热辐射的基本概念1

1、第七章管式加热炉第七章管式加热炉第第1 1节热辐射的基本概念节热辐射的基本概念1.1 1.1 基本概念基本概念1.2 1.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律1.3 1.3 实际物体的热辐射实际物体的热辐射1.4 1.4 气体的辐射与吸收气体的辐射与吸收1.1 1.1 基本概念基本概念1.1.1 1.1.1 热辐射的特性热辐射的特性1.1.2 1.1.2 热辐射的吸收、反射和透过热辐射的吸收、反射和透过1.1.3 1.1.3 黑体的定义黑体的定义1.1.4 1.1.4 物体的辐射能力、辐射强度物体的辐射能力、辐射强度1.1.1 1.1.1 热辐射的特性：热辐射的特性：定义：用电磁波传递能量

2、的过程定义：用电磁波传递能量的过程特点：特点：在传递过程中不需要任何介质；在传递过程中不需要任何介质；热辐射过程中不仅有热量的转移过程，而热辐射过程中不仅有热量的转移过程，而 且还有能量形式的转换；且还有能量形式的转换；任何物质，只要任何物质，只要T TK K，均可辐射热量；，均可辐射热量；微粒性：发射和吸收时光子光子能量微粒性：发射和吸收时光子光子能量E E波动性：传播时电磁波波长波动性：传播时电磁波波长或频率或频率特性：特性：E = hE = h =C/ =C/电磁辐射波谱：电磁辐射波谱：辐射线名称辐射线名称宇宙射线宇宙射线伽马射线伽马射线伦琴射线伦琴射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外

3、线无线电波无线电波波长波长/m /m 1 11010-7-7 1 11010- -1 11010-5-5 1 11010-5-52 21010-2-2 2 21010-2-20.380.38 0.380.380.760.76 0.760.761 110103 3 1 110103 32 210101010 热射线热射线注：固体液体的光谱连续；气体光谱不连续注：固体液体的光谱连续；气体光谱不连续1.1.2 1.1.2 热辐射的吸收、反射和透过热辐射的吸收、反射和透过： Q= Q Q= Q+ Q+ Q+ Q+ Q或或 Q Q/Q + Q/Q + Q/Q + Q/Q + Q/Q=1/Q=1吸收率吸收

4、率、反射率、反射率和透过率和透过率：定义：定义：= Q= Q/Q /Q 吸收率吸收率 = Q= Q/Q /Q 反射率反射率 = Q= Q/Q /Q 透过率透过率说明：说明：a.a. 凡是善于反射的物体就一定不能很好的吸收热凡是善于反射的物体就一定不能很好的吸收热辐射；辐射；b.b.、= f= f（物体性质、（物体性质、T T、辐射波长、辐射波长）； 对热射线的反射和吸收有重大影响的，不是表面对热射线的反射和吸收有重大影响的，不是表面的颜色，而是表面的状况的颜色，而是表面的状况；c.c.定义：镜反射；漫反射定义：镜反射；漫反射d.=1d.=1，=0=0：全反射体，又称绝对白体或镜体：全反射体，又

5、称绝对白体或镜体如理想的金属镜面；如理想的金属镜面； =1=1，=0=0：透明体透明体，如空气；，如空气； =1=1，=0=0：黑体黑体1.1.3 1.1.3 黑体的定义：黑体的定义：黑表面：黑表面：能全部吸收投射到它表面上的热辐射的表面能全部吸收投射到它表面上的热辐射的表面黑体黑体：具有黑表面的物体，称为具有黑表面的物体，称为绝对黑体绝对黑体，或简称，或简称 黑体，用下标黑体，用下标“0”0”表示表示 说明：说明：自然界中并不存在真正的绝对黑体；自然界中并不存在真正的绝对黑体； 黑体模型黑体模型：1.1.4 1.1.4 物体的辐射能力、辐射强度：物体的辐射能力、辐射强度： 物体的辐射能力物体

6、的辐射能力E E：定义：定义：物体单位表面积、单位时间向半球空间所有物体单位表面积、单位时间向半球空间所有方向发射的全部波长（方向发射的全部波长（=0=0）的总辐射能，）的总辐射能，又又称称半球辐射能力、自身辐射半球辐射能力、自身辐射dAdQdE2W/mW/m2 2 说明：说明：E E与表面的性质、温度有关：与表面的性质、温度有关：TETE；相同的温度下，黑体的辐射能力最大相同的温度下，黑体的辐射能力最大。1.1.4 1.1.4 物体的辐射能力、辐射强度：物体的辐射能力、辐射强度：单色辐射能力单色辐射能力E E：定义：定义：物体在物体在至至+的波段内的辐射能力的波段内的辐射能力 W/(mW/(

