高教传热学第四版课件第8章

1、第第8章章 热辐射基本定律及热辐射基本定律及物体的辐射特性物体的辐射特性本章重点内容本章重点内容重点内容：重点内容： 物体的吸收、反射、透射特性；物体的吸收、反射、透射特性； 黑体辐射的四个定律；黑体辐射的四个定律； 基尔霍夫定律。基尔霍夫定律。掌握内容：掌握内容： 斯蒂芬玻尔兹曼定律、兰贝特定律、基尔霍夫定律斯蒂芬玻尔兹曼定律、兰贝特定律、基尔霍夫定律 了解内容：了解内容： 了解普朗克定律的内容。了解普朗克定律的内容。 作业7-10，7-18，7-21，7-23，7-24，7-26 8-1 8-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念一一. 热辐射特点热辐射特点 二二. 电磁波谱电磁波谱1.1.

2、 定义定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量 2.2. 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 0 K，就会不停地，就会不停地向周围空间发出热辐射；向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c 伴伴随能量形式的转变；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 辐射能辐射能与温度和波长均有关；与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次次方。方。电磁波的传播速度：电磁波的传播速度： c = f 式中：式中：f 频率，频率，s-1; 波长，波长，m8-1 8-1 热辐射

3、的基本概念热辐射的基本概念电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱电磁辐射包含了多种形式，工业上有实际意义的热电磁辐射包含了多种形式，工业上有实际意义的热辐射区域一般为辐射区域一般为0.10.1100100mm。8-1 8-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念当热辐射投射到物体表面上时，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、一般会发生三种现象，即吸收、反射和透反射和透射射11QQQQQQQQQQ三三. . 物体对热辐射的吸收、反射和透射物体对热辐射的吸收、反射和透射物体对热辐射的物体对热辐射的吸收反射和透吸收反射和透射射11QQQQQQQQQQ11QQQQQQQQQQ1.吸收、反射

4、和透吸收、反射和透射特性射特性8-1 8-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：1,01,0 镜面反射镜面反射 漫反射漫反射对于气体：对于气体：8-2 8-2 热辐射的基本概念热辐射的基本概念黑体模型：黑体模型：是指能吸收投入是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。造出近似的人工黑体。黑体模型黑体模型111透明体：透明体：黑体：黑体：镜体或白体：镜体或白体：2.三种理想模型：三种理

5、想模型：8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律辐射力辐射力E E：一一. .热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法E、E关系关系: 光谱辐射力光谱辐射力E E：0dEE单位时间内，物体的单位时间内，物体的单位表面积向半球空单位表面积向半球空间所有方向发射出去间所有方向发射出去的全部波长的辐射能的全部波长的辐射能的总量的总量(W/m2)二二.黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律1)(512TcbecE波长，波长，m m ；T T 黑体温度，黑体温度，K K ；c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2；c c2 2 第二第

6、二辐射常数，辐射常数，1.43881.43881010-2-2 m m K K； 1.Planck1.Planck定律：定律：WienWien位移位移定律：定律：KmTm3108976. 28-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律3109 . 2m.K 8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律2.Stefan-Boltzmann2.Stefan-Boltzmann定律（四次方定律）：定律（四次方定律）：21dEEbb40)(51012TdecdEETcbb= 5.67= 5.671010-8-8 W/(m W/(m2 2 K K4 4) )黑体辐射函数黑体辐射函数黑体在波长黑体

7、在波长1 1和和2 2区区段内所发射的辐射力：段内所发射的辐射力：8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律黑体辐射函数黑体辐射函数: : 0bFTTbbbTfTdTETdEF05400)()(能量份额能量份额 可以表示为单一变量可以表示为单一变量 的函数，即：的函数，即：212121401dETdEdEFbbbb2121004001bbbbE dE dFFTbbbEFE21218-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律黑体辐射函数黑体辐射函数TFb(0-)TFb(0-)TFb(0-)TFb(0-)1000 0.0323 1900 5.225360040.40600073.8111

8、00 0.0916 2000 6.690380044.38 650077.661200 0.2142200 10.11400048.13700080.831300 0.4342400 14.05420051.64750083.461400 0.7822600 18.34440054.92 800085.641500 1.2902800 22.82460057.96 850087.471600 1.9793000 27.36480060.79 900089.078-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律定义：定义：球面面积除以半径的平方，球面面积除以半径的平方，sr(球面度球面度)(1)(

9、1)立体角立体角3.Lambert 定律定律2rAc2rdAdc8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律drrddAcsin.cdAdd 可用球坐标中的纬度微元角可用球坐标中的纬度微元角 和精度微元角和精度微元角 表示为：表示为： dddsin8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律定义：单位时间内、单位可定义：单位时间内、单位可见辐射面积辐射出去的落在见辐射面积辐射出去的落在单位立体角内的辐射能量单位立体角内的辐射能量(2) (2) 定向辐射强度定向辐射强度：(3) Lambert 定律定律 ddAdLcos 常量 LL黑体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度与方向无关，即黑体

