傳熱學-第七章

1、第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性1第七章第七章 熱輻射基本定律及熱輻射基本定律及 物體的輻射特性物體的輻射特性第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性27-1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念1. 熱輻射特點熱輻射特點(1)(1) 定義定義：由熱運動產生的，以電磁波形式傳遞的能量；：由熱運動產生的，以電磁波形式傳遞的能量；(2)(2) 特點特點：a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 0 K，就會不停地向周，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；圍空間發(fā)出熱輻射；b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播；c 伴隨能量形伴隨能量形式的轉變；式的轉變；d 具有強烈的方向性；具有強烈的方向性

2、；e 輻射能與溫度和波長輻射能與溫度和波長均有關；均有關；f 發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。次方。2. 電磁波譜電磁波譜電磁輻射包含了多種形式，如圖電磁輻射包含了多種形式，如圖8-18-1所示，而我們所感興趣所示，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實際意義的熱輻射區(qū)域一般為的，即工業(yè)上有實際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.11000.1100mm。電磁波的傳播速度：電磁波的傳播速度： c = f 式中：式中：f 頻率，頻率，s-1; 波長，波長，m第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性3電電 磁磁 輻輻 射射 波波 譜譜圖8-1第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性4當熱輻射投射到物體表

3、面上時，一般當熱輻射投射到物體表面上時，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖透，如圖8-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ3.3. 物體對熱輻射的吸收、反射和穿透物體對熱輻射的吸收、反射和穿透 圖圖8-28-2物體對熱輻射物體對熱輻射的吸收反射和穿透的吸收反射和穿透第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性5對于大多數的固體和液體：對于大多數的固體和液體：對于不含顆粒的氣體：對于不含顆粒的氣體：對于黑體：對于黑體： 鏡體或白體：鏡體或白體：1111,01,0透明體：透明體：反射又分鏡反射和漫反射兩種反射又分鏡反射和漫反射兩種圖圖8-3 鏡反射鏡反射圖圖8

4、-4 漫反射漫反射第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性61.1.黑體概念黑體概念黑體：黑體：是指能吸收投入到其面是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是上的所有熱輻射能的物體，是一種科學假想的物體，現(xiàn)實生一種科學假想的物體，現(xiàn)實生活中是不存在的。但卻可以人活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。工制造出近似的人工黑體。圖圖8-5 8-5 黑體模型黑體模型7-2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性7輻射力輻射力E E：單位時間內，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有單位時間內，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和。波長的能量

5、總和。 (W/m2)；光譜輻射力光譜輻射力E E：單位時間內，單位波長范圍內單位時間內，單位波長范圍內( (包含某一給定波長包含某一給定波長) )，物，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。 (W/m3)；2.2.熱輻射能量的表示方法熱輻射能量的表示方法E、E關系關系:顯然，顯然， E和和E之間具有如下關系：之間具有如下關系：dEE0黑體一般采用下標黑體一般采用下標b表示，如黑體的輻射力為表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的黑體的光譜輻射力光譜輻射力為為Eb第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性83.黑體輻射的三個基本定律及相關性質黑體輻射的三個基本定律及相關

6、性質 1)(512TcbecE式中，式中， 波長，波長，m m ； T T 黑體溫度，黑體溫度，K K ； c c1 1 第一輻射常數，第一輻射常數，3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2； c c2 2 第二輻射常數，第二輻射常數，1.43881.43881010-2-2 W W K K； (1)Planck(1)Planck定律定律( (第一個定律第一個定律) )：圖圖8-68-6是根據上式描繪的黑是根據上式描繪的黑體光譜輻射力隨波長和溫體光譜輻射力隨波長和溫度的依變關系。度的依變關系。mm與與T T 的關系由的關系由WienWien位移位移定律給出，定律給出，Km

7、Tm3108976. 2圖圖8-6 Planck 定律的圖示定律的圖示第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性9(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律( (第二個定律第二個定律) )： 21dEEbb40)(51012TdecdEETcbb式中，式中，= 5.67= 5.6710-8 w/(m210-8 w/(m2 K4)K4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常數。常數。(3)(3)黑體輻射函數黑體輻射函數黑體在波長黑體在波長11和和22區(qū)段區(qū)段內所發(fā)射的輻射力，如圖內所發(fā)射的輻射力，如圖8-78-7所示：所示

