傳熱學(xué)chapter實用教案

1、一、輻射一、輻射(fsh)(fsh)及熱輻及熱輻射射(fsh)(fsh) 輻射是物體通過電磁波傳遞輻射是物體通過電磁波傳遞(chund)(chund)能量的現(xiàn)能量的現(xiàn)象。象。 輻射有很多種形式，它們的區(qū)別是導(dǎo)致發(fā)射輻射有很多種形式，它們的區(qū)別是導(dǎo)致發(fā)射(fsh)(fsh)電磁波的激勵方式不同，而外在表現(xiàn)是輻射的波長不電磁波的激勵方式不同，而外在表現(xiàn)是輻射的波長不一樣，以及吸收該輻射能量后引起的效應(yīng)不同。一樣，以及吸收該輻射能量后引起的效應(yīng)不同。 熱輻射熱輻射是物體由于熱的原因所產(chǎn)生的輻射。它的是物體由于熱的原因所產(chǎn)生的輻射。它的作用：物體吸收輻射能后將其轉(zhuǎn)變成自身的內(nèi)能。作用：物體吸收輻射能后

2、將其轉(zhuǎn)變成自身的內(nèi)能。波長范圍：波長范圍：0.10.1100mm第1頁/共43頁第一頁，共44頁。第2頁/共43頁第二頁，共44頁?？梢姽獾牟ㄩL可見光的波長(bchng)(bchng)范圍：范圍：0.380.76m0.380.76m紫紫 藍藍 青青 綠綠 黃黃 橙橙 赤赤第3頁/共43頁第三頁，共44頁。二、輻射與導(dǎo)熱二、輻射與導(dǎo)熱(dor)(dor)、對流、對流的區(qū)別的區(qū)別 1.1. 傳遞方式不同傳遞方式不同2.2. 導(dǎo)熱導(dǎo)熱(dor)(dor)和對流需要媒介，輻射換熱不需要和對流需要媒介，輻射換熱不需要中間介質(zhì)。中間介質(zhì)。2. 2. 輻射換熱過程輻射換熱過程(guchng)(guchng)

3、存在能量形式的轉(zhuǎn)換存在能量形式的轉(zhuǎn)換熱能熱能電磁能電磁能電磁能電磁能熱能熱能3. 3. 輻射表面具有方向性和選擇性輻射表面具有方向性和選擇性 輻射換熱屬于表面的物理過程，在換熱表面的不輻射換熱屬于表面的物理過程，在換熱表面的不同方向強度不一定相同，且與波長分布有關(guān)。同方向強度不一定相同，且與波長分布有關(guān)。第4頁/共43頁第四頁，共44頁。三、吸收三、吸收(xshu)(xshu)、反射和、反射和透射透射 周圍物體周圍物體(wt)(wt)在單位時在單位時間內(nèi)投射到物體間內(nèi)投射到物體(wt)(wt)單位表單位表面積上的輻射能。用面積上的輻射能。用G G表示，表示，單位單位W/m2 W/m2 。1 1

4、、投射、投射(tush)(tush)輻射輻射 被物體吸收、反射和透射的部分所占總投射輻射被物體吸收、反射和透射的部分所占總投射輻射的份額分別稱為吸收比的份額分別稱為吸收比 、反射比、反射比 和透射比和透射比 。GGGGGG 12 2、吸收比、反射比和透射比、吸收比、反射比和透射比第5頁/共43頁第五頁，共44頁。 視物體表面狀況（平整程度）和投入視物體表面狀況（平整程度）和投入(tur)(tur)輻射輻射的波長，表面的反射又分為鏡反射和漫反射。的波長，表面的反射又分為鏡反射和漫反射。3 3、鏡反射、鏡反射(fnsh)(fnsh)和漫和漫反射反射(fnsh)(fnsh) 漫反射是把來自漫反射是把

