傳熱學(xué)-第八章

1、第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的以電磁波形式傳遞的能量成因：物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變特點(diǎn)：任何物體，只要溫度高于0K，就會(huì)不停地向周?chē)臻g發(fā)出熱輻射； 可以在真空中傳播； 伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變； 具有強(qiáng)烈的方向性； 輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)； 發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。1. 熱輻射的定義第八章第八章 熱輻射基本定律和輻射特性熱輻射基本定律和輻射特性第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性 電磁輻射包含了多種形式，而工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.1100m。 可見(jiàn)光：0.380.76；近紅外：0.7625；遠(yuǎn)紅外：251000 電磁波的傳播速度：c = f

2、 式中，c電磁波的傳播速度，在真空中c3108m/s； f 頻率，s-1; 波長(zhǎng)， m，常用單位為m電磁輻射波譜2. 電磁波譜第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性 當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖所示。11 QQQQQQQQQQ3. 物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透 吸收比()：外界投射到物體表面的總能量Q中被物體吸收的部分Q 與Q的比值反射比()：外界投射到物體表面的總能量Q中被物體反射的部分Q 與Q的比值穿透比()：外界投射到物體表面的總能量Q中穿過(guò)物體的部分Q 與Q的比值第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性對(duì)于大多數(shù)的固體和液體： 0， 1對(duì)于不

3、含顆粒的氣體： 0， 1對(duì)于黑體： 1，煤煙的0.96鏡體或白體： 1，高度拋光的純金0.98透明物體： 1鏡反射漫反射反射鏡反射 漫反射 黑體、白體、透明體是對(duì)全波長(zhǎng)射線(xiàn)而言。在一般溫度條件下，由于可見(jiàn)光在全波長(zhǎng)射線(xiàn)中只占很小的一部分，所以物體對(duì)外來(lái)射線(xiàn)吸收能力的高低，不能僅憑物體的顏色來(lái)判斷。 雪對(duì)可見(jiàn)光是良好的反射體，但對(duì)紅外線(xiàn)卻幾乎能全部吸收，非常接近黑體。 普通玻璃對(duì)波長(zhǎng)小于2m的射線(xiàn)幾乎是透明的，但對(duì)于2m以上的紅外線(xiàn)幾乎是不透明的。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性1. 黑體概念8-2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，=1

4、 黑體是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。黑體模型如：內(nèi)壁溫度均勻，內(nèi)=0.6，S孔/S內(nèi)=0.6%，孔=0.996第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性Q如圖，空腔內(nèi)壁溫度均勻?yàn)門(mén)，空腔內(nèi)壁的吸收率為，S孔/S空腔=f，設(shè)有一股輻射能Q有外界穿過(guò)小孔進(jìn)入空腔，內(nèi)壁面是漫射表面。則每次反射后，能量的變化如下表：反射次數(shù)吸收的能量反射的能量穿過(guò)小孔的能量 反射后落在內(nèi)壁的能量1 Q(1- )Qf(1- )Q(1-f)(1- )Q2 (1-f)(1- )Q(1-f)(1- )2Qf (1-f)(1- )2Q(1-f)2(1- )2Q3 (1-f)2(1-

5、)2Q(1-f)2(1- )3Qf (1-f)2(1- )3Q(1-f)3(1- )3Qn (1-f)n-1(1- )n-1Q(1-f)n-1(1- )nQf(1-f)n-1(1- )nQ(1-f)n(1- )nQ空腔內(nèi)壁吸收的能量)1)(1 (1)1 ()1 ()1)(1 (1)1 ()1 ()1)(1 (1111fQffQQfQfQQnnnn壁第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性穿過(guò)小孔反射出去的能量)1)(1 (1)1 ()1 ()1 ()1)(1 (1)1 ()1 ()1 ()1)(1 ()1 (1112fQfffQfQffQffQfQnnnn孔出空腔內(nèi)壁的吸收率996. 0)6 .

