和黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定射相比较，从中找出其与黑

6、体辐射的偏离，然后确定必要的修正系数。必要的修正系数。一、斯特藩一、斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律Stefan-Boltzman Stefan-Boltzman LawLaw）-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律1.辐射力辐射力 (EmissivePower)： 单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能量向发射出去的全部波长的辐射能量 (W/m2) 。半球空间：半球空间：dA辐射是向着辐射是向着它的上方各个方向的。如在它的上方各个方向的。如在上方做个半球，则上方做个半球，则dA发出发出的辐射能全部要通过这个半的辐射能

7、全部要通过这个半球空间，所以我们称球空间，所以我们称dA以以上的空间为半球空间。上的空间为半球空间。 2. 2.斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律Stefan-Boltzman LawStefan-Boltzman Law）式中：式中： 为黑体辐射常数，其值为为黑体辐射常数，其值为5.675.6710-10-8W/( m2K4)8W/( m2K4)。 为计算高温辐射的方便，可改写为：为计算高温辐射的方便，可改写为：4420=CW/m100bTET式中，式中，C0C0为黑体辐射系数，为黑体辐射系数，5.67W/(m2K4)5.67W/(m2K4)。黑体辐射力与热力学温度的关系由斯特藩黑体辐射力

8、与热力学温度的关系由斯特藩玻玻耳兹曼定律规定。又称为辐射四次方定律。耳兹曼定律规定。又称为辐射四次方定律。 单位时间内单位表面积向其上的半球空间所有方单位时间内单位表面积向其上的半球空间所有方向辐射出去的包含波长向辐射出去的包含波长在内的单位波长内的能在内的单位波长内的能量称为光谱辐射力量称为光谱辐射力, ,记为记为Eb Eb ，单位是，单位是W/m2.mW/m2.m或或W/m2.mW/m2.m。 1. 1. 光谱辐射力光谱辐射力 EbEb二、普朗克定律二、普朗克定律PlanckPlanck定律定律) )黑体辐射能按波长分布的规律。黑体辐射能按波长分布的规律。1)(512TcbecE式中，式中

9、，EbEb黑体光谱辐射力，黑体光谱辐射力，W/m3W/m3 波长，波长，m m ； T T 黑体温度，黑体温度，K K ； c1 c1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.74193.741910-16 W10-16 Wm2m2； c2 c2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.43881.438810-2 W10-2 WK K； 2.2.普朗克定律普朗克定律PlanckPlanck）：）：1)(512TcbecE黑体的光谱辐射力随着波长的增加，先是增大，然后又减小黑体的光谱辐射力随着波长的增加，先是增大，然后又减小/光谱辐射力最大处的波长光谱辐射力最大处的波长m随着温度的不同而变化。随着随着温度的不

10、同而变化。随着温度的增高，曲线的峰值向左移动，即移向较短的波长。温度的增高，曲线的峰值向左移动，即移向较短的波长。由普朗克定律知由普朗克定律知 E=f(,T ) E=f(,T )如图，如图， E E有最大值；有最大值； 随着随着T T 增大增大 max max向左移动向左移动3. 维恩位移定律Wiens displacement Law)由Planks Law对 求导，并令 01cconstc512TTbeddddEKm109 . 2108976. 233mT4.普朗克定律与斯特藩普朗克定律与斯特藩玻耳兹曼定律的关系玻耳兹曼定律的关系251()00dd1bbcTcEEe光谱辐射力曲线下的面积就

11、是该温光谱辐射力曲线下的面积就是该温度下黑体的辐射力。度下黑体的辐射力。21dEEbb5 5黑体辐射能按波段的分布黑体辐射能按波段的分布黑体在波长黑体在波长11和和22区段内所发射的辐射力区段内所发射的辐射力特定波长区段内的黑体辐射力特定波长区段内的黑体辐射力黑体辐射函数黑体辐射函数: :黑体在波长黑体在波长11和和22区段内区段内所发射的能量在黑体辐射中所占的分数。所发射的能量在黑体辐射中所占的分数。2211212121()40400(0)(0)2111()()bbbbbbbbE dFE dTE dE dE dTFFfTfT2221(1)(1)( 0)( 0)bbbbbbEFEFFE三、兰贝