7、m2 2m)m)或或W/mW/m3 3说明：说明：E E反映了物体的辐射能力随反映了物体的辐射能力随（0-0-）的）的分布情况：分布情况：ddEElimE0E EEE， E Ef f（波长，（波长，T T）0dEE1.1.4 1.1.4 物体的辐射能力、辐射强度：物体的辐射能力、辐射强度：立体角立体角和辐射强度和辐射强度：立体角：立体角：以物体表面上的一点对辐射面所张开的角度以物体表面上的一点对辐射面所张开的角度辐射强度：物体单位表面积、单位时间内向空间单位辐射强度：物体单位表面积、单位时间内向空间单位立体角所发射的全部波长的辐射能立体角所发射的全部波长的辐射能 W/(mW/(m2 2sr)s

8、r)说明：说明：dd物体向给定方向发射能量所占据的立物体向给定方向发射能量所占据的立体角，体角，srsr（球面度）；（球面度）； E E与与I I的关系为：的关系为：ddEddAdQdI320IdE1.2 1.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律1.2.1 1.2.1 普朗克（普朗克（PlanckPlanck）定律）定律 黑体辐射能力按波长的分布规律黑体辐射能力按波长的分布规律1.2.2 1.2.2 斯蒂芬斯蒂芬- -波尔兹曼（波尔兹曼（Stefan-BoltzmanStefan-Boltzman） 定律黑体辐射能力与温度的关系定律黑体辐射能力与温度的关系1.2.3 1.2.3 兰贝特（兰

9、贝特（LambertLambert）定律余弦定率）定律余弦定率1.2.1 1.2.1 普朗克（普朗克（PlanckPlanck）定律：）定律：黑体的单色辐射能力与波长及温度的定量关系黑体的单色辐射能力与波长及温度的定量关系：12510T/CeCE式中：式中：黑体辐射的波长，黑体辐射的波长，m m；T T黑体的绝对温度，黑体的绝对温度，K K；C C1 1、C C2 2普朗克常数，普朗克常数，C C1 1=3.743=3.7431010-16-16W Wm m2 2； C C2 2=1.4387=1.43871010-2-2m mK K；E E00黑体的单色辐射能力，黑体的单色辐射能力，W/mW

10、/m2 2。 讨论：讨论：黑体的黑体的E E00与表面形状无与表面形状无关，关，E E00=f(,T)=f(,T)；如图：当如图：当00或或时，时，E Eoo00；同一波长下，；同一波长下，TETE00； 讨论：讨论：在全部波长范围内单色辐射能力有且只有一个最大值：在全部波长范围内单色辐射能力有且只有一个最大值：0ddEo微分，令：微分，令：KmTm3109 . 2维恩（维恩（WienWien）位移定律）位移定律 故：黑体单色辐射能力的最大值随着其温度的升高向波长故：黑体单色辐射能力的最大值随着其温度的升高向波长较短的一边移动。较短的一边移动。可凭借火焰的颜色来判断火焰的温度：可凭借火焰的颜色

11、来判断火焰的温度：温度70090011001400火焰颜色暗红樱桃红橙黄白色炽热体温度温度14001400，可见光范围；，可见光范围；太阳表面：太阳表面：T6000KT6000K，可见光范围；，可见光范围；工业温度（约工业温度（约20002000）：集中在）：集中在=0.8=0.810m10m的红外线的红外线波段内。波段内。 1.2.2 1.2.2 斯蒂芬波尔兹曼斯蒂芬波尔兹曼（Stefan-BoltzmanStefan-Boltzman）定律：）定律：黑体的全波长辐射能力黑体的全波长辐射能力 ：deCdEET/C12510000积分后：积分后：40400100TCTE式中：式中：0 0黑体辐

12、射常数，黑体辐射常数， 0 0=5.67=5.671010-8-8W/(mW/(m2 2K K4 4) ) C C0 0=5.67=5.67 故：故：E E0 0TT，高温时不能忽略辐射传热。，高温时不能忽略辐射传热。1.2.3 1.2.3 兰贝特定律兰贝特定律余弦定律：余弦定律： 说明了黑体表面向它上面的半球空间不同方向说明了黑体表面向它上面的半球空间不同方向上的辐射能量与法线方向上的辐射能量的关系上的辐射能量与法线方向上的辐射能量的关系内容：内容：cos00nII I I0n0n黑体的微元面积黑体的微元面积dAdA在法线方向上在法线方向上 的辐射强度，的辐射强度，W/(mW/(m2 2sr

13、sr) )；给定方向与法线方向的夹角，给定方向与法线方向的夹角，srsr说明：说明：兰贝特定律又称余弦定律；兰贝特定律又称余弦定律；当当=0=0时，时，I I=0=0=I=I0n0n，辐射强度最大；，辐射强度最大； 当当=90=90时，时，I I=90=90=0=0； I I0 0和和E E0 0的关系：的关系：nnIsdIE0202000cossin上式说明：上式说明：E E0 0为为I Ionon的的倍；倍；遵循兰贝特定律的表面称为兰贝特表面，黑体表遵循兰贝特定律的表面称为兰贝特表面，黑体表 面就是一个兰贝特表面；面就是一个兰贝特表面；以上三个定律只适用于黑体以上三个定律只适用于黑体。1.