6、 01)(006. 01 (16 . 0)1)(1 (1)1)(1 (1fQfQQQ壁壁小孔的吸收率996. 0)1)(1 (1)1)(1 (1)1 (fQfQfQQQQ孔出孔第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性(1) 輻射力E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。 (w/m2)；2. 熱輻射能量的表示方法E和E之間具有如下關(guān)系：dEE0 黑體一般采用下標(biāo)“b”表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的光譜輻射力為Eb(2) 光譜輻射力E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)(包含某一給定波長(zhǎng))，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。 (W/m3)；第七章 熱輻射基本定律及物體的輻

7、射特性式中，為波長(zhǎng)，m ；T為黑體溫度，K ；c1為第一輻射常數(shù)，3.74210-16 wm2；c2為第二輻射常數(shù)，1.438810-2 mK； 3. 黑體輻射的三個(gè)基本定律及相關(guān)性質(zhì)1)(251TcbecE(1) Planck定律(第一個(gè)定律)黑體光譜輻射力隨波長(zhǎng)的變化第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性例：測(cè)得對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)最大單色輻射力的峰值波長(zhǎng)約為0.5m，若將太陽(yáng)近似看為黑體，求太陽(yáng)表面的溫度。解：根據(jù)Wien位移定律可計(jì)算KmTm3108976. 2 1891年Wien用熱力學(xué)理論推出了黑體的峰值波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度T之間的函數(shù)關(guān)系Wien位移定律K 5795105 . 0108976.

8、2108976. 2633mT第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性(2) Stefan-Boltzmann定律(第二個(gè)定律)黑體的輻射力與熱力 學(xué)溫度的關(guān)系21dEEbb40)(51012TdecdEETcbb式中，= 5.6710-8 w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常數(shù)。(3) 黑體輻射函數(shù) 黑體在波長(zhǎng)1和2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力，如圖所示：特定波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性)()(1112)10()20(10204214021)21(TfTfFFdEdETdETdEdEFbbbbbbbb定義：球面面積除以球半徑的平方稱(chēng)為立體角，單位：sr

9、(空間度)，如下圖所示：ddddsin2rAc(4) 立體角黑體輻射函數(shù):第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性立體角定義圖第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性計(jì)算微元立體角的幾何關(guān)系第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，黑體在垂直發(fā)射方向的單位面積(單位可見(jiàn)面積)上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長(zhǎng)的能量 dddcos),(),(AI(5) 定向輻射強(qiáng)度I(, )：定向輻射強(qiáng)度的定義圖(6) Lambert 定律(第三個(gè)定律)cos),(IAdddLambert定律也稱(chēng)為余弦定律Lambert定律圖示 黑體的定向輻射強(qiáng)度是定值 黑體單位面積輻射出去的能量按空間 緯度角的余弦規(guī)

10、律變化第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性沿半球方向積分上式，可獲得半球輻射強(qiáng)度Eb:202020202sinsinsincossincosdcosddIddIddIIEbbbbb黑體輻射的規(guī)律：普朗克定律黑體輻射能量按波長(zhǎng)的分布規(guī)律斯忒藩-玻耳茲曼定律黑體輻射力與熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系蘭貝特定律黑體輻射能量在空間方向的分布規(guī)律維恩位移定律黑體最大光譜輻射力與對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)之間的關(guān)系bbIE 第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性例：一爐膛內(nèi)火焰的平均溫度為1500K，爐墻上有一直徑為20cm的看火孔(可看成是黑體)。試計(jì)算當(dāng)看火孔打開(kāi)時(shí)向外輻射的功率。該輻射能中波長(zhǎng)為2m的光譜輻射力是多少？哪一種

11、波長(zhǎng)下的輻射能最多？解：根據(jù)Stefan-Boltzmann定律有4TEb則 w901315001067. 542 . 014. 34482424TdTAAEb根據(jù)Planck定律，=2m，T=1500K時(shí)1)(251TcbecE第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性2 w/m10150061022104388. 156161074. 9110210742. 3e根據(jù)Wien位移定律m 101.936-max150010897623-.第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性例：如圖有一個(gè)微元黑體面積dAb=10-3m2，與該黑體表面相距0.5m處另有三個(gè)微元面dA1，dA2，dA3，面積均為1

