传热学第八章-热辐射基本定律和辐射特性

第八章热辐射基本定律和辐射特性传热学HeatTransfer8-1热辐射的基本概念热辐射：由物体内部微观粒子热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；辐射传热：物体间通过相互热辐射与吸收传递热量的过程。热辐射的特点：

任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；

无需介质，可以在真空中传播。辐射传热与导热、对流传热的区别（回忆：thebarnisonfire!）

无需任何的介质；伴随能量形式的转变（发射时热能转变为辐射能，吸收时辐射能转变为热能）；辐射能力正比于热力学温度的四次方；

发射和吸收不仅与自身的温度和表面状况相关，还取决于波长和方向；辐射传热量是物体间相互辐射与吸收的动态平衡(当物体间处于热平衡时，净辐射换热量等于零，但是相互间的辐射与吸收仍在进行)。注意热辐射与辐射传热的概念区别传热学HeatTransfer8-1热辐射的基本概念电磁波：交变电磁场在空间的传播。与弹性介质中的机械波不同，电磁波的传播不需要介质，且传播速度等于光速。

电磁波传播速度、频率与波长的关系：c=fλ真空c＝3×108m/s电磁波频谱：High-energyphysicist/nuclearengineerThermalengineerElectricalengineer计及太阳辐射（5800K）的热射线:λ＝0.1～100μm工业领域温度范围（<2000K）的热射线:λ＝0.76～20μm可见光（λ＝0.38～0.76μm）红外线（λ＝0.76～1000μm）微波（λ＝1mm～1m）传热学HeatTransfer8-1热辐射的基本概念物体对热辐射的吸收、反射与穿透：可见光、声波、热射线式中α、ρ和τ分别为吸收比、反射比和穿透比黑体：α＝1镜体（白体）：ρ＝1透明体：τ＝1对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：辐射表面的状况影响大辐射表面的状况影响小，容器的形状影响大理想辐射体能量守恒传热学HeatTransfer8-1热辐射的基本概念物体对热辐射的吸收、反射与穿透：镜面反射（表面粗糙度<波长）漫反射（表面粗糙度>波长）辐射表面的状况对固体、液体辐射能的反射一般工程材料表面均为漫反射传热学HeatTransfer8-1热辐射的基本概念热辐射的基本属性：发射和吸收不仅与自身的温度和表面状况相关，还取决于波长和方向频谱分布特性方向性分布特性传热学HeatTransfer8-2黑体热辐射基本定律黑体：吸收比α＝1，能够全部吸收各种波长热辐射能的理想物体。在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大。辐射换热的基本研究方法：将真实物体的辐射与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律。

黑体模型内壁吸收比0.6时，如果小孔与内壁面积比小于0.6％，则该模型的吸收比>0.996，近似为黑体传热学HeatTransfer热辐射的能量表示参数：辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。(W/m2)；（亦称为半球辐射力，注意单位）光谱辐射力Eλ：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。(W/m3)；（亦称为半球光谱辐射力）辐射力是光谱辐射力曲线下的总面积黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为Ebλ黑体辐射三大定律：普朗克定律、斯忒潘-玻耳兹曼定律、兰贝特定律8-2黑体热辐射基本定律一定温度下单位面积黑体辐射的总能量＝？总能量中各个波段的能量分别占多少比例？辐射能在空间是如何分布的？传热学HeatTransfer普朗克定律：揭示了黑体辐射能的光谱特性，即黑体的光谱辐射力Ebλ随波长和温度变化的规律。Ebλ＝f（λ,T）

λ—波长，m；T—黑体温度，K；c1

—第一辐射常数，3.7419×10-16Wm2；

c2—第二辐射常数，1.4388×10-2mK；8-2黑体热辐射基本定律传热学HeatTransfer普朗克定律：揭示了黑体辐射能的光谱特性，即黑体的光谱辐射力Ebλ随波长和温度变化的规律。温度越高，黑体的光谱辐射力越大；一定温度下，黑体的光谱辐射力随波长的增加而“先增后减”。对应黑体最大光谱辐射力的波长λm与温度的关系（维恩位移定律）：8-2黑体热辐射基本定律Thesunemitsapproximatelyasablackbodyat5800K,themaximumemissionisinthevisiblespectralregion.Atungstenfilamentlampoperatingat2900Kemitswhitelight,butmostoftheemissionremainsintheinfraredregion.Theluminousefficiencyispoor.

