第四章辐射换热

第四章辐射换热第1页，共28页，2023年，2月20日，星期三§8-1热辐射的基本概念

一、辐射和热辐射辐射：从宏观的角度、辐射是连续的电磁波传递能量的过程；从微观的角度，辐射是不连续的量子传递能量的过程。因此，物体向外界以电磁波的形式发射携带能量的量子的过程称为辐射。辐射能：通过辐射所传递的能量称为辐射能(也把辐射这个术语用来表明辐射能本身)。热辐射：通常把物质由于自身与温度有关的原因而激发产生的电磁波传播称为热辐射。

第2页，共28页，2023年，2月20日，星期三热辐射的特征：①不需要物体间直接接触（在真空中，无需媒介）；②有能量形式的转变；③与温度的关系不同。由于热辐射也属于一种辐射现象，从而也遵循

c＝λν

式中：c——光速；

λ——波长；

ν——频率。热辐射的传播是以不连续的量子形式进行的，每个量子的能量为：E＝hν式中h—普朗克常数，其值为6.6256×10-34J·S。第3页，共28页，2023年，2月20日，星期三从理论上讲，热辐射的波长范围可在0~∞之间，但在工业范围内，一般温度不超过2000K，在这一温度范围内，主要考虑的热辐射的波长为0.1μm—100μm，称为热辐射线（可见光：0.38μm—0.76μm）。从图中可以看出，热辐射线组成：部分紫外线、可见光及红外线。其中，红外线占优。第4页，共28页，2023年，2月20日，星期三二、辐射能的吸收、反射和透射各种辐射射线都是电磁波，因而它们之间并无绝对的对立，可见光与不可见的热射线也无本质的区别。当热辐线投射到物体上时，和可见光一样也有吸收，反射和透射现象发生。

第5页，共28页，2023年，2月20日，星期三根据能量守恒原则：

Gα＋Gρ＋Gτ＝GGα/G＋Gρ/G＋Gτ/G＝1

其中：Gα/G、Gρ/G、Gτ/G分别称为该物体对投射辐射的吸收率，反射率和透射率，依次用符号α、ρ、τ表示，即有：α＋ρ＋τ＝1

(8-3a)第6页，共28页，2023年，2月20日，星期三单色辐射：在某个特定波长下的辐射称为单色辐射，如果投射能量是单色辐射，上述关系也同样适用。αλ＋ρλ＋τλ＝１

(8-3b)式中:αλ、ρλ、τλ分别为单色吸收率、单色反射率和单色透射率。

α、ρ、τ和αλ、ρλ、τλ是物体表面的辐射特性，和物体的性质，温度及表面状况有关。α、ρ、τ还和投射能量的波长分布有关。

第7页，共28页，2023年，2月20日，星期三

固体和液体不允许热辐射透过。透射率τ＝０，即α＋ρ＝１。即：吸收能力大的物体其反射本领就小；反之吸收能力小的物体其反射本领就大。ρ＝１为镜体（白体）；α＝１为绝对黑体（重点研究对象）；气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反射率ρ＝０，即α＋τ＝１。显然，吸收性大的气体，其穿透性就差。多原子气体才具有吸收能力。τ＝１称为透明体。固体和液体物体表面状况对这些特性的影响是至关重要的。不同物体对于不同波长的热辐射的透射率、吸收率和反射率也不同。（大棚蔬菜、温室效应-地球变暖）第8页，共28页，2023年，2月20日，星期三自然界中并不存在绝对的黑体、白体和透明体，它们只是实际物体热辐射性能的理想模型。黑体、白体和透明体都是对全波长射线而言的。不能按物体的颜色来判断。因此，物体对外来辐射的吸收和反射能力是和物体的性质、表面状况、所处温度和发射物体的温度有关。自然界所有物体的吸收率α，反射率ρ和透射率τ的数值都在0到1

的范围内变化，每个量的数值又因具体条件不同而千差万别。为了使问题简化，可以从理想物体入手进行研究。如研究黑体、白体、透明体。

对理想物体的几点说明第9页，共28页，2023年，2月20日，星期三辐射能投射到物体表面后的反射现象，也和可见光一样有镜面反射和漫反射两种情况。当表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于投射辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角等于反射角。当表面不平整尺寸（表面粗糙度）大于投射辐射的波长时，入射射线被反射后沿各个方向均匀分布、形成漫反射。一般工程材料的表面大都形成漫反射。第10页，共28页，2023年，2月20日，星期三辐射力是物体参与辐射的单位表面积在单位时间内向半球空间发射出去的0～∞波长范围内的总能量，用符号E表示，单位是W／m２。从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。单色辐射力指若辐射力仅指某波长λ下波长间隔dλ范围内所发射的能量。用符号Eλ表示，单位是W／(m２·μm)，

三、辐射力第11页，共28页，2023年，2月20日，星期三§8-2热辐射基本定律1.普朗克（Planck）定律

3.斯忒藩-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律4.基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律2.维恩（Wien）位移定律黑体第12页，共28页，2023年，2月20日，星期三黑体作为理想辐射体，能够吸收来自半球各个方向各种波长的全部能量。黑体吸收率最大，辐射力亦最强，是一个理想化的物体。