5、來自(li z)(li z)任意方向、任意波長的投任意方向、任意波長的投入輻射以均勻的強度（不是入輻射以均勻的強度（不是“能量能量”）反射到半球空）反射到半球空間所有方向上去。間所有方向上去。(a)(a)鏡反射鏡反射(b)(b)漫反射漫反射注：除了經(jīng)特殊處理的金屬表面，大注：除了經(jīng)特殊處理的金屬表面，大 部分工程材料均可視為漫射表面。部分工程材料均可視為漫射表面。第6頁/共43頁第六頁，共44頁。 吸收比吸收比 = 1 = 1的物體的物體(wt)(wt)稱為黑體。稱為黑體。4 4、黑體、黑體(hit)(hit)、白體和透明體、白體和透明體 黑體、白體和透明體都是理想物體，自然界中并不黑體、白體

6、和透明體都是理想物體，自然界中并不存在，主要用它們作為研究輻射規(guī)律存在，主要用它們作為研究輻射規(guī)律(gul)(gul)的參照物。的參照物。特別是黑體的概念，是整個熱輻射研究和工程應(yīng)用的特別是黑體的概念，是整個熱輻射研究和工程應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。理論基礎(chǔ)。 反射比反射比 = 1= 1的物體稱為白體（或鏡體）。的物體稱為白體（或鏡體）。 透射比透射比 = 1= 1的物體稱之為透明體。的物體稱之為透明體。 第7頁/共43頁第七頁，共44頁。四、輻射力和有效四、輻射力和有效(yuxio)(yuxio)輻射輻射1 1、輻射力輻射力 在單位時間內(nèi)物體單位面積上向半球空間所有方在單位時間內(nèi)物體單位面積上向半球空

7、間所有方向發(fā)射的全部波長向發(fā)射的全部波長(bchng)(bchng)范圍內(nèi)的輻射能稱為輻范圍內(nèi)的輻射能稱為輻射力，用符號射力，用符號E E表示，單位為表示，單位為W/m2W/m2。bEE第8頁/共43頁第八頁，共44頁。2 2、有效、有效(yuxio)(yuxio)輻射輻射 單位時間離開單位面積單位時間離開單位面積(min j)(min j)的總輻射的總輻射能為有效輻射，記為能為有效輻射，記為J J 。GEJ第9頁/共43頁第九頁，共44頁。五、定向五、定向(dn xin)(dn xin)輻射度輻射度(1) (1) 立體角立體角 是指球面上的面積與是指球面上的面積與球心球心(qixn)(qix

8、n)所對應(yīng)的空所對應(yīng)的空間角度。立體角的單位叫間角度。立體角的單位叫球面度，用球面度，用SrSr表示。表示。 2rA第10頁/共43頁第十頁，共44頁。(2) (2) 可見輻射可見輻射(fsh)(fsh)面積面積dAnp可見輻射面積可見輻射面積是指從空間某方向所看到是指從空間某方向所看到的表面有效的表面有效(yuxio)(yuxio)面面積。如右圖中的可見輻射積。如右圖中的可見輻射面積為：面積為：cosdA第11頁/共43頁第十一頁，共44頁。sr)W/(mdcosdd2ALpp 單位時間內(nèi)單位時間內(nèi), ,單位可見輻射面積在空間指定單位可見輻射面積在空間指定(zhdng)(zhdng)方向的單

9、位立體角內(nèi)所發(fā)出的總輻射能方向的單位立體角內(nèi)所發(fā)出的總輻射能量。量。第12頁/共43頁第十二頁，共44頁。一、黑體一、黑體(hit)(hit)與黑體與黑體(hit)(hit)模型模型 黑體是吸收比等于黑體是吸收比等于1 1的理想物體的理想物體(wt)(wt)。它具有。它具有同溫度下輻射能力最大的性質(zhì)。同溫度下輻射能力最大的性質(zhì)。 盡管在自然界并不存在黑體，但用人工的方法可以盡管在自然界并不存在黑體，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑體的模型。如：空腔上的小孔。制造出十分接近于黑體的模型。如：空腔上的小孔。第13頁/共43頁第十三頁，共44頁。二、普朗克定律二、普朗克定律(dngl)(dngl

10、)普朗克定律普朗克定律: :確定了黑體確定了黑體(hit)(hit)輻射的光譜分布規(guī)輻射的光譜分布規(guī)律。律。),(TfEb1/51b2TCeCEC1C1普朗克第一常數(shù)普朗克第一常數(shù)(chngsh)(chngsh)，C1= 3.742C1= 3.74210-16 10-16 W Wm2 ;m2 ;C2C2普朗克第二常數(shù)普朗克第二常數(shù)(chngsh)(chngsh)， C2 = 1.439 C2 = 1.43910-2 10-2 m mK K。 第14頁/共43頁第十四頁，共44頁。二、普朗克定律二、普朗克定律(dngl)(dngl)光譜(gungp)輻射力：)(bddEE第15頁/共43頁第十五

