《工学传热学》PPT课件.ppt

1、2020/10/9,1,第六章 热辐射基础,6-1 热辐射的基本概念 6-2 黑体辐射和吸收的基本性质 6-3 实际物体的辐射和吸收,2020/10/9,2,6-1 热辐射的基本概念,热辐射在机理上与导热、热对流有根本的不同。 导热与热对流是由于物质微观粒子的热运动和物体的宏观运动所造成的能量转移。 热辐射是由于物质的电磁运动所引起的能量的传递。,2020/10/9,3,1. 热辐射特点 (1) 定义：辐射是物体由于受热、电子撞击、光的照射或发生化学反应等，物体内的分子、原子或电子就会受到激动或振动，产生各种能级的跃迁，导致物体发出电磁波向空间传递能量。由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射

2、。,2020/10/9,4,(2) 特点： a、 不依靠物体的直接接触，可以在真空中传播； b、 伴随能量形式的两次转变，内能-电磁波能-内能； 物体总是不断地把热能变化辐射能，向外发出热辐射。同时，物体也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。 辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。一个物体如果与另一个物体相互能够看得见，那么它们之间就会发生辐射热交换。 c、 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射。,2020/10/9,5,电磁波的波长范围很广，从长达数百米的无线电波到小于10-14米的宇宙射线。在工业上所遇到的温度范围内（20

3、00K以下），最感兴趣的是波长约从0.38m到0.76m的可见光和波长从可见光谱的红端之外延伸到1000m的红外线。,热辐射：110-1 1103 m 可见光：0.380.76 m 红外光： 0.76 m 0.76 25 m 近红外区 25 m 远红外区,2020/10/9,6,2.物体对热辐射的吸收、反射和透射,分别反映了物体吸收、反射和透射辐射能的能力。,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、反射和穿透。,2020/10/9,7,对于大多数的固体和液体： 固体和液体上的热辐射是表面辐射 对于不含颗粒的气体： 气体的热辐射是容积辐射,2020/10/9,8,黑体 白体或镜体

4、 透明体,反射又分镜反射（高度磨光的金属板）和漫反射两种,由于不同物体的吸收比、反射比和透射比因具体条件不同差别很大，给热辐射的计算带来很大困难。为了使问题简化，我们定义了一些理想物体。,2020/10/9,9,选用吸收比小于1的材料制造一个空腔，并在空腔壁面上开一个小孔，再设法使空腔壁面保持均匀的温度。这时空腔上的小孔就具有黑体辐射的特性。,黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。,2020/10/9,10,若小孔占内壁面积小于0.6%，当内壁吸收比为0.6时，小孔的吸收比可大于0.996。 黑体将所有投

5、射在它上面的一切波长和所有方向上的辐射能全部吸收，在所有物体之中，它吸收热辐射的能力最强。,2020/10/9,11,6-2黑体辐射和吸收的基本性质,1 辐射力, 总辐射力,辐射力也称全色辐射力，其定义为单位时间单位辐射面积向半球空间辐射出去的一切波长的辐射能量。用来表征物体发射能力的大小。,E为辐射力，其单位为W/m2；dQ为微元面积dA向半球空间辐射出去的总辐射能。,2020/10/9,12, 单色辐射力,单色辐射力被定义为单位时间单位辐射面积向半球空间辐射出去的某一波长范围的辐射能量，用来描述辐射能量随波长的分布特征。,E为物体表面的单色辐射力,其单位为W/m3 ；dQ为微元面积dA向半

6、球空间辐射出去的某一波长的辐射能；为热射线的波长，单位为m。,辐射力和单色辐射力之间的关系 :,2020/10/9,13, 方向辐射力,方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在半球空间中的分布特征，其定义为单位时间单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。,为微元立体角,2020/10/9,14,为微元立体角，单位为sr（球面度）； df为空间中的微元面积； r为该面积与发射点之间的距离。,立体角的概念：空间中的面相对于某一点所张开的空间角度的大小。其定义为：,由于半球面积为2r2,故半球面对球心所张开的立体角,2020/10/9,15,在球坐标系中，如图所示，

7、按几何关系有,其单位为W/(m2sr) 。,2020/10/9,16, 单色方向辐射力,其定义为单位时间单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的某一波长的辐射能量。,其单位为W/(m3sr) 。,2020/10/9,17,2020/10/9,18, 辐射强度,由于处于不同的空间位置所能看见的辐射面积是变化的，也就是随着角的增大，辐射面积在该方向上的可见面积（投影面积）就越小。,定义辐射强度，用以表示单位时间在某一辐射方向上的单位可见辐射面积向该方向单位立体角内辐射的所有波长的辐射能。,2020/10/9,19,单位为W/(m2sr)，式中 为给定方向上的可见辐射面积，也就是垂直于