8、：圖圖8-7 8-7 特定波長區(qū)段內的特定波長區(qū)段內的 黑體輻射力黑體輻射力第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性10定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面度球面度)，如圖，如圖8-8和和8-9所示：所示：ddsindd2rAc(4)(4)立體角立體角黑體輻射函數黑體輻射函數: :)()(1112)0()0(00440)(1212212121TfTfFFdEdETdETdEdEFbbbbbbbb第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性11圖圖8-8 8-8 立體角定義圖立體角定義圖第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性12圖圖8

9、-9 8-9 計算微元立體角的幾何關系計算微元立體角的幾何關系第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性13定義：定義：單位時間內，物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上，單位時間內，物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上，在單位立體角內發(fā)射的一切波長的能量，參見圖在單位立體角內發(fā)射的一切波長的能量，參見圖8-108-10。 dcosd),(d),( IA(5) (5) 定向輻射強度定向輻射強度L L( ( , , ) )：圖圖8-10 8-10 定向輻射強度定向輻射強度 的定義圖的定義圖(6) Lambert 定律定律(黑體輻射的第黑體輻射的第 三個基本定律三個基本定律)cosIdd),(dA它說明黑體的定向輻

10、射力隨天頂角它說明黑體的定向輻射力隨天頂角 呈余弦規(guī)律變化，見圖呈余弦規(guī)律變化，見圖8-11，因，因此，此， Lambert定律也稱為余弦定定律也稱為余弦定律。律。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性14圖圖8-11 Lambert8-11 Lambert定律圖示定律圖示沿半球方向積分上式，可獲得了半球輻射強度沿半球方向積分上式，可獲得了半球輻射強度E:E:IdIE 2bcos第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性15 7-3 實際固體和液體的輻射特性實際固體和液體的輻射特性1 發(fā)射率發(fā)射率v前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能

11、力最強，包括所有方向和所有波長；輻射的能力最強，包括所有方向和所有波長；v真實物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；真實物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；v因此，定義了發(fā)射率因此，定義了發(fā)射率 (也稱為黑度也稱為黑度) ：相同溫度下，：相同溫度下，實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:4TEEEb第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性16上面公式只是針對方向和光譜平均的情況，但實際上，真實上面公式只是針對方向和光譜平均的情況，但實際上，真實表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。WavelengthDire

12、ction (angle from the surface normal)第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性17因此，我們需要定義因此，我們需要定義方向光譜發(fā)射率方向光譜發(fā)射率，對于某一指定的方向，對于某一指定的方向( , ) 和波長和波長 T, T, T, blackbody, emitted actual, , II)()T,( T, T, T,0blackbody, 0emitted actual, TIIdIdIb對上面公式在所有波長范圍內積分，可得到方向總發(fā)射率，對上面公式在所有波長范圍內積分，可得到方向總發(fā)射率，即即實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比：實際物體的定向

13、輻射強度與黑體的定向輻射強度之比：第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性18T, T, T, T, T, blackbody, emitted actual, bEEEE對于指定波長，而在方向上平均的對于指定波長，而在方向上平均的情況，則定義了半球光譜發(fā)射率，情況，則定義了半球光譜發(fā)射率，即即實際物體的光譜輻射力與黑體的實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比光譜輻射力之比E這樣，前面定義的半球總發(fā)射率則可以寫為：這樣，前面定義的半球總發(fā)射率則可以寫為： )(E)( T, T, T, Tbemitted actual0blackbody, 0blackbody, TTEdEdE半球總發(fā)射率是

14、對所有方向和所有波長下的平均半球總發(fā)射率是對所有方向和所有波長下的平均第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性19bbIIII)()()()( 對應于黑體的輻射力對應于黑體的輻射力Eb，光譜輻射力，光譜輻射力Eb 和定向輻射強度和定向輻射強度I，分別引入了三個修正系數，即，發(fā)射率分別引入了三個修正系數，即，發(fā)射率 ，光譜發(fā)射率，光譜發(fā)射率 ( )和定和定向發(fā)射率向發(fā)射率 ( )，其表達式和物理意義如下，其表達式和物理意義如下40)(TdEEEbb實際物體的輻射力與實際物體的輻射力與黑體輻射力之比黑體輻射力之比:實際物體的光譜輻射實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比：力之比