此后凡与黑体辐射有关的物理量，均以右下角标“b”表示。第13页，共28页，2023年，2月20日，星期三一、普朗克（Planck）定律

(黑体辐射按波长分布的规律)

普朗克定律即黑体单色辐射力Ebλ与波长λ和物体表面绝对温度T之间的函数关系式：式中：λ-波长，m；T-黑体温度，K；

C1-第一辐射常数，3.743×10-16

w·m2

C2-第二辐射常数，1.4387×10-2

m·K第14页，共28页，2023年，2月20日，星期三

特点：

（1）温度愈高，同一波长下的单色辐射力愈大。当温度较低时，可见光所占份额很少（T<800K无颜色变化），但随着T的升高，所占份额有所升高，若是太阳辐射，辐射能在可见光区所占份额很大。

（2）在一定的温度下，黑体的单色辐射力在某一波长下具有最大值；

（3）随着温度的升高，Eb取得最大值的波长max愈来愈小，即在坐标中的位置向短波方向移动。第15页，共28页，2023年，2月20日，星期三二、维恩（Wien）位移定律:德国物理学家维恩在1896年用经典热力学方法确定了Ebλ为最大值时的波长λmax与温度T之间的关系：例8-1：试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大单色辐射力所对应的波长λm。解：T=2000K时，

T=5800K时，第16页，共28页，2023年，2月20日，星期三三、斯蒂芬—玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律

(黑体全波辐射能力的规律)

上式说明：黑体的单位表面积上在单位时间内发出的(包括全波长范围的)热辐射总能量，和它的绝对温度四次方成正比。斯蒂芬-玻尔兹曼定律亦称四次方定律。

式中

b=5.67×10-8W/(m2K4)，称为斯忒藩—玻耳兹曼常数，又称为黑体辐射常数。Cb=5.67W/(m2K4)，称为黑体辐射系数。第17页，共28页，2023年，2月20日，星期三波段辐射力波段辐射力占黑体辐射力Eb的百分数：

第18页，共28页，2023年，2月20日，星期三

根据普朗克定律表达式，

f(T)称为黑体辐射函数，表示温度为T的黑体所发射的辐射能中在波段（0～）内的辐射能所占的百分数。

可用于绘制计算曲线或黑体辐射函数表，查取波段辐射能量的份额。第19页，共28页，2023年，2月20日，星期三例8-2试求当温度为2000K时黑体最大的单色辐射力所对应的波长；此时可见光与红外线在总辐射中所占份额各为多少?解：应用式(8-10)，该黑体最大的辐射力所对应的波长λmax为：λmax＝2897.6/2000＝1.4488μm

可见光的波长范围为0.38～0.76μm，红外线波长范围为0.76～1000μm可分别算出各波长下的λＴ值并由表8-1查出对应的Fb(0－λT)

值。

λ＝0.38μmλT＝760μm·KFb(0－0.38)＝0.1×10-4

λ＝0.76μmλT＝1520μm·KFb(0－0.76）＝0.16×10-1

λ＝1000μmλT＝2×10６μm·KFb(0－1000）＝1.0第20页，共28页，2023年，2月20日，星期三可见光在总辐射中所占的份额Fb(0.38～0.76)

＝0.016－0.1×10-4＝0.01599

＝1.599％红外线在总辐射中所占的份额

Fb(0.76～1000)

＝１－0.016＝0.984

＝98.4％显然，在这样的温度下，可见光辐射所占份额是微不足道的。第21页，共28页，2023年，2月20日，星期三4.基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律

（物体吸收辐射能的能力与发射辐射能的能力之间的关系）实际物体的发射特性发射率（黑度）：物体辐射力与同温黑体的辐射力之比。单色发射率（单色黑度）：发射率反映物体发射辐射能的能力与黑体的差别。发射率与单色发射率之间的关系为：第22页，共28页，2023年，2月20日，星期三灰体灰体是指物体的单色辐射率即发射率与波长无关的物体。灰体的辐射力遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律

E＝εEb＝εσbT４

(8-19a)

＝εcb（T/100)4(8-19b)说明：自然界中并无绝对灰体，它仅作为一种假想物体。实际物体在红外波长范围内，可以近似地看作是灰体。第23页，共28页，2023年，2月20日，星期三实际物体的单色辐射力随波长的变化规律不同于黑体和灰体，实际物体的单色发射率是波长的函数。实际物体的辐射力并不严格遵循四次方定律，但在工程计算中，实际物体的辐射力可以由下式计算所存在的偏差由实验确定的发射率数值加以考虑。第24页，共28页，2023年，2月20日，星期三基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律基尔霍夫定律揭示了物体吸收辐射能的能力与发射辐射能的能力之间的关系。黑体平壁

任意平壁

平壁12间辐射换热的净热流密度为：当平壁12温度相等，即处于热平衡状态，q21=0

，可得既然平壁2为任意壁面，可写成基尔霍夫定律表达式之一第25页，共28页，2023年，2月20日，星期三据发射率的概念，克希霍夫定律还可写