12、特定律（三、兰贝特定律（ Lambert Lamberts Laws Law） 平面角如左图，平面角如左图，s为弧长，为弧长，r为半径。为半径。=s/r （rad） 立体角如右图，一个半球，在球面上取一个小面积，在这个面积周边立体角如右图，一个半球，在球面上取一个小面积，在这个面积周边向球心做射线，则这些射线所包围的空间即为立体角。立体角的单位向球心做射线，则这些射线所包围的空间即为立体角。立体角的单位称为空间角。用立体角表示某一方向的空间所占的大小。称为空间角。用立体角表示某一方向的空间所占的大小。rs 平面角定义图平面角定义图1. 立体角立体角(Solid angle)黑体辐射按空间分布的

13、规律黑体辐射按空间分布的规律为清楚起见，将这个立体角放大，为清楚起见，将这个立体角放大， sr)(2rAcrad)(rrrssr)(22222rrrAc2rdAdc立体角定义式：立体角定义式：半圆：半圆：半球：半球：在半球上割下一块微元面积在半球上割下一块微元面积dAcdAc，则，则dAcdAc对对应的立体角为微元立体角应的立体角为微元立体角空间度空间度ddrdrrddAcsinsin2ddrdAdcsin22 2定向辐射强度定向辐射强度目的：辐射能按方向分布目的：辐射能按方向分布比较基础：相同的立体角比较基础：相同的立体角, , 相同的可见表面积相同的可见表面积 定向辐射强度：定向辐射强度：

14、 单位时间、单位可见辐射表面、单位立体角内的辐单位时间、单位可见辐射表面、单位立体角内的辐射能。射能。( )cos( )( )cospdIdAdddIdAddA dcosdAdAp为可见辐射面积。为可见辐射面积。I I是常数，与是常数，与方向无关。方向无关。 其中：其中：黑体单位可见面积发射出去的落到空间任意方向的单位立体黑体单位可见面积发射出去的落到空间任意方向的单位立体角中的能量，称为定向辐射强度。角中的能量，称为定向辐射强度。 黑体的定向辐射强度与方向无关。黑体的定向辐射强度与方向无关。 即即3. 3. 兰贝特定律兰贝特定律Lamberts LawLamberts Law）( , )co

15、nst.I 将定向辐射强度定义变形，得辐射能将定向辐射强度定义变形，得辐射能( )cosbdI dAd人与暖器得距离不变时，人与暖器得距离不变时，d dconst. dA=const. const. dA=const. ()=const. ()=const. 角度不同，角度不同，coscos不同。当不同。当=0=0时，辐射面时，辐射面获得的能量最多。获得的能量最多。( )cosdIddA故故Lamberts LawLamberts Law又称余弦定律又称余弦定律Cosine LawCosine Law。 如不是黑体，则不完全遵守这个定律，但其变化如不是黑体，则不完全遵守这个定律，但其变化方向是

16、相同的，例如金属钢锭）：方向是相同的，例如金属钢锭）： 当当T500CT500C时，时，没有可见光，颜色不变；没有可见光，颜色不变；T T 增大，其颜色分别为暗增大，其颜色分别为暗红、鲜红、桔黄和白色。红、鲜红、桔黄和白色。在半球空间上即单位时间、单位表面积在半球空间发射的全部波在半球空间上即单位时间、单位表面积在半球空间发射的全部波长的辐射能，即辐射力：长的辐射能，即辐射力：22( )coscos sinbbbdEIdId ddA 2/200dsin cos dbbII 4. 4. 兰贝特定律与斯特藩兰贝特定律与斯特藩玻耳兹曼定玻耳兹曼定律间的关系律间的关系 d d( () /dA ) /d

17、A 为为 方向方向d d内单位面积内单位面积辐射能。辐射能。cos)(LddAd-3实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性一、一、 实际物体的辐射力发射率）实际物体的辐射力发射率）黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力黑体的发射特性：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；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；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；发射率发射率 (也称为黑度也称为黑度) 定义：相同温度下，实际物体定义：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的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:4TEE

18、Eb上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随光谱变化的。上，真实表面的发射能力是随光谱变化的。二、实际物体的光谱辐射力二、实际物体的光谱辐射力实际物体的光谱辐射力示意图实际物体的光谱辐射力示意图 实际物体的光谱辐射力小于同温度下的黑体实际物体的光谱辐射力小于同温度下的黑体同一波长下的光谱辐射力，两者之比称为实际物同一波长下的光谱辐射力，两者之比称为实际物体的光谱发射率。体的光谱发射率。40)(TdEEEbb显然，光谱发射率与实际物体的发射率之间有如下关系：显然，光谱发射率与实际物体的发射率之间有如下关系：实际物体的光谱辐

