第7章 热辐射基础理论

1、2022-5-3112022-5-311第第7 7章章 热辐射基础理论热辐射基础理论能源与机械工程学院能源与机械工程学院School of Energy & Mechanical Engineering蔡蔡 杰杰传热学传热学Heat Transfer7.1 热辐射的基本概念7.2 黑体辐射的基本性质7.3 实际物体的辐射和吸收7.1 7.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念7.1.1 7.1.1 热辐射的本质热辐射的本质 热辐射: 由于热的原因而产生的电磁波辐射.构成物质的微观粒子因振荡和跃迁而发射辐射能电磁波谱: 热辐射是电磁辐射(电磁波)的一种 m 1000.1 m 1000 m

2、100076.0, x, m 38.0 104 m 0.7638.03热射线无线电波红外线射线等射线紫外线可见光热辐射具有一般辐射现象的共性.以光速传播:m ; 1/s s/m 103 ,cc 8波长频率电磁波的传播速度辐射的本质: 既有波动性,又有粒子性.热辐射的特点热辐射的特点:不依靠物质接触进行传热;辐射过程伴随能量形式的转化;1. 一切温度高于0 K的物体都会不停地发射热射线.7.1.27.1.2辐射能的吸收、反射和透过辐射能的吸收、反射和透过 图6-2 射线被吸收、反射和透 过的示意图ARDQQQQ1ARDQQQQQQ,ARDQQQARDQQQ，1ARDA、R、D分别称为物体的吸收率

3、、反射率和穿透率与物体的性质、温度、表面状况有关与投射能量的波长分布有关镜面反射和漫反射:镜面反射: 反射角等于入射角 光滑的金属表面, 玻璃, 塑料等漫反射: 被反射的辐射能(均匀)分布在各个方向上。 粗糙的金属表面近于漫射面绝对透明体： D1、能让投射到它上面的辐射能全部透过双原子气体，如氧气、氮气及空气等，对热射线就是近似透明体 绝对白体：R1，简称白体，能反射投射到其表面上的全部热射线绝对黑体：A1，简称黑体，能吸收投射到其上的全部辐射能。在辐射换热理论中，黑体占有重要地位，热辐射的基本定律是在黑体的基础上得出的。 绝对黑体模型:注意:黑色的物体不同于黑体, 白色的物体不同于白体.颜色

4、对可见光而言；白体、黑体、透明体对全波长而言.白颜色物体(反射可见光呈白色)不一定是白体;黑颜色物体不一定是黑体.7.2 7.2 黑体辐射的基本性质黑体辐射的基本性质1. 总辐射力E 单位： W/m2单位时间内物体单位表面积向半球空间的一切方向发射的包含全部波长的辐射能 2. 单色辐射力 单位： W/m2单位时间内物体单位表面积向半球空间的一切方向发射的某一波长的辐射能E3. 方向辐射力 单位： 单位时间内物体单位表面积向半球空间的某一方向在单位立体角内所发射的一切波长的辐射能 E2W/(msr)7.2.1 7.2.1 几个重要的辐射参数几个重要的辐射参数图7-5 立体角的定义立体角：半球表面

5、上被立体角切割的面积除以半径的平方单位：sr（球面度） 2=f/rddrdrrdrdfdsinsin22有关辐射力的定义间的关系式 dEEd0EE dddEE20202sinddEdEE辐射强度：辐射强度：单位时间内在某一方向上,物体单位可见辐射面积在单位立体角内辐射的一切波长的能量cosdQIdFd W/(m2sr) 图7-6 辐射强度定义7.2.2 7.2.2 普朗克定律普朗克定律 黑体的单色辐射力和温度、波长（1901年）251,/()1bCTCEeW/m2 :波长（m）；T:为黑体的绝对温度（K）； C1 常数，为3.74310-16 Wm2； C2 常数，为 1.438710-2 m

6、K。图6-7 黑体E和波长、温度的关系用一条曲线来表示普朗克定律 将上式两端均除以T5，得2,1/()55()() (-1)bCTECfTTTe图7-8 黑体单色辐射力与T的函数关系7.2.37.2.3维恩定律维恩定律 对应于最大单色辐射力的波长与物体的绝对温度间的关系称为维恩位移定律3108976. 2TmmK 图7-7 黑体E和波长、温度的关系钢锭加温时：黑红白波长测温7.2.4 7.2.4 斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬玻尔兹曼定律黑体的总辐射力 2-5421,0/()00W/m-1bbCTCEEddTe-82405.6697 10W/(mK )黑体辐射常数 420()W/m100bTEC或2