8、该方向的流通面积。,辐射强度与方向辐射力的关系 :,与辐射力之间的关系 :,2020/10/9,20,2 黑体辐射的基本定律, 普朗克定律,普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分布规律，给出了黑体的单色辐射力与热力学温度T、波长之间的函数关系，由量子理论得到的数学表达式为：,c1为第一辐射常数，c1=3.74210-16Wm2； c2为第二辐射常数，c2=1.4388 10-2mK,2020/10/9,21,（2）在同一波长下黑体温度越高，对应的单色辐射力越大。,图中给出了在温度为参变量下的单色辐射力随波长变化的一组曲线。,（1）黑体辐射随波长连续变化，单色辐射力随着波长的增加而增加，达到某

9、一最大值后又随着波长的增加而慢慢减小。很大或很小时，Eb均趋于零。,（3）随温度增高，辐射能量向短波区域集中。,2020/10/9,22, 维恩定律,Eb最大处的波长m也随温度不同而变化。令,可见m与T成反比，T越高， 则m越小，这一规律为维恩（Wien）位移定律。,2020/10/9,23,例6-1：试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长m 。,解：按,计算：,当T=2000K时，,当T=5800K时，,可见工业上一般高温辐射（2000K内），黑体最大光谱辐射力的波长位于红外线区段，而太阳辐射（5800K）对应的最大光谱辐射的波长则位于可见光区段。,2020

10、/10/9,24, 斯忒芬波尔兹曼定律,在黑体辐射的研究中，斯忒芬（Stefan）于1879年由实验确定黑体的辐射力与热力学温度之间的关系，其后由波尔兹曼（Boltzmann）于1884年从热力学关系式导出。,Eb为黑体的辐射力（W/m2）；T为黑体的绝对温度（K）；0为斯忒芬波尔兹曼常数，其值为5.6710-8W/(m2K4)。,黑体辐射系数：Cb5.67W/m2.K4,2020/10/9,25,例6-2：一黑体置于室温为27的厂房中，试求在热平衡条件下黑体表面的辐射力。如果将黑体加热到827，它的辐射力又是多少？,解：在热平衡条件下，黑体温度与室温相同，辐射力为：,827黑体的辐射力为,2

11、020/10/9,26,兰贝特定律 （Lambert）,黑体辐射的辐射强度与方向无关，即,因为,故对于服从兰贝特定律的辐射有：,即单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同方向单位立体角的能量的数值不相等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦。所以兰贝特定律又称余弦定律。,2020/10/9,27,黑体的辐射强度与辐射力的关系,因此，对遵守兰贝特定律的辐射，辐射力在数值上等于辐射强度的倍。,2020/10/9,28,漫射表面：表面的辐射、反射强度在半球空间各方向上均相等（各向同性）的表面。 黑体是漫射表面。只有漫射表面才遵守兰贝特定律。,2020/10/9,29,波段辐射与辐射函数,在工程上

12、和其它许多实际问题中往往需要计算一定波长范围内黑体辐射的能量，也就是波段辐射力。,黑体在波长12之间所发射出的辐射能为：,波段辐射函数,2020/10/9,30,式中， 是同温度下黑体辐射力；,则表示波长从0到的波段辐射函数。,f(T)称为黑体辐射函数，见表6-1。,2020/10/9,31,3 黑体的吸收特性,吸收比是表示物体吸收入射辐射的能力。,吸收比可划分为以下四种： 对来自一切方向和所有波长的入射辐射的吸收比，称之为总吸收比，(简称吸收比); 对来自一切方向的某一波长的入射辐射的吸收比，称之为单色吸收比，,2020/10/9,32,黑体是理想的吸收体，它对一切波长和所有方向入射辐射的吸

13、收比均等于1。于是对黑体有：,对来自某一方向的所有波长的入射辐射的吸收比，称之为方向吸收比， ; 对来自某一方向某一波长的入射辐射的吸收比，称之为单色方向吸收比， , 。,2020/10/9,33,问题1： 在太阳系中地球和火星距太阳的距离相差不大，但为什么火星表面温度昼夜变化却比地球要大得多？,问题2：北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜，试问树叶上、下表面的哪一面结霜？为什么？,问题3：黑色金属被加热过程为什么会产生由暗到红到黄到白炽的过程？,2020/10/9,34,问题1： 在太阳系中地球和火星距太阳的距离相差不大，但为什么火星表面温度昼夜变化却比地球要大得多？,答：由于火星附近没有

14、大气层，因而在白天，太阳辐射时火星表现温度很高，而在夜间，没有大气层的火星与温度接近于绝对零度的太空进行辐射换热，因而表面温度很低。而地球附近由于大气层（主要成份是CO2和水蒸气）的辐射作用，夜间天空温度比太空高，白天大气层又会吸收一部分来自太阳的辐射能量，因而昼夜温差较小。,2020/10/9,35,问题2：北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜，试问树叶上、下表面的哪一面结霜？为什么？,回答：霜会结在树叶上的表面。因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度

15、较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。,2020/10/9,36,问题3：黑色金属被加热过程为什么会产生由暗到红到黄到白炽的过程？,答：根据普朗克定律回答。,2020/10/9,37,6-3实际物体的辐射和吸收,1 实际物体的辐射黑度（发射率）,实际物体表面的热辐射性能均弱于黑体表面。 实际物体的光谱辐射力往往随波长作不规则的变化。,同温度下黑体辐射和实际物体辐射的 单色辐射力随波长变化的曲线。,2020/10/9,38,定义：实际表面的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值，称为黑度（发射率）。,物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有