15、：bEE)(實際物體的定向輻射實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻強度與黑體的定向輻射強度之比：射強度之比：第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性20漫發(fā)射漫發(fā)射的概念：表面的方向發(fā)射率的概念：表面的方向發(fā)射率 ( ) 與方向無關，即與方向無關，即定向輻射強度與方向無關，滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)定向輻射強度與方向無關，滿足上訴規(guī)律的表面稱為漫發(fā)射面，這是對大多數實際表面的一種很好的近似。射面，這是對大多數實際表面的一種很好的近似。圖圖8-15 幾種金屬導體在不同方向上的定向發(fā)射率幾種金屬導體在不同方向上的定向發(fā)射率 ( )(t=150)第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性21圖圖8-16

16、幾種非導電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率幾種非導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22前面講過，黑體、灰體、白體等都是前面講過，黑體、灰體、白體等都是理想物體，而實際物體的輻射特性并理想物體，而實際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同，比如，不完全與這些理想物體相同，比如，(1)(1)實際物體的輻射力與黑體和灰體實際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見圖的輻射力的差別見圖8-148-14；(2)(2) 實際實際物體的輻射力并不完全與熱力學溫度物體的輻射力并不完全與熱力學溫度的四次方成正比；的四次方成正比；(3)(3) 實際物

17、體的定實際物體的定向輻射強度也不嚴格遵守向輻射強度也不嚴格遵守LambertLambert定定律，等等。所有這些差別全部歸于上律，等等。所有這些差別全部歸于上面的系數，因此，他們一般需要實驗面的系數，因此，他們一般需要實驗來確定，形式也可能很復雜。在工程來確定，形式也可能很復雜。在工程上一般都將真實表面假設為漫發(fā)射面。上一般都將真實表面假設為漫發(fā)射面。圖圖8-14 實際物體、黑體實際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜和灰體的輻射能量光譜第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性23本節(jié)中，還有幾點需要注意本節(jié)中，還有幾點需要注意 將不確定因素歸于修正系數，這是由于熱輻射非常復雜，將不確定因素歸于修正系

18、數，這是由于熱輻射非常復雜，很難理論確定，實際上是一種權宜之計；很難理論確定，實際上是一種權宜之計； 服從服從LambertLambert定律的表面成為漫射表面。雖然實際物體的定律的表面成為漫射表面。雖然實際物體的定向發(fā)射率并不完全符合定向發(fā)射率并不完全符合LambertLambert定律，但仍然近似地認定律，但仍然近似地認為大多數工程材料服從為大多數工程材料服從LambertLambert定律，這有許多原因；定律，這有許多原因；1.1.物體表面的發(fā)射率取決于物質種類、表面溫度和表面狀況。物體表面的發(fā)射率取決于物質種類、表面溫度和表面狀況。這說明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關，而不涉及外這說

19、明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關，而不涉及外界條件。界條件。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性247-4 7-4 實際固體的吸收比和基爾霍夫定律實際固體的吸收比和基爾霍夫定律 上一節(jié)簡單介紹了實際物體的發(fā)射情況，那么當外界的上一節(jié)簡單介紹了實際物體的發(fā)射情況，那么當外界的輻射投入到物體表面上時，該物體對投入輻射吸收的輻射投入到物體表面上時，該物體對投入輻射吸收的情況又是如何呢？本節(jié)將對其作出解答。情況又是如何呢？本節(jié)將對其作出解答。Semi-transparent mediumAbsorptivity deals with _, while emissivity deals with _

20、第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性251. 1. 投入輻射投入輻射：單位時間內投射到單位表面積上的總輻射能：單位時間內投射到單位表面積上的總輻射能 2. 2. 選擇性吸收選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實際：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實際 物體對投入輻射的吸收能力也根據其波長的不同而變物體對投入輻射的吸收能力也根據其波長的不同而變 化，這叫選擇性吸收化，這叫選擇性吸收3. 3. 吸收比吸收比：物體對投入輻射所吸收的百分數，通常用：物體對投入輻射所吸收的百分數，通常用 表表 示示，即，即)(投入輻射投入的能量吸收的能量首先介紹幾個概念：首先介紹幾個概念：第七章 熱輻射基本定