12、0-3m2，試計(jì)算從dAb發(fā)出分別落在dA1，dA2與dA3，對(duì)dAb所張的立體角中的輻射能量解：首先計(jì)算立體角sr108 . 25 . 05 . 045cos10sr100 . 45 . 05 . 00cos10sr1046. 35 . 05 . 030cos10332333322233211rdAdrdAdrdAddAb4560dA1dA2dA3I=7000w/m2sr第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性輻射能 w101.38108 . 222107000cos w102.8100 . 41107000cos w101.211046. 321107000cos2-333132-33212

13、2-33111dIdAddIdAddIdAdbbb第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性 8-3 固體和液體的輻射特性固體和液體的輻射特性1. 實(shí)際物體的輻射力4TEEEb前面介紹了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長(zhǎng)；真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；發(fā)射率(也稱(chēng)為黑度) ：實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力之比若已知發(fā)射率，則實(shí)際物體的輻射力可應(yīng)用四次方定律求得:404100TCTEEb第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性 上面公式只是針對(duì)方向和光譜平均的情況，但實(shí)際上，真實(shí)表面的發(fā)射能力是隨方向和波長(zhǎng)變化的。WavelengthDirec

14、tion (angle from the surface normal)第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性實(shí)際物體光譜輻射力小于同溫度下的黑體同一波長(zhǎng)下的光譜輻射力。 bEE4000)(TdEdEdEEEbbb2. 實(shí)際物體的光譜輻射力光譜發(fā)射率 ( ) ：實(shí)際物體的光譜輻射力與同溫度下黑體的光譜輻射力之比顯然第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性3. 實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度定向發(fā)射率 () ：實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比：實(shí)際物體的輻射在空間上的分布，并不完全符合蘭貝特定律bbIIII)()()()(22)()(dIdIEEbbb顯然第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特

15、性bbIIII)()()()(對(duì)應(yīng)于黑體的輻射力Eb，光譜輻射力Eb和定向輻射強(qiáng)度Ib，分別引入了三個(gè)修正系數(shù)，即，發(fā)射率，光譜發(fā)射率()和定向發(fā)射率()，其表達(dá)式和物理意義如下240)()(dTdEEEbb實(shí)際物體的輻射力與黑體輻射力之比實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比bEE)(實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性漫發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射率 () 與方向無(wú)關(guān)，即定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，滿(mǎn)足上述規(guī)律的表面稱(chēng)為漫發(fā)射面，這是對(duì)大多數(shù)實(shí)際表面的一種很好的近似。幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率( )(t=150)()()第七章 熱輻射

16、基本定律及物體的輻射特性幾種非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率( )(t=093.3)第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性本節(jié)中，需要注意以下幾點(diǎn)(1) 將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻射非常復(fù)雜，很難理論確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)；(2) 漫射表面服從Lambert定律。雖然實(shí)際物體的定向發(fā)射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從Lambert定律；(3) 物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類(lèi)、表面溫度和表面狀況。這說(shuō)明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性例：一漫射表面在某一溫度下的單色輻射力與波長(zhǎng)的關(guān)系

17、可近似地用附圖表示，試(1)計(jì)算此時(shí)的輻射力；(2)計(jì)算此時(shí)的法向定向輻射強(qiáng)度，及與法向成60角處的定向輻射強(qiáng)度。解：(1) 根據(jù)題意，輻射力為2 w/m1250)1520(50)1015(150)510(500dEE(2) 因?yàn)槭锹浔砻?，各方向的輻射?qiáng)度相同，則sr w/m239814. 31250EIE，w/m2m第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性例：一直徑為20mm熱流計(jì)探頭，用以測(cè)定一微小表面積A1的輻射熱流。該表面的面積為410-4m2，溫度T1=1200K。探頭與A1的相互位置如圖所示。探頭測(cè)得的熱流為2.1410-3W。設(shè)A1是漫射表面，探頭表面的吸收率可取為1。試確定A1