14、3 1.3 实际物体的热辐射实际物体的热辐射1.3.1 1.3.1 实际物体与黑体的区别与联系实际物体与黑体的区别与联系1.3.2 1.3.2 克希霍夫（克希霍夫（KirchhoffKirchhoff）定律）定律 1.3.3 1.3.3 灰体灰体1.3.1 1.3.1 实际物体与黑体的区别与联系实际物体与黑体的区别与联系实际物体的辐射能力不服从斯蒂芬波尔实际物体的辐射能力不服从斯蒂芬波尔兹曼定律兹曼定律自然界一切物体的辐射能力均小于同温度下黑体的自然界一切物体的辐射能力均小于同温度下黑体的辐射能力；辐射能力；引入相对辐射能力：引入相对辐射能力：=E/=E/ E E0 0，又称黑度，发射率，又称

15、黑度，发射率影响因素：影响因素：它与物体温度和表面性质（表面温它与物体温度和表面性质（表面温度、表面状况等）有关；度、表面状况等）有关； 恒小于恒小于1 1。 1.3.1 1.3.1 实际物体与黑体的区别与联系实际物体与黑体的区别与联系实际物体的单色辐射能力随温度和波长的实际物体的单色辐射能力随温度和波长的变化不符合普朗克定律变化不符合普朗克定律引入物体的单色黑度引入物体的单色黑度 ：=E=E/ E/ E00，又称单色发射能力又称单色发射能力 影响因素：影响因素：f f（T,T,，物体表面性质）；，物体表面性质）；恒小于恒小于1 1，黑体单色辐射能力最大。，黑体单色辐射能力最大。1.3.1 1

16、.3.1 实际物体与黑体的区别与联系实际物体与黑体的区别与联系实际物体对投入辐射能的吸收率实际物体对投入辐射能的吸收率11单色吸收率单色吸收率： 在给定波长在给定波长和入射角和和入射角和下，一个实际表面下，一个实际表面吸收的能量与一个黑表面吸收的能量之比值。吸收的能量与一个黑表面吸收的能量之比值。 说明：说明：、(0(0，1)1)；实验表明，实验表明，、均为物体本身性质；均为物体本身性质；不是物体本身的性质，不是物体本身的性质，f f（表面性质、温度、投入辐射（表面性质、温度、投入辐射的波长及角度）。的波长及角度）。1.3.2 1.3.2 克希霍夫（克希霍夫（KirchhoffKirchhof

17、f）定律）定律内容：内容：假设一个温度为假设一个温度为T T1 1的物体，在一个温度为的物体，在一个温度为T T2 2的黑体的黑体包壳内，则无论包壳内，则无论T T1 1和和T T2 2是否相等，该物体表面的单是否相等，该物体表面的单色黑度等于它的单色吸收率色黑度等于它的单色吸收率 ，即：，即：= = 证明：证明：由该物体发射的辐射为：由该物体发射的辐射为： 被该物体吸收的辐射为：被该物体吸收的辐射为： 假定该物体和包壳处于热平衡状态，则：假定该物体和包壳处于热平衡状态，则：q qe e=q=q或或 由由T T1 1=T=T2 2，则，则E E0,10,1= E= E0,20,2，带入上式有：

18、，带入上式有：= =dEq20dEdE2010dEqe101.3.2 1.3.2 克希霍夫（克希霍夫（KirchhoffKirchhoff）定律）定律说明：说明：对于许多物质，人们发现对于许多物质，人们发现（或（或）与投射辐）与投射辐射的情况无关，即与投射温度射的情况无关，即与投射温度T T2 2无关。无关。故：故：无论无论T T1 1和和T T2 2是否相等，均有是否相等，均有= =；由由、， 则：则：4101 ,00TdEEE4202,0TdE热平衡时热平衡时：T T1 1=T=T2 2，故，故= =； 对于灰体：对于灰体：= = = =什么是灰体？什么是灰体？1.3.3 1.3.3 灰体