Duringthesteel-makingprocedure,thesurfacecolorofthesteelingotwillvaryfromredtowhitewithincreasingtemperature,Why?传热学HeatTransfer斯忒潘-玻耳兹曼定律：揭示了黑体辐射能的特性，即黑体的辐射力Eb随波长和温度变化的规律。黑体辐射常数：σ=5.67×10-8W/(m2K4)特定波段的黑体辐射力：温度提高一倍，辐射力增加16倍8-2黑体热辐射基本定律传热学HeatTransfer特定波段的黑体辐射力＝黑体辐射函数×黑体辐射力σT4黑体辐射函数：特定波段黑体辐射力与相同温度下全波段黑体辐射力σT4的百分比。黑体辐射函数表表8-18-2黑体热辐射基本定律传热学HeatTransfer立体角：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)，黑体辐射力定义为半球空间的总能量，如何描述半球空间不同方向的辐射能量分布？半球面立体角Ω＝2π（sr）球面微元立体角兰贝特定律：揭示了黑体辐射能的空间分布特性8-2黑体热辐射基本定律传热学HeatTransfer定向辐射强度：单位时间、单位可见辐射面积辐射的在单位立体角内的辐射能量。兰贝特定律：黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。

I(θ)＝I＝constdΩ立体角内的辐射力（定向辐射力）：黑体辐射能的空间分布（定向辐射力）不均匀，在法向最大，切向最小。黑体定向辐射力与定向辐射强度的关系8-2黑体热辐射基本定律ABC辐射面积Vs可见辐射面积传热学HeatTransfer半球空间所有波长辐射能量的总和（半球辐射力E）：遵守兰贝特定律的黑体辐射，半球辐射力等于定向辐射强度的倍。Planck定律:给出了特定波长下的辐射力；Stefan-Boltzmann定律:给出了一切波长下的总辐射力；Lambert定律：描述了辐射能量按空间方向分布的规律；Wien位移定律：给出了单色辐射力峰值波长λm与温度T的关系8-2黑体热辐射基本定律传热学HeatTransfer8-3实际固体和液体的辐射特性由于实际物体的辐射能力小于同温度下的黑体，实际物体引入发射率（黑度）ε第一章黑体ε＝1实际物体:(W/m2)(W)MethodologyBlackbodysurfaceemissivityRealsurface传热学HeatTransfer8-3实际固体和液体的辐射特性EmissionfromRealSurfacevs.BlackbodySpectraldistributionDirectionaldistributionTotal,hemisphere实际物体的辐射力空间分布不同于黑体，其定向辐射强度与方向有关。定向发射率ε(θ)：实际物体定向辐射强度与同温度黑体定向辐射强度的比值EmissionfromRealSurfacevs.BlackbodySpectraldistributionDirectionaldistributionTotal,hemisphere光谱发射率：实际物体光谱辐射力与同温度黑体光谱辐射力的比值。传热学HeatTransfer8-3实际固体和液体的辐射特性EmissionfromRealSurfacevs.BlackbodySpectraldistributionDirectionaldistributionTotal,hemisphere发射率：实际物体辐射力与同温度黑体辐射力的比值。光谱发射率传热学HeatTransfer8-3实际固体和液体的辐射特性实际物体具有漫射表面（满足兰贝特定律的表面）时，一般忽略空间分布的差异，认为定向发射率的半球空间平均值ε＝法向发射率εn（高度磨光表面除外），直接查表8-2确定。Ib实际物体黑体漫射体漫射体：定向辐射强度I随θ的分布满足兰贝特定律的物体，I(θ)=const,ε(θ)<1物体表面的发射率仅与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。由表8-2：对于同一金属材料，高度磨光表面发射率低，粗糙表面或氧化表面发射率高；非金属材料表面发射率较高。传热学HeatTransfer8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系物体辐射换热热辐射的发射热辐射的吸收发射率与温度和表面状况有关，与外界条件无关，是物性参数热辐射的吸收与外界条件有关！投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能。吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数；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长的不同而变化，称为选择性吸收。光谱吸收比（单色吸收比）：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数。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。传热学HeatTransfer实际物体光谱吸收比与波长的关系利用物体选择性吸收的特性：暖房、墨镜、世间万物的不同色彩…注意解释物体颜色时：物体可见光波段光谱辐射力与物体选择性吸收和反射的概念区别。炼钢炉中钢锭呈红色，常温下物体呈红色，两者的区别？8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系传热学HeatTransfer利用物体的光谱吸收比和光谱发射率计算吸收比：投入辐射源为黑体：复杂！简化？8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系下标1：所研究的物体下标2：产生投入辐射的物体传热学HeatTransfer实际物体的选择性吸收使得计算十分复杂简化灰体灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。不管投入辐射的光谱分布如何，吸收比都保持不变。与黑体类似，它也是一种假想的理想物体。对于大部分工程热辐射问题来讲，温度范围300～2000K之间，光谱能量主要在红外区域，灰体假设带来的误差是可以接受的。即对于大部分红外波段的工程热辐射问题，可以将物体视为灰体。引入漫射表面（体）的假设可忽略实际物体发射辐射能的空间分布特性，引入灰体的假设可忽略实际物体选择性吸收投入辐射的特性。8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系传热学HeatTransferEmissionfromRealSurfacesAbsorptionbyRealSurfacesEmissionfromRealSurfaceisdirectionaldependentEmissionfromRealSurfaceisdirectionalindependentDiffusesurface(漫射表面)AbsorptionbyRealSurfaceisspectraldependentGraysurface(灰体表面)AbsorptionbyRealSurfaceisspectralindependent8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系关联?传热学HeatTransfer物体辐射换热热辐射的发射热辐射的吸收基尔霍夫定律基尔霍夫定律：建立了实际物体辐射力与吸收比的关联。

在热平衡时，任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下物体的发射率。注意：实际物体与黑体间满足基尔霍夫定律的前提在于处于热平衡状态（T1=T2）8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系传热学HeatTransfer具有漫反射特性的灰体严格满足基尔霍夫定律说明：存在三种表述方式；

“善辐射者必善吸收”？大多数工业领域温度范围内（<2000K）的物体均可视为漫灰体；研究物体表面对太阳辐射的吸收时不适用。漫灰体8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系传热学HeatTransfer研究物体表面对太阳辐射的吸收时不能视为灰体，即因为大多数的物体对于太阳辐射的可见光的吸收具有较强的选择性（选择性吸收）白漆、黑漆常温下发射率＝0.9，但是吸收比差异大；太阳能集热器；温室效应：暖房：玻璃对太阳辐射具有强烈的选择性吸收—大部分太阳辐射（0.2～2μm）穿透玻璃，而内部的物体热辐射（≥3μm）穿透率低。

地球：CO2、CFC制冷剂（R12等）对≥3μm的红外波段吸收率高，而对于太阳辐射穿透率高—温室效应。温室效应8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系传热学HeatTransfer1.到达大气层外缘的太阳辐射∞5762K的黑体辐射；2.太阳常数Sc＝1370±6W/m2，太阳辐射总辐射能＝1.76×1017W。3.太阳辐射的光谱特性及其受大气层的削弱。8-