10、在半方向无关，即黑体在半球空间的各个方向上的球空间的各个方向上的定向辐射强度相等定向辐射强度相等 8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律黑体的辐射能随黑体的辐射能随 呈余弦规律变化呈余弦规律变化(4) 辐射力与定向辐射强度间的关系辐射力与定向辐射强度间的关系 22cos dLdAdE2cossinELd d 2/200cossinLddL cosLdAdd8-3 8-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性4TEEEbv发射率发射率 (也称为黑度也称为黑度) ：相同温度下，：相同温度下，实际物体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

11、比: v光谱发射率光谱发射率 ：相同温度：相同温度下，下，实际物体的光谱辐射力实际物体的光谱辐射力与黑体光谱辐射力之比与黑体光谱辐射力之比: bEEv发射率与光谱发发射率与光谱发射率间的关系：射率间的关系： 40TdEEEbb4bEET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)bbLLLL)()()()(定向发射率：实际物体的定向辐射强度与黑定向发射率：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：体的定向辐射强度之比：8-3 8-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率几种非导电体材料在

12、不同方向上的定向发射率 ( )(t=093.3)漫射表面漫射表面：表面的定向发射率：表面的定向发射率 ( ) 与方向无关，即与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足兰贝特定律的表面定向辐射强度与方向无关，满足兰贝特定律的表面8-3 8-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性表面发射率表面发射率的影响因素：的影响因素：物质种类、表面温度、表面状况物质种类、表面温度、表面状况表面发射率表面发射率只与发射辐射的物体本身有关，而只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界不涉及外界一般材料：一般材料：n高度磨光的金属表面：高度磨光的金属表面：1.2n实际物体的辐射特性实际物体的辐射特性与理

13、想物体的区别：与理想物体的区别：实际物体、黑体和灰实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱体的辐射能量光谱 (1)(1)实际物体的辐射力实际物体的辐射力8-3 8-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性(2)(2)实际物体的辐射力实际物体的辐射力并不完全与热力学温并不完全与热力学温度的四次方成正比；度的四次方成正比；(3)(3)实际物体的定向辐实际物体的定向辐射强度也不严格遵守射强度也不严格遵守LambertLambert定律。定律。1.1.投入辐射：投入辐射：单位时间内从外界辐射到物体单位表单位时间内从外界辐射到物体单位表面积上的能量面积上的能量 )(投入辐射投入的能量吸收的能量一一

14、.基本概念：基本概念：8-4 8-4 实际物体的吸收比与基尔霍夫定律实际物体的吸收比与基尔霍夫定律2.2.吸收比吸收比 ：物体对投入辐射所吸收的百分数，物体对投入辐射所吸收的百分数，实际物体的吸收比实际物体的吸收比取决于两方面的因素：吸收物取决于两方面的因素：吸收物体的本身情况和投入辐射的特性。体的本身情况和投入辐射的特性。 3. 光谱吸收比：光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的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。光谱吸收比随波长的变化百分数，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。体现了实际物体的选择性吸收的特性。能量投入的某一

15、特定波长的能量吸收的某一特定波长的),(1T金属导电体的光谱吸收比同波长的关系金属导电体的光谱吸收比同波长的关系非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系4.物体的吸收具有选择性：物体的吸收具有选择性： 1212011220,T ETdGEGEETd 1220220,bbTTETdTETd 12,12f T T表面的性质，表面 的性质12020,bbT ETdETd 12,1f T T表面 的性质如果投入辐射来自黑体，则物体的吸收比可以表示成：如果投入辐射来自黑体，则物体的吸收比可以表示成：物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关

16、系6.6.两种处理方法两种处理方法: :5.灰体：灰体：光谱吸收比与波长无关的物体光谱吸收比与波长无关的物体 = ( ) = const(2)(2)谱带模型法：谱带模型法：即将所关心的连续分布的谱带区域划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，在分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。每个谱带内应用灰体假设。(1)(1)灰体法灰体法: :将实际物体作为灰体处理，即将实际物体作为灰体处理，即将光谱吸收将光谱吸收比比 ( ( ) ) 作为常数，作为常数， = = ( ( ) = const) = const。8-4 8-4 实际物体的吸