11、頁，共44頁。根據(jù)黑體輻射曲線根據(jù)黑體輻射曲線(qxin)(qxin)可以得以下規(guī)律：可以得以下規(guī)律：(1) (1) 溫度愈高，同一波長溫度愈高，同一波長(bchng)(bchng)下的光譜輻射下的光譜輻射力愈大；力愈大；(2) (2) 在一定在一定(ydng)(ydng)的溫度下，黑體的光譜輻射的溫度下，黑體的光譜輻射力隨波長連續(xù)變化，并在某一波長下具有最大值；力隨波長連續(xù)變化，并在某一波長下具有最大值；(3) (3) 隨著溫度的升高，光譜輻射力取得最大值的波長隨著溫度的升高，光譜輻射力取得最大值的波長 maxmax愈來愈小，即在愈來愈小，即在 坐標中的位置向短波方向移動。坐標中的位置向短波

12、方向移動。 第16頁/共43頁第十六頁，共44頁。維恩位移維恩位移(wiy)(wiy)定律定律 33max109 . 2108976. 2TmK 計算計算(j sun)(j sun)溫度分別為溫度分別為300K300K和和5800K5800K時最大光時最大光譜輻射力所對應(yīng)的波長譜輻射力所對應(yīng)的波長maxmax。m67. 9K 300Km 109 . 2 K, 3003maxTm5 . 0K 5800Km 109 . 2 K, 58003maxT第17頁/共43頁第十七頁，共44頁。三、斯忒藩三、斯忒藩- -玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律(dngl)(dngl) 黑體輻射的輻射力與溫度的關(guān)系遵循黑體輻

13、射的輻射力與溫度的關(guān)系遵循(zn xn)(zn xn)斯忒藩斯忒藩- -波爾茲曼定律：波爾茲曼定律：4TEbb4100TCEbb)K W/(m67. 5C)K W/(m1067. 542b428b第18頁/共43頁第十八頁，共44頁。波段波段(bdun)(bdun)范圍內(nèi)輻射力的范圍內(nèi)輻射力的計算計算21dbbEE為了計算為了計算(j sun)(j sun)上式，上式，先計算先計算(j sun)(j sun)（00) )的輻射占總輻射力的百分的輻射占總輻射力的百分比：比：0)/(51440)0(d11d2TcbbecTTEFTTcTfTecT0)/(515)()(d112表表8-28-2給出了

14、黑體輻射給出了黑體輻射(fsh)(fsh)函數(shù)表，即函數(shù)表，即 f( f( T) T)的數(shù)的數(shù)值。值。第19頁/共43頁第十九頁，共44頁。T / (mK)Fb(0-) / % T / (mK)Fb(0-) / %10001100120013001400150016001700180019002000220024002600280030000.03230.09160.2140.4340.7821.2901.9792.8623.9465.2256.69010.1114.0518.3422.8227.36 6500700075008000850090009500100001200014000160

15、00180002000022000240002600077.6680.8383.4685.6487.4789.0790.3291.4394.5196.2997.3898.0898.5698.8999.1299.30第20頁/共43頁第二十頁，共44頁。例題：計算例題：計算(j sun)(j sun)太陽輻射中可見光所占的比例。太陽輻射中可見光所占的比例。解：太陽可認為解：太陽可認為(rnwi)是表面溫度為是表面溫度為T = 5762 K的黑的黑體，可見光的波長范圍是體，可見光的波長范圍是0.380.76m ，即，即1 = 0.38 m , 2 = 0.76 m , 于是于是 24380T mK