19、灰体灰体定义灰体定义：假如某种物体的单色辐射能力：假如某种物体的单色辐射能力E E与同一温度下绝对黑体的单色辐射能力与同一温度下绝对黑体的单色辐射能力E E00之比之比等于常数，即在所有波长下，物体的单色黑度等于常数，即在所有波长下，物体的单色黑度等于常数，这种物体叫做灰体等于常数，这种物体叫做灰体灰体也是一种理想物体灰体也是一种理想物体1.3.3 1.3.3 灰体灰体讨论：讨论：灰体是一个物理模型，符合灰体模型的表面叫灰体是一个物理模型，符合灰体模型的表面叫做灰表面，灰表面符合兰贝特（做灰表面，灰表面符合兰贝特（LambertLambert）定律；）定律； 由其定义及克希霍夫定律，对灰表面，

20、有：由其定义及克希霍夫定律，对灰表面，有：= = =常数常数 推导：推导：dEdEdEdEdEdEEE00000001.3.3 1.3.3 灰体灰体一般工业温度范围一般工业温度范围(T(T2000)2000)内，一般固、液内，一般固、液态物体均可认为是灰体（气体除外），于是：态物体均可认为是灰体（气体除外），于是： 灰体的灰体的-E-E曲线与黑体的曲线与黑体的-E-E曲线相似，二曲线相似，二者在同一温度下的最大单色辐射能力都位于同一者在同一温度下的最大单色辐射能力都位于同一m m处；处；400TEE黑体是灰体的特例黑体是灰体的特例 ：= = = 1 1讨论：讨论：1.4 1.4 气体的辐射与吸

21、收气体的辐射与吸收1.4.1 1.4.1 气体辐射与吸收的特点气体辐射与吸收的特点 1.4.2 1.4.2 烟气的黑度烟气的黑度1.4.3 1.4.3 烟气的吸收率烟气的吸收率1.4.1 1.4.1 气体辐射与吸收的特点气体辐射与吸收的特点: :不同气体具有不同的辐射能力不同气体具有不同的辐射能力单原子和分子结构对称的双原子气体，如惰性单原子和分子结构对称的双原子气体，如惰性气体和氢、氮、氧等，不具有吸收热辐射的能力，气体和氢、氮、氧等，不具有吸收热辐射的能力，可看作透明体。可看作透明体。 而三原子，多原子气体以及结构不对称的双而三原子，多原子气体以及结构不对称的双原子分子，如原子分子，如CO

22、CO2 2、H H2 2O O、SOSO2 2、COCO、CHCH2 2 ，烃类和醇，烃类和醇类等，则有相当大的辐射能力和吸收能力。类等，则有相当大的辐射能力和吸收能力。1.4.1 1.4.1 气体辐射与吸收的特点气体辐射与吸收的特点: :气体辐射对波长有选择性气体辐射对波长有选择性 气体只在某些特定的波段光带内具有吸收能力。气体只在某些特定的波段光带内具有吸收能力。烟气中的烟气中的COCO2 2和和H H2 2O O主要光带如下：主要光带如下： CO2H2O第一光带2.65-2.80m2.55-2.84m第二光带4.15-4.45m5.6-7.6m第三光带13.0-17.0m12.0-30.

23、0m 这些光带均位于可见光范围之外，所以，即使在高温这些光带均位于可见光范围之外，所以，即使在高温下下COCO2 2和和H H2 2O O也不能被人眼看见。也不能被人眼看见。1.4.1 1.4.1 气体辐射与吸收的特点气体辐射与吸收的特点: :气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的 气体的辐射和吸收与气体的形状和体积有关。气体的辐射和吸收与气体的形状和体积有关。 气体的辐射和吸收取决于气层厚度、气体的温度气体的辐射和吸收取决于气层厚度、气体的温度和分压。和分压。定义平均辐射长度定义平均辐射长度L=3.5V/A L=3.5V/A ，又称有效气层，又称有效气层厚度 这样：这样：),(),(mmLPTfPLTf1.4.1 1.4.1 气体辐射与吸收的特点气体辐射与吸收的特点: :气体是典型的非灰体物质气体是典型的非灰体物质 只有当气体温度和固体壁温度相同时气体的只有当气体温度和固体壁温度相同时气体的黑度和吸收率才会相等，若温度不相等，就不存黑度和吸收率才会相等，若温度不相等，就不存在这种关系。同样普朗克定律定律和斯蒂芬波在这种关系。同样普朗克定律定律和斯蒂芬波尔兹曼定律也不能成立。尔兹曼定律也不能成立。1.4.2 1.4.2 烟气的黑度：烟气的黑度： COCO2 2和和H H2 2O O的黑度：的黑度：E ECO2CO2 T T