16、关，而不涉及外界条件。 一般：非金属材料的发射率高于金属表面 粗糙表面的发射率高于光滑表面, 总发射率,2020/10/9,39,2020/10/9,40,2020/10/9,41,实际表面的单色辐射力与同温度下黑体表面的单色辐射力之比, 单色发射率,发射率与单色发射率之间的关系为,2020/10/9,42,物体表面在某方向上的方向辐射力与同温度黑体辐射在该方向上的方向辐射力之比，亦可表示为物体在某方向上的辐射强度与同温度黑体辐射在该方向上的辐射强度之比,方向发射率,如果实际物体的方向辐射力遵守兰贝特定律，该物体表面称为漫射表面。黑体表面就是漫射表面。,2020/10/9,43,如果实际物体是

17、漫射表面，则其方向辐射率应等于常数，而与角度无关。 事实上实际物体不是漫发射体，即辐射强度在空间各个方向的分布不遵循兰贝特定律，是方向角的函数。,对于非金属表面在很大范围内方向黑度为一个常数值，表现出等强辐射的特征，而在60之后方向黑度急剧减小,2020/10/9,44,对于金属表面在一个小的角范围内亦有等强辐射的特征，方向黑度可视为不变，然后随着角增大而急剧增大，直到接近90才有减小。,虽然实际物体的定向发射率并不完全符合Lambert定律，但为了计算方便仍然近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律。,2020/10/9,45,实际物体的辐射力,实际结果发现，实际物体的辐射力并不严格地

18、同热力学温度的四次方成正比，但工程计算中仍认为一切实际物体的辐射力都与热力学温度的四次方成正比，而把由此引起的修正包括到用实验方法确定的发射率中。,单色方向发射率,2020/10/9,46,例6-4：实验测得2500K钨丝的法向单色发射率如图所示，计算其辐射力及发光效率。 解：,2020/10/9,47,由表查得:,再计算可光范围的辐射能，取可见光波长为0.380.76 m,2020/10/9,48,由表查得:,于是可见光范围的辐射能为：,发光效率为:,可见发光效率很低。,2020/10/9,49,1）投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2）吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，

19、通常用表 示，即 3) 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，这叫选择性吸收,2 实际物体的吸收灰体,2020/10/9,50,4) 光谱吸收比：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体现了实际物体的选择性吸收的特性。,一些金属材料的单色吸收比,一些非金属材料的单色吸收比,2020/10/9,51,问题： 窗玻璃对红外线几乎不透明，但为什么隔着玻璃晒太阳却使人感到暖和？,回答：窗玻璃对于短波（2m）热辐射吸收较少而对于长波（ 3m ）热辐射吸收较多，因而隔着玻璃晒太阳，太阳光可以穿过玻璃进入室

20、内，而室内物体发出的红外线却被阻隔在窗内，因而房间内温度越来越高，因而感到暖和。,2020/10/9,52,根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比为,2020/10/9,53,如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为,2020/10/9,54,如果物体表面的单色吸收比为常数,那么它的吸收比也就为常数 。,与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的。,灰体 单色吸收比与波长无关的物体,2020/10/9,55,灰体是从物体

21、表面对投入辐射的吸收特性上去定义的，如果再在其发射特性上给予等强辐射的假设，即认为是漫射表面，也就是漫射灰表面，简称漫灰表面。,（1）方向发射率和方向吸收比与方向无关；（2）单色发射率和单色吸收比与波长无关。 （方便辐射换热的计算）,2020/10/9,56,在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者之间具有什么样的联系，1859年，Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff 定律。 最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。,3 实际物体辐射与吸收之间的关系,2020/10/9,57,假定两块平行平板距离很近，从一块板发出的辐射能全部落

22、到另一块板上。若板1为黑体表面，板2为任意物体的表面。两者的辐射力、吸收比和表面温度分别为Eb、 b(=1)、T1、E、 和T2。,板2发出的辐射能E全部被板1吸收，而板1发出的辐射能Eb只被板2吸收Eb ，对板2能量收支为：,当体系处于热平衡时T1=T2，q=0,所以有,2020/10/9,58,此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热平衡条件下，任何物体的辐射力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。吸收比高的物体其辐射能力也越强，即善于辐射的物体也善于吸收。黑体的吸收比最大，因而辐射能力就最强。,2020/10/9,59,Kirchhoff 定律的另一

23、表达式。该式说明，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下限制： 整个系统处于热平衡状态； 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； 投射辐射源必须是同温度下的黑体。,2020/10/9,60,对于灰体，由于其单色吸收比不随波长变化，所以灰体的吸收比等于其发射率与投射源的温度无关，那么不论物体与外界是否处于热平衡状态，也不论投入辐射是否来自黑体，都存在,灰体是无条件满足基尔霍夫定律的。,2020/10/9,61,基尔霍夫定律的不同表达式,2020/10/9,62,注意： 对于工程上常见的温度范围（T2000K），大部分辐射能处于红外波长范围内