18、的發(fā)射率(環(huán)境對(duì)探頭的影響忽略不計(jì))。解：由能量平衡有dIdAdcos1222cos41rdrAdd探bbEII149. 0cos1ddAEdb第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性8-4 實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系 上一節(jié)簡(jiǎn)單介紹了實(shí)際物體的發(fā)射情況，那么當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時(shí)，該物體對(duì)投入輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對(duì)其作出解答。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with what happens to _, while emissivity deals with _第七章 熱輻射基本定

19、律及物體的輻射特性1. 投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從外界投射到物體單位表面積上的總輻射能 2. 選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變化，這叫選擇性吸收3. 吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用表示，即)(投入輻射投入的能量吸收的能量首先介紹幾個(gè)概念：第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性4. 光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。能量投入的某一特定波長(zhǎng)的能量吸收的某一特定波長(zhǎng)的),(1T 圖8-17和8-18分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸收比同波

20、長(zhǎng)的關(guān)系。圖8-17 金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系 ( )第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性圖8-18 非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長(zhǎng)的關(guān)系灰體：光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱(chēng)為灰體。 此時(shí)，不管投入輻射的分布如何，吸收比都是同一個(gè)常數(shù)。 ( )第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性 根據(jù)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)的溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布有關(guān)。設(shè)下標(biāo)1、2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體1的吸收比為)21,()(),()(),(),(2102202211的性質(zhì)表面的性質(zhì)，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbbdd第七章

21、熱輻射基本定律及物體的輻射特性圖8-19給出了一些材料對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。如果投入輻射來(lái)自黑體，由于b(，T2)=1，則上式可變?yōu)?1,()(),()()(),()(),()(),(),(21420210202102202211的性質(zhì)表面 dddddTTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性圖8-19 物體表面對(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性 物體的選擇性吸收特性，即對(duì)有些波長(zhǎng)的投入輻射吸收多，而對(duì)另一些波長(zhǎng)的輻射吸收少，在實(shí)際生產(chǎn)中利用的例子很多，但事情往往都具有雙面性，人們?cè)诶眠x擇性吸收的同時(shí)

22、，也為其傷透了腦筋，這是因?yàn)槲毡扰c投入輻射波長(zhǎng)有關(guān)的特性給工程中輻射換熱的計(jì)算帶來(lái)巨大麻煩，對(duì)此，一般有兩種處理方法：(1)灰體法，即將光譜吸收比 () 等效為常數(shù)，即=()=const。并將()與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱(chēng)為灰體，與黑體類(lèi)似，它也是一種理想物體，但對(duì)于大部分工程問(wèn)題來(lái)講，灰體假設(shè)帶來(lái)的誤差是可以容忍的；(2)譜帶模型法，即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域被稱(chēng)為一個(gè)譜帶，在每個(gè)譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體假設(shè)。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性 在學(xué)習(xí)了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來(lái)看一下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，1859年，Kirchhoff 用熱力學(xué)方法回答了

23、這個(gè)問(wèn)題，從而提出了Kirchhoff 定律。 最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無(wú)限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。如圖8-20所示，板1是黑體，板2是任意物體，參數(shù)分別為Eb, T1 以及E, , T2，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有 bbEEEE圖8-20 平行平板間的輻射換熱bEEq第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性 此即Kirchhoff 定律的表達(dá)式之一。該式說(shuō)明，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有如下限制：整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；如物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關(guān)，則二者只有處于同 一溫度下的值才能相等；投射輻射源必須是同溫度下的黑體。 為了將Kirchhoff 定律推向?qū)嶋H的工程應(yīng)用，人們考察、推導(dǎo)了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達(dá)式，見(jiàn)表8-2。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性表8-2 Kirchhof