传热学热辐射基本定律和辐射特性

传热学热辐射基本定律和辐射特性第1页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性8.1热辐射现象的基本概念8.1.1热辐射的定义及区别导热对流的特点定义：由热运动产生的，以电磁波的形式传递能量的一种现象。它是物体内部微观粒子的热运动状态发生改变时激发出来的。特点：1)

任何物体，只要温度高于绝对温度0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；2)

热辐射的能量传递不需要任何介质，且在真空中传递效率最高；3)

伴随电磁能和热能之间的能量形式的转变；

4)

热辐射具有强烈的方向性；5)

辐射能与温度和波长均有关；

6)

热辐射的热量取决于绝对温度的4次方。注意：热辐射不断把热能变为辐射能，为了达到能量守恒定律，还需要不断吸收周围物体投射到它表面的热辐射，并变为热能。

辐射传热指物体之间的相互辐射和吸收的总效果。

辐射传热量为零，但是热辐射仍在不断进行。第2页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性8.1.2从电磁波的角度描述热辐射的特性1.传播速率与波长、频率间的关系热辐射具有一般辐射的共性：热辐射以光速在空间中传播；电磁波的速率、波长和频率之间的关系为

c=fλ

c=3*108m/s为电磁波传播速度，f为频率，λ为波长。2.电磁波的波谱2000k以下热辐射:0.8~100μm可见光波长：0.38~0.76μm太阳辐射能量：0.2~2μm热辐射研究的波长区段为：

0.1~100μm第3页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性不同波长热辐射的用途：1)以25μm为界分为近红外线和远红外线，对物体进行远红外线加热。2)1mm~1m的电磁波为微波，能穿透塑料玻璃和陶瓷，会被水吸收产生内热源，对物体均匀加热。(转，蚂蚁)3)大于1m的电磁波广泛用于无线电技术。3.物体表面对电磁波的作用(1)吸收比、反射比与穿透比之间的一般关系热辐射投射到物体表面时，分为三部分吸收能量—Qα—吸收率—α反射能量—Qρ—反射率—ρ穿透能量—Qτ—穿透率—τ第4页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性固体和液体：α+ρ=1表面状况对辐射特性影响很重要极短距离内把辐射能量吸收完(1μm-1mm)，不允许热穿透。气体：α+τ=1内部状况对辐射特性影响很重要对辐射能没有反射能力，只能吸收或穿透。(2)固体表面的两种反射辐射能的反射方式镜面反射：物体表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时漫反射：物体表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时第5页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性8.1.3黑体模型及其重要性绝对黑体：吸收比为1的物体镜体：反射比为1的物体绝对透明体：穿透比为1的物体由理想情况到复杂情况分析黑体模型：自然界不存在黑体，但是可以通过人工方法制造出类似黑体的模型。选择吸收比较大的材料制造一个空腔，并在壁面上开一个小孔，并使空腔壁面保持均匀的温度，这种带有小孔的温度均匀的空腔就是黑体模型特点：1)在一定的小孔面积和腔体总面积之比下，材料本身的吸收比越大，黑体模型的有效吸收比越大；反之亦然。2)等温空腔内部的辐射是均匀且各向同性的，在相同物体中，黑体的辐射能力和吸收能力都是最大的。第6页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性8.2黑体热辐射的基本定律8.2.1斯忒藩-波尔兹曼定律三个定律分别从不同角度揭示在一定的温度下，单位表面黑体辐射能的多少及其随空间方向与随波长分布的规律。为了定量分析热辐射能量大小，引入辐射力的概念辐射力：单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的全部波长范围内的能量,记为E,其单位为W/m2。黑体辐射力与热力学温度的关系由斯忒藩-波耳兹曼定律确定：σ=5.67*10-8W/(m2K4)为黑体辐射常数，C0=5.67W/(m2K4)称为黑体辐射系数，下角码b表示黑体以上公式称为辐射四次方定律，是辐射传热计算基础；该公式表明：随着温度上升，辐射力急剧增大。第7页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性8.2.2普朗克定律普朗克定律揭示了黑体辐射能按波长分布的规律1.光谱辐射力定义：单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的在包含波长λ在内的单位波长内的能量，Ebλ，单位W/(m2·μm)2.普朗克定律黑体的光辐射力随波长的变化关系为：λ—波长，m