19、射力与黑体的光谱辐射力之比：实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：bEE)( )( )( )( )bbIIII 三、实际物体的定向辐射强度三、实际物体的定向辐射强度 定向发射率定向发射率: 实际物体的定向辐射强度与黑体的定向实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：辐射强度之比：对于定向辐射强度随对于定向辐射强度随角度的角度的分布满足兰贝特定律得物体称分布满足兰贝特定律得物体称为漫射体，漫射体的定向发射为漫射体，漫射体的定向发射率在极坐标中是半径小于率在极坐标中是半径小于1 1的的半圆。半圆。漫发射的概念：表面的方向发漫发射的概念：表面的方向发射率射率 ( () )与方向无关，即与

20、方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满定向辐射强度与方向无关，满足上述规律的表面称为漫发射足上述规律的表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。一种很好的近似。1.定向发射率随定向发射率随角度的变化规律角度的变化规律黑体与漫射体的定向发射率黑体与漫射体的定向发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率( )(t=150)对于金属材料，对于金属材料，从从=0。开场，。开场，在一定角度范围在一定角度范围内，内，()可以认可以认为是个常数，然为是个常数，然后随角度后随角度急剧急剧增 大 ， 在 接 近增 大 ， 在 接 近=9

21、0。的极小范。的极小范围内，围内， ()的值的值又减小至为零。又减小至为零。非金属的定向发射率举例非金属的定向发射率举例对于非导电体，从对于非导电体，从辐射面法向辐射面法向=0。到到= 60 。 的范围的范围内，定向发射率基内，定向发射率基本不变，当本不变，当超过超过60 。以后，。以后，明显明显减小，直至减小，直至90 。降为零。降为零。2.定向发射率定向发射率()与半球平均发射率与半球平均发射率之间之间的关系的关系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。22( )( )bbbIddEEI 3影响物体发射率的因素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

22、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，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。不同种类物质的发射率显然是各而不涉及外界条件。不同种类物质的发射率显然是各不相同的。不相同的。常用材料表面法向发射率对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力EbEb，光谱辐射力，光谱辐射力EbEb和定向辐和定向辐射强度射强度L L，分别引入了三个修正系数，即，发射率，分别引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率，光谱发射率( ( ) )和定向发射率和定向发射率( ( ) )，将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非将不确定因素归于修正系数，

23、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；常复杂，很难理论确定，实际上是一种权宜之计；服从服从LambertLambert定律的表面称为漫射表面。虽然实际物定律的表面称为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合体的定向发射率并不完全符合LambertLambert定律，但仍定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从然近似地认为大多数工程材料服从LambertLambert定律；定律；物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表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

24、件。有关，而不涉及外界条件。几点说明几点说明:1. 1. 投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能总辐射能 2. 2. 选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因选择性吸收：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，这叫选择性吸收长的不同而变化，这叫选择性吸收一、实际物体的吸收比一、实际物体的吸收比8-48-4实际固体的吸收和辐射的关系实际固体的吸收和辐射的关系3. 3. 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用常用表示

25、，即表示，即)(投入辐射投入的能量吸收的能量4 4 光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸光谱吸收比：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。长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。能量投入的某一特定波长的能量吸收的某一特定波长的),(1T室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面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性质的温度有关外，还与投入辐射

26、按波长的能量分布有关。设下标布有关。设下标1 1、2 2分别代表所研究的物体和产生分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体投入辐射的物体，则物体1 1的吸收比为的吸收比为)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性质表面的性质，表面投入的总能量吸收的总能量TTfTETTETTbb如果投入辐射来自黑体，由于如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为，则上式可变为1),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性质表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb物体表面对黑体辐射的吸收比

27、与温度的关系物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系 灰体法，即将光谱吸收比灰体法，即将光谱吸收比 ( () ) 等效为常数，即等效为常数，即 = = ( () = const) = const。并将。并将( () )与波长无关的物体称为灰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；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，在每个谱带若干小

28、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。内应用灰体假设。二、灰体的概念及其工程应用二、灰体的概念及其工程应用发射辐射与吸收辐射二者之间的联系：发射辐射与吸收辐射二者之间的联系： 最简单的推导是用两块无限大平板最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。板间的热力学平衡方法。板1 1是黑体，板是黑体，板2 2是任意物体，参数分别为是任意物体，参数分别为Eb, T1 Eb, T1 以及以及E, E, , T2, T2，则当系统处于热平衡时，有，则当系统处于热平衡时，有 三、收比与发射率的关系三、收比与发射率的关系基尔霍夫基尔霍夫Kirchhoff定律定律bbEEEE 此即此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热力学平定律的表达式之一。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：限制：整个系统处于热平衡状态；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