7、405.6697 W /(mK)C黑体辐射系数 又称为辐射的四次方定律 某温度下黑体发射的一定波长范围内的辐射能 221121,(-),00-bbbbEEdEdEd引入辐射函数 22,4010/()50,01/()500/(-1)()()(-1)()bCTbTCTE dCdTeE dCdTfTeT124,(-)210 ()()bEfTfTT 辐射函数仅为 的函数。该函数值列于表中 T7.2.5 7.2.5 兰贝特定律兰贝特定律 黑体在任意方向上的辐射强度与方向无关，都等于它在法线方向上的辐射力I对于服从兰贝特定律的辐射 ：IcosdQIdFd黑体单位面积发出的辐射能落在空间不同方向单位立体角中

8、的能量值不等，其数值正比例于该方向与表面法线之间夹角的余弦值。所以，兰贝特定律又称为余弦定律。cosdQIdFd 漫辐射表面:辐射强度在空间各个方向上都相等黑体或具有漫辐射表面的物体，在其法线方向上辐射力最大，在90度方向上最小，为0。对于辐射能按空间方向的分布服从兰贝特定律的物体，其辐射强度和辐射力间的关系 222222=00IcosdIcossind dIsincosd dIdQEE dddFd 7.3 7.3 实际物体的辐射和吸收实际物体的辐射和吸收实际物体的辐射和吸收比黑体要复杂得多，其特性取决于许多因素，如组成、表面粗糙度、温度、辐射波长等 7.3.1 7.3.1 实际物体的辐射实际

9、物体的辐射 图7-9 实际物体与灰体的单色辐射力黑度（又称发射率）：实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比 1. 黑度2. 单色黑度 3. 方向黑度bEE, bEE,bEE实际物体的辐射力可用下式表示： 4400()100bTEETC实际物体的辐射力并不严格地同绝对温度的4次方成正比；为工程计算便利，认为一切实际物体的辐射力都与绝对温度的4次方成正比，而把由此引起的修正包括到由实验方法确定的黑度中去。因此，黑度除了与物体本身性质有关外还与温度有关。 如果实际物体的方向辐射力遵守兰贝特定律的话，该物体表面称为漫射表面，其方向黑度与角度无关而等于一常数。 物体表面的黑度只取决于发射物体本身，与

10、外界条件并无关系。表面温度，表面性质、状况、表面涂层的厚度等都对物体的黑度有很大的影响。物体表面的黑度值一般要由实验测定。 7.3.2 7.3.2 实际物体的吸收实际物体的吸收吸收率A：实际物体对投入辐射吸收的百分数称为该物体的吸收率 单色吸收率 ：对某一波长辐射能吸收的百分数 A实际物体的吸收特性与其本身性质和状况有关，与投入辐射的性质也有关物体本身温度为 ，辐射源温度为 ，若辐射源为黑体，物体对黑体辐射的总吸收率：1T2T1,21,200402,2012( )()( )()()( ,)bbbA T ET dA T ET dATET dA T T黑体）吸收率是温度 和 的函数 1T2T灰体：

11、单色吸收率与波长无关的物体 AA常数总吸收率只取决于物体本身的性质和状况而与外界的情况无关灰体也是一种理想物体。7.3.37.3.3基尔霍夫定律基尔霍夫定律 实际物体的辐射和吸收间的关系 图7-10 平行平板的辐射换热板相距很近，从一块板发出的辐射全部落到另一块板上。板1为黑体表面：E Eb b、T Tb b板2为无透射的任意表面 ：E、A、T两板间单位面积的辐射换热量： bqEAE当系统处于热平衡状态时， ,0bTT qbEEA把上述关系推广 1212.bEEEEAAA在热平衡状态下，任何实际物体的辐射力和吸收率之比都相同，均等于同温度下黑体的辐射力 。与黑体热平衡的条件下才能成立 因为所有实际物体的吸收率总小于1，所以在温度相同时黑体的辐射力最大。( ,)A T TT黑体） （在热平衡的条件下，任意物体任意物体对黑体辐射的吸收率恒等于同温度下该物体的黑度。在温度相同的前提下，物体的辐射力越大，其吸收率也越大