；T—黑体温度，K

；c1—第一辐射常数，3.742×10-16Wm2；c2

—第二辐射常数，1.4388×10-2WK；光辐射能力随着波长的增加，先是增加，然后又减少第8页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性光谱辐射力最大处的波长λm亦随温度不同而变化：随着温度的增高，最大光辐射力的波长会减小，曲线峰值向左移动。波长与温度成反比的规律称为维恩位移定律3.普朗克定律与斯忒藩-玻耳兹曼定律的关系

光辐射力曲线下的面积就是该温度下黑体的辐射力第9页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性4.黑体辐射能按波段的分布为了确定在某个特定的波段范围内黑体的辐射能，需要对Ebλ进行积分这份能量在黑体辐射力中所占的百分数为：黑体辐射函数任意两个波长λ2、λ1之间黑体的辐射能为第10页，共37页，2023年，2月20日，星期三8.2.3兰贝特定律第8章热辐射基本定律和辐射特性兰贝特定律是黑体辐射能按空间方向的分布规律；1.立体角二维空间中利用平面角表示某一方向空间所占的大小；三维空间中利用立体角及微元立体角表示某一方向的空间所占的大小在球坐标中，为经度角，为纬度角空间的方向可以用该方向的纬度角和经度角表示。立体角的单位称为空间度，记为sr从图中可以看出，单位面积可以表示为：从而得到微元立体角为：第11页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性2.定向辐射强度相同纬度角、不同经度角下，从微元黑体面积dA单位立体角中辐射出去的能量是相等的，因此，只要查明辐射能按不同纬度角分布的规律就可以了。设面积为dA的黑体微元面积向围绕空间纬度角θ方向的微元立体角dΩ内辐射出去的能量为dΦ(θ)，则实验测定表明：或者I为常数，与θ方向无关可以视为从θ方向看过来的面积，称为可见面积右边公式中左端物理量时从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，称为定性辐射强度。第12页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性3.兰贝特定律(余弦定律)黑体辐射的贝兰特定律表明：黑体的定向辐射强度是个常量，与空间方向无关。说明：定向辐射强度是以单位可见面积作为度量依据的，如果以实际辐射面积为度量依据，结果应该是公式8-15a所示的结果。另一种表达方式：

黑体单位面积辐射出去的能量在空间的不同方向分布是不均匀的，按空间纬度角θ的余弦规律变化：在垂直于该表面的方向最大，而在于表面平行的方向为零，称为余弦定律Lambert定律图示第13页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性4.兰贝特定律与斯忒藩-玻耳兹曼定律间的关系在公式(8-15a)两端各乘以dΩ，然后对整个半球空间进行积分，得到从单位黑体表面发射出去落到整个半球空间的能量，即黑体的辐射力。将公式(8-14)代入上式得遵守兰贝特定律的辐射，数值上其辐射力等于定向辐射强度的π倍。总结：1.黑体的辐射力由斯忒藩-玻耳兹曼定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方；2.黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律，而按照空间方向的分布服从兰贝特定律3.黑体的光辐射能力有个峰值，与此峰值相对应的波长由维恩位移定律确定，随着温度的升高，λm向波长短的方向移动。第14页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性例题8-4

有一个微元黑体面积，与该黑体表面相距0.5m处另有三个微元面积dA1，dA2，dA3,面积均为，该三个微元面积的空间方位如图中所示。使计算从dAb发出分别落在dA1，dA2，dA3对dAb所张的立体角中的辐射能量。分析：现根据dA1，dA2和dA3的大小与方向确定它们对dAb所张的立体角，然后根据公式(8-15a)即可得到所求解的能量。第15页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性计算：根据公式(8-12)可以得到注意：本题得出的是落到该立体角中的能量，但未必是微元面积dA1，dA2和dA3所吸收的来自黑体微元面积的能量，后者还与三个微元面积本身的辐射特性有关。第16页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性8.3固体和液体的辐射特性(实际物体)黑体是研究热辐射的标准物体，对于实际物体的辐射特性，将在与黑体的辐射特性进行对比的基础上进行研究。8.3.1实际物体的辐射力实际物体的辐射力E总是小于同温度下的黑体的辐射力Eb，两者的比值称为实际物体的发射率，记为ε：实际物体的辐射力E可以表示为：其中，物体的发射率ε一般通过实验测定，它仅取决于物体自身，而与周围环境条件无关。第17页，共37页，2023年，2月20日，星期三8.3.2实际物体的光谱辐射力第8章热辐射基本定律和辐射特性实际物体的光辐射力往往随波长做不规则的变化。右图.实际物体的光辐射力按波长的分布的规律与普朗克定律不同，但定性上是一致的。实际物体的光辐射力小于同温下的黑体同一波长下的光辐射力,两者之比为实际物体的光谱发射率光谱发射率与实际物体发射率之间的关系第18页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性实际物体的辐射力并不严格同热力学温度的四次方成正比，但采用不同方次的规律来计算很不方便，因此，在工程应用中，先计算黑体的热力学温度四次方，然后乘以修正系数确定发射率。8.3.3实际物体的定向辐射强度实际物体辐射按空间方向的分布，也不尽符合兰贝特定律。引入定向发射率概念：I(θ)为与辐射面法向成θ角的方向上的定向辐射强度，而Ib为同温度下黑体的定向辐射强度1.定向发射率随θ角的变化规律首先，对于黑体表面，显然定向发射率在极坐标中是半径为1的半圆；对于定向辐射强度随θ的分布满足兰贝特定律的物体，其定向发射率在极坐标中是半径小于1的半圆，称为漫反射。(右图所示)第19页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性实验测定和电磁理论分析表明：金属与非导体的定向发射率随θ角的变化有明显的区别。金属材料的定向发射率