16、 12190T mK 由黑體由黑體(hit)(hit)輻射函數(shù)表輻射函數(shù)表可查得可查得 %.F94910b%.F595420b可見光所占的比例為可見光所占的比例為 %65.4422210b0bbFFF第21頁/共43頁第二十一頁，共44頁。一、實際物體的光譜輻射力一、實際物體的光譜輻射力 和光譜發(fā)射率和光譜發(fā)射率E)(1)(bEE)(第22頁/共43頁第二十二頁，共44頁。二、實際物體的輻射力二、實際物體的輻射力 和發(fā)射率和發(fā)射率EbEE40d)(TEEEbb第23頁/共43頁第二十三頁，共44頁。三、實際物體的定向輻射度三、實際物體的定向輻射度 和定向發(fā)射率和定向發(fā)射率)()(LbLL)()

17、(幾種非金屬材料的定向發(fā)射率幾種金屬材料的定向發(fā)射率第24頁/共43頁第二十四頁，共44頁。材料類別和表面狀況材料類別和表面狀況溫度溫度法向發(fā)射率法向發(fā)射率鋼：拋光的鋼：拋光的40260402600.070.10.070.1軋制的鋼板軋制的鋼板40400.650.65不銹鋼：拋光的不銹鋼：拋光的40400.070.170.070.17紅磚紅磚20200.880.930.880.93玻璃玻璃40400.940.94各種顏色的油漆各種顏色的油漆40400.920.960.920.96雪雪-120-1200.820.82水（厚度大于0.1mm）水（厚度大于0.1mm）010001000.960.96

18、人體皮膚人體皮膚32320.980.98部分常見部分常見(chn jin)(chn jin)材料表面的法向發(fā)射率材料表面的法向發(fā)射率第25頁/共43頁第二十五頁，共44頁。四、實際物體的光譜吸收比四、實際物體的光譜吸收比)()()()(GG)21,(d)(),(d)(),(),(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TTfTETTETTbb設(shè)下標設(shè)下標1 1、2 2分別代表所研究分別代表所研究(ynji)(ynji)的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體1 1的吸收比為的吸收比為第26頁/共43頁第二十六頁，共44頁。物體的吸收物體的吸

19、收(xshu)(xshu)比除與自身表面性質(zhì)的溫度有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的能量分布有關(guān)。關(guān)外，還與投入輻射按波長的能量分布有關(guān)。第27頁/共43頁第二十七頁，共44頁。 實際物體的光譜吸收比對投入輻射的波長有選擇實際物體的光譜吸收比對投入輻射的波長有選擇性這一情況給輻射換熱的工程計算性這一情況給輻射換熱的工程計算(j sun)(j sun)帶來很帶來很多不便。多不便。五、灰體五、灰體 光譜光譜(gungp)(gungp)吸吸收比與波長無關(guān)的理想收比與波長無關(guān)的理想物體稱為灰體。物體稱為灰體。常數(shù))( 在紅外線的輻射范圍內(nèi)大多數(shù)工程材料可以當作在紅外線的輻射范圍內(nèi)大

20、多數(shù)工程材料可以當作(dn zu)(dn zu)灰體處理?；殷w處理。吸收比波長015 . 0第28頁/共43頁第二十八頁，共44頁。六、基爾霍夫定律六、基爾霍夫定律(dngl)(dngl) 基爾霍夫定律基爾霍夫定律(dngl)(dngl)給出了實際物給出了實際物體輻射能力與吸收能力體輻射能力與吸收能力的關(guān)系。的關(guān)系。列出處于熱平衡時，實際列出處于熱平衡時，實際物體物體2 2的能量收支的能量收支(shu (shu zh)zh)關(guān)系。關(guān)系。12221bEEqbEE 熱平衡時：熱平衡時：第29頁/共43頁第二十九頁，共44頁。七、關(guān)于基爾霍夫定律七、關(guān)于基爾霍夫定律(dngl)(dngl)和灰體的幾

21、點說和灰體的幾點說明明1 1、根據(jù)基爾霍夫定律，物體、根據(jù)基爾霍夫定律，物體(wt)(wt)的輻射能力越大，的輻射能力越大，其吸收能力也越大。換句話，善于輻射的物體其吸收能力也越大。換句話，善于輻射的物體(wt)(wt)必必善于吸收。善于吸收。2 2、對于工程問題而言，只要在所研究的波長范圍、對于工程問題而言，只要在所研究的波長范圍內(nèi)光譜吸收內(nèi)光譜吸收(xshu)(xshu)比基本上與波長無關(guān)，則灰體比基本上與波長無關(guān)，則灰體的假定是成立的。的假定是成立的。 3 3、當研究物體表面對太陽能的吸收時，一般不能、當研究物體表面對太陽能的吸收時，一般不能把物體當作灰體處理。把物體當作灰體處理。第30