17、收比与基尔霍夫定律实际物体的吸收比与基尔霍夫定律平行平板间平行平板间的辐射换热的辐射换热8-4 8-4 实际物体的吸收比与基尔霍夫定律实际物体的吸收比与基尔霍夫定律二二. .基尔霍夫定律基尔霍夫定律bqEE12TT0q 当体系处于当体系处于 的的状态，状态，即处于热平衡条件下时即处于热平衡条件下时: bEE任意物体任意物体: 1212bEEEEbEE该式说明该式说明: :在热力在热力学平衡状态下，学平衡状态下，物体的吸收率等于它的发射率物体的吸收率等于它的发射率该式在下列限定性条件下而得：该式在下列限定性条件下而得：（1 1）整个系统处于热平衡状态；）整个系统处于热平衡状态；（2 2）如物体的

18、吸收率和发射率与温度有关，则二者只有）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的值才能相等；处于同一温度下的值才能相等；（3 3）投射辐射源必须是同温度下的黑体）投射辐射源必须是同温度下的黑体。8-4 8-4 实际物体的吸收比与基尔霍夫定律实际物体的吸收比与基尔霍夫定律假设在某一温度假设在某一温度下，一灰体与黑体处于热平衡，下，一灰体与黑体处于热平衡，按基尔霍夫定律按基尔霍夫定律对于漫射的灰体表面一定有对于漫射的灰体表面一定有 TT漫灰表面漫灰表面:辐射表面是具有漫射特性的灰体辐射表面是具有漫射特性的灰体层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向 光谱

19、，半球光谱，半球 全波段，全波段，半球半球无条件，无条件， 为天顶角为天顶角 漫射表面漫射表面 与黑体处于热平衡与黑体处于热平衡或或漫灰表面漫灰表面),(),(TT),(),(TT)()(TT KirchhoffKirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式几点说明几点说明：8-4 8-4 实际物体的吸收比与基尔霍夫定律实际物体的吸收比与基尔霍夫定律1.基尔霍夫定律有几种不同层次上的表达式基尔霍夫定律有几种不同层次上的表达式8-4 8-4 实际物体的吸收比与基尔霍夫定律实际物体的吸收比与基尔霍夫定律2.对工程计算而言，只要在所研究的波长范围内光谱对工程计算而言，只要在所研究的波长范围内光

20、谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定即可成立，吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定即可成立，而不必要求在全波段范围内而不必要求在全波段范围内()=常数。在工程常见的温常数。在工程常见的温度范围（度范围（2000K）内，许多工程材料都有这一特点。）内，许多工程材料都有这一特点。 3. 同温度下黑体的辐射力最大。同温度下黑体的辐射力最大。4.当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体作为灰体，即不能把物体在常温下的发射率作为对体作为灰体，即不能把物体在常温下的发射率作为对太阳能的吸收比。太阳能的吸收比。 例题例题1 1如附图所示，用一个运动的传感器

21、来测定传送带如附图所示，用一个运动的传感器来测定传送带上一个热试件的位置。设热试件的辐射具有黑体上一个热试件的位置。设热试件的辐射具有黑体的特性。问传感器与热试件之间的距离的特性。问传感器与热试件之间的距离 多大时，多大时，传感器接收到的辐射能是传感器与试件位于同一竖直线上传感器接收到的辐射能是传感器与试件位于同一竖直线上时的时的75？1x例题例题1 1221212111222coscoscoscos .ALAdLALA Arr 0cos11r 1212LA A211cos1x211rx12122211.1LA Ax121275%22110.751x10.395x 解：设热试件为表面解：设热试

22、件为表面1，传感器为表面，传感器为表面2。当传感器。当传感器处于某一位置时，传感器所接收到的辐射能为：处于某一位置时，传感器所接收到的辐射能为：当传感器与热试件位于同一竖直线上时，当传感器与热试件位于同一竖直线上时，当传感器与热试件不在同一竖直线上时，当传感器与热试件不在同一竖直线上时，解得解得m试证明下列论述：对于腔壁的吸收比为试证明下列论述：对于腔壁的吸收比为0.6的一等温球壳，的一等温球壳，当其上的小孔面积小于球的总表面面积的当其上的小孔面积小于球的总表面面积的0.6时，该小时，该小孔的吸收比可大于孔的吸收比可大于99.6。球壳腔壁为漫射体。球壳腔壁为漫射体。 例题例题2 21199.4

23、%199.4%22199.4%22199.4%2233199.4%199.4%199.4%孔 99.61199.41a1-q孔证明证明:例题例题3 3 n一表面的定向发射率一表面的定向发射率 随随 角的变化如附图角的变化如附图所示，试确定该表面的发射率与法向发射率所示，试确定该表面的发射率与法向发射率 的比值。的比值。 22coscosbbLdEELd 2/2002/200cos sincos sinbLd dLd d 2/2002/200cos sincos sinbbLd dLd d /202cos sin d 0.50.714n解：解：温度为温度为310K的的4个表面置个表面置于太阳光的照于