非导电体的定向发射率对于非导电体，从辐射面法向θ=0o到θ=60o范围内，定向发射率基本不变，而当θ超过60o之后，ε(θ)的减小是明显的，直到θ=90o时ε(θ)降为零(8-15)。对于金属材料，从θ=0o开始在一定角度内ε(θ)是一个常数，然后随着θ的增大急剧地增大，在接近θ=90o的极小角度范围内ε(θ)又减小直到零为止(8-14)。金属材料的定向发射率

非导电体的定向发射率第20页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性2.定向发射率ε(θ)与半球平均发射率ε之间的关系ε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，它的定义为由于定向发射率在半球空间的大部分范围内是常数，可以用其法向发射率εn近似代替：M为修正偏差的系数，金属材料表面M=1.0~1.3，非导体为M=0.95~1.0出了高度抛光的表面以外，工程计算中一般取M=1.0，即ε=εn。注意：1.工程手册中给出的物体发射率一般为法向发射率之值，当计算高度抛光表面时，应考虑ε=εn之间的差异。2.既然大部分工程材料定向发射率可近似的取为常数，就意味着可以将它们当做漫反射体看待。第21页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性3.影响物体发射率的原因发射率的取决因素：物质种类、表面温度和表面状况。(仅与物体本身有关，与外界条件无关)1.不同种类物质的发射率有较大区别。2.同一物体的发射率又随着温度的变化而变化3.同一金属材料，磨光和粗糙表面的发射率也有很大差别。大部分非金属的发射率为0.85~0.9，且表面状况影响不大，一般取0.9.第22页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性例题8-6

实验测得2500k钨丝的法向以单色发射率如图所示，使计算其辐射力及发光效率。题解：设钨丝表面为漫射表面，半球空间内的总辐射力可通过发射率ε确定，ε的值与光谱发射率之间的关系为：题解：可见光的波长范围为0.38~0.76μm，则。根据表8-1，近似取，在可见光内的能量为白炽灯的发光效率过低！第23页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律与辐射特性8.4实际物体对辐射能的吸收与辐射关系黑体：发射率为1，吸收比也是1。实际物体：发射率小于1，吸收比也小于1，它们之间的关系？8.4.1实际物体的吸收比投入辐射：单位时间内从外界投入到物体的单位面积上的辐射能；物体吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数。吸收比影响因素：吸收物体本身的情况(物质本身的种类、物体温度及表面状况)、投入辐射的特性。光谱吸收比：吸收比α是对投入到物体表面上各种不同波长辐射能的总体吸收比，而表征物体对某一波长辐射能吸收特性的物理量称为光谱吸收比。第24页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律与辐射特性1.光谱吸收比物体吸收某一特定波长辐射能的百分数称为光谱吸收比，物体的光谱吸收比与波长有关。有些物体随波长变化不大，而另外一些材料则随波长的变化很大。2.实际物体的吸收具有选择性物体的光谱吸收比随波长而异的这种特性称为物体的吸收具有选择性。焊接为什么要带黑色墨镜、花儿为什么这样红？第25页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律与辐射特性3.实际物体吸收的选择性对辐射传热计算所造成的困难物体的吸收比除了与自身表面的性质和温度T1有关之外，还与投入辐射按波长的能量分布有关，而该能量分布又取决于发出投入辐射的物体的性质和温度，要根据吸收和发出辐射两方的性质和温度决定吸收比。利用下标1、2分别代表所研究的物体及投入辐射的物体，那么物体1的吸收比可以写为：如果投入辐射来自黑体，则物体的吸收比可以表示为：第26页，共37页，2023年，2月20日，星期三物体对黑体辐射的吸收与温度的关系第8章热辐射基本定律与辐射特性对于一定的物体，其对黑体辐射的吸收比是温度T1、T2的函数，若物体的光谱吸收比和温度T2已知，则根据以上两个公式进行计算，积分可用数值法和图解法进行求解，如右图。从图中可以看出，对于黑体的投入辐射，所列物体的吸收比与投入辐射的温度有很大关系，如果投入辐射是实际物体，那么吸收比的变化范围会更大，因此计算难度较大。第27页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律与辐射特性8.4.2灰体的概念及其工程应用物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，而对另一些波长的辐射吸收少，该特性给工程中辐射换热的计算带来不变，对此，一般有两种处理方法，即：1)灰体法，将光谱吸收比()等效为常数(物体的吸收比只取决于本身的状况而于外界无关)，即=()=const。并将()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；2)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，在每个谱带内应用灰体假设。对于大部分工程问题来讲，只要在所研究的波长范围内光谱吸收比基本上与波长无关，那么灰体的假设即可成立，由于在工程常见的温度范围(≤2000k)内，许多工程材料都有这一特点，因此灰体假设带来的误差是可以容忍的。灰体的吸收比和发射率是相等的。第28页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性8.4.3吸收比与发射率的关系——基尔霍夫定律1.实际物体吸收比与发射率之间的关系Kirchhoff定律揭示了实际物体的辐射力E与吸收比α之间的关系。