22、頁/共43頁第三十頁，共44頁。一、角系數(shù)一、角系數(shù)(xsh)(xsh)的定的定義義 兩個表面的輻射換熱兩個表面的輻射換熱量與兩個表面之間的相量與兩個表面之間的相對位置對位置(wi zhi)(wi zhi)有很大有很大關(guān)系。如圖所示：關(guān)系。如圖所示： 我們把從表面我們把從表面1 1發(fā)出發(fā)出的輻射能中落到表面的輻射能中落到表面2 2上上的百分數(shù)的百分數(shù), ,稱為表面稱為表面1 1對表對表面面2 2的角系數(shù)的角系數(shù), ,記為記為X X1,21,2 表面表面1 1表面表面2 2第31頁/共43頁第三十一頁，共44頁。二、角系數(shù)二、角系數(shù)(xsh)(xsh)的性的性質(zhì)質(zhì)1 1、角系數(shù)、角系數(shù)(xsh)

23、(xsh)的相對的相對性性1 , 222, 112, 1211 , 22b22, 11b112212, 11 , 22b2122, 11b1210XAXATTXAEXAEXAEXAE時對于兩個黑體(hit)(hit)表面：第32頁/共43頁第三十二頁，共44頁。 在幾個表面組成在幾個表面組成(z (z chn)chn)的封閉系統(tǒng)中，任的封閉系統(tǒng)中，任一個表面對封閉腔各個表一個表面對封閉腔各個表面的角系數(shù)之和等于面的角系數(shù)之和等于1 1。2 2、角系數(shù)、角系數(shù)(xsh)(xsh)的完的完整性整性11, 1, 13 , 12, 11 , 1nitnxXXXX第33頁/共43頁第三十三頁，共44頁。

24、3 3、角系數(shù)、角系數(shù)(xsh)(xsh)的分解的分解性性bbabbXEAXEAXEA2, 1112, 1212, 111baXXX2, 12, 12, 1第34頁/共43頁第三十四頁，共44頁。4 4、代數(shù)、代數(shù)(dish)(dish)法求角系法求角系數(shù)數(shù) 利用角系數(shù)利用角系數(shù)(xsh)(xsh)的相對性、完整性及可加性的相對性、完整性及可加性來獲得角系數(shù)來獲得角系數(shù)(xsh)(xsh)的方法。的方法。第35頁/共43頁第三十五頁，共44頁。完整性1= X+ X 1= X+ X1= X+ X3,23,12,32,11,31,2相對性2, 333 , 221 , 333 , 111 , 222

25、, 11XAXAXAXAXAXA13212, 12AAAAX第36頁/共43頁第三十六頁，共44頁。一、黑體表面一、黑體表面(biomin)(biomin)間的輻射換熱間的輻射換熱計算計算1 , 2222, 1112, 1XEAXEAbb2, 1121212, 111)(XAEEEEXAbbbb1 , 2221211 , 221)(XAEEEEXAbbbb 空間空間(kngjin)(kngjin)輻射輻射熱阻熱阻表面表面1 1表面表面2 211 ,TA22 ,TA第37頁/共43頁第三十七頁，共44頁。二、有效二、有效(yuxio)(yuxio)輻射輻射 單位時間離開單位時間離開(l ki)(l ki)單位面積的總輻射能為有單位面積的總輻射能為有效輻射，記為效輻射，記為J J 。11111111)1 (GEGEJb 物體表面與外間的輻射物體表面與外間的輻射(fsh)(fsh)換熱量與有效輻射換熱量與有效輻射(fsh)J (fsh)J 之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：1J1111A1111111111)(AJEAGJb表面輻射熱阻表面輻射熱阻第38頁/共43頁第三十八頁，共44頁。 采用有效輻射的概念采用有效輻射的概念(ginin)(ginin)，任意兩個表面，任意兩個表面的輻射換熱量可表示成：的輻射換熱量可表示成：三、兩個三、兩個(lin )(lin )漫灰表面組成封閉系統(tǒng)的漫灰表面組