黑体平壁

任意平壁

平壁1为黑体表面，辐射力、吸收比和表面温度分别为Eb、αb和T1，平板2为任意物体的表面，辐射力、吸收比和表面温度分别为E、α和T2，两者很近，考察板2的能量收支差额。辐射换热的净热流密度为当平壁1、2温度相等，即处于热平衡状态，q=0，可得平壁2为任意壁面，可写成基尔霍夫定律表达式第29页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性上式表明：1.在热平衡条件下，任何物体的自身辐射和它对来自黑体辐射的吸收比的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。2.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该物体的发射率。2.漫射灰体吸收比和发射率之间的关系物体与黑体投入辐射处于热平衡时，物体的吸收比等于发射率。按灰体的定义，其吸收比与波长无关，在一定温度下是一个常数。物体的发射率是物性参数，与环境条件无关。对于漫灰体，不论投入辐射是否来自黑体，不论是否处于热平衡条件，其吸收比恒等于同温度下的发射率。根据基尔霍夫定律可知：物体的辐射力越大，其吸收能力越大，那么同温度下黑体的辐射力最大。第30页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性3.三个层次上的基尔霍夫定律根据使用条件不同，可以得到基尔霍夫定律三个不同层次上的表达式层次数学表达式成立条件光谱，定向无条件，θ为纬度角光谱，半球漫射表面全波段，半球与黑体辐射处于热平衡或对漫灰表面8.4.4温室效应由于大多数物体对可见光波的吸收表现出强烈的选择性，因此，不能把物体表面对太阳能的吸收，利用灰体理论分析。例如：各种颜色油漆的发射率均在0.9左右，但是白漆的吸收比仅0.1~0.2,而黑漆的吸收比在0.9以上，因此，夏天白衣服比黑衣服凉快。第31页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性温室效应：玻璃的光谱穿透比与波长有很大关系，大部分太阳辐射能(λ<3μm)穿过玻璃进入有吸热面的腔内，而吸热面发出的常温下的长波辐射却被玻璃阻隔在腔内(λ>3μm)，从而产生温室效应。地球的温室效应：目前排放气体中有大量对辐射具有一定吸收率的气体，例如二氧化碳，CFC制冷剂(氟利昂)等，给地球罩上了一层玻璃。第32页，共37页，2023年，2月20日，星期三第8章热辐射基本定律和辐射特性例题8-7：一火炉床的炉墙内表面温度为500K，其光谱发射率可近似的表示为：λ≤1.5μm时，ε(λ)=0.1；λ=1.5~10μm时，ε(λ)=0.5；λ>10μm时，ε(λ)=0.8。炉腔内壁接受来自燃烧着的煤层的辐射，煤层温度为2000K，设煤层的辐射可以作为黑体辐射，炉墙为漫射表面，试计算其发射率及对煤层辐射的吸收。题解：炉墙的发射率可以按定义由以下分段计分来获得按定义，炉墙的吸收率为：由于炉墙为漫射体，所以