21、律及物體的輻射特性26(4) 光譜吸收比光譜吸收比：物體對某一特定波長的輻射能所吸收：物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分數，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長的變的百分數，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長的變化體現(xiàn)了實際物體的選擇性吸收的特性?；w現(xiàn)了實際物體的選擇性吸收的特性。能量投入的某一特定波長的能量吸收的某一特定波長的),(1T圖圖8-17和和8-18分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸收比同分別給出了室溫下幾種材料的光譜吸收比同波長的關系。波長的關系。圖圖8-17 金屬導電體的光譜吸收比同波長的關系金屬導電體的光譜吸收比同波長的關系第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性27圖圖8-18

22、 8-18 非導電體材料的光譜吸收比同波長的關系非導電體材料的光譜吸收比同波長的關系灰體灰體：光譜吸收比與波長無關的物體稱為灰體。此時，不：光譜吸收比與波長無關的物體稱為灰體。此時，不管投入輻射的分布如何，吸收比管投入輻射的分布如何，吸收比 都是同一個常數。都是同一個常數。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性28根據前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面性質的溫根據前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面性質的溫度有關外，還與投入輻射按波長的能量分布有關。設下標度有關外，還與投入輻射按波長的能量分布有關。設下標1 1、2 2分別代表所研究的物體和產生投入輻射的物體，則物體分別代表所研究的物

23、體和產生投入輻射的物體，則物體1 1的的吸收比為吸收比為)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質表面的性質，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbb第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性29圖圖8-19給出了一些材料對黑體輻射的吸收比與溫度的關系。給出了一些材料對黑體輻射的吸收比與溫度的關系。如果投入輻射來自黑體，由于如果投入輻射來自黑體，由于 ，則上式可變?yōu)椋瑒t上式可變?yōu)?),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性質表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb第

24、七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性30圖圖8-19 8-19 物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關系物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關系第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性31 物體的選擇性吸收特性，即對有些波長的投入輻射吸收多，物體的選擇性吸收特性，即對有些波長的投入輻射吸收多，而對另一些波長的輻射吸收少，在實際生產中利用的例子很而對另一些波長的輻射吸收少，在實際生產中利用的例子很多，但事情往往都具有雙面性，人們在利用選擇性吸收的同多，但事情往往都具有雙面性，人們在利用選擇性吸收的同時，也為其傷透了腦筋，這是因為吸收比與投入輻射波長有時，也為其傷透了腦筋，這是因為吸收比與投入輻射波長有

25、關的特性給工程中輻射換熱的計算帶來巨大麻煩，對此，一關的特性給工程中輻射換熱的計算帶來巨大麻煩，對此，一般有般有兩種兩種處理方法，即處理方法，即 灰體法灰體法，即將光譜吸收比，即將光譜吸收比 ( ( ) ) 等效為常數，即等效為常數，即 = = ( ( ) ) = const= const。并將。并將 ( ( ) )與波長無關的物體稱為灰體與波長無關的物體稱為灰體，與黑體類，與黑體類似，它也是一種理想物體，但對于大部分工程問題來講，灰似，它也是一種理想物體，但對于大部分工程問題來講，灰體假設帶來的誤差是可以容忍的；體假設帶來的誤差是可以容忍的；(1)(1)譜帶模型法譜帶模型法，即將所關心的連續(xù)

26、分布的譜帶區(qū)域劃分為若干，即將所關心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，每個小區(qū)域被稱為一個譜帶，在每個譜帶內應用灰小區(qū)域，每個小區(qū)域被稱為一個譜帶，在每個譜帶內應用灰體假設。體假設。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性32在學習了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來看一在學習了發(fā)射輻射與吸收輻射的特性之后，讓我們來看一下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，下二者之間具有什么樣的聯(lián)系，18591859年，年，Kirchhoff Kirchhoff 用熱用熱力學方法回答了這個問題，從而提出了力學方法回答了這個問題，從而提出了Kirchhoff Kirchhoff 定律。定律。最簡單的推導是用兩塊無限

27、大平板間的熱力學平衡方法。最簡單的推導是用兩塊無限大平板間的熱力學平衡方法。如圖如圖7-207-20所示，板所示，板1 1時黑體，板時黑體，板2 2是任意物體，參數分別為是任意物體，參數分別為E Eb b, , T T1 1 以及以及E E, , , T, T2 2，則當系統(tǒng)處于熱平衡時，有，則當系統(tǒng)處于熱平衡時，有 bbEEEE圖圖7-20 7-20 平行平板平行平板間的輻射換熱間的輻射換熱第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性33 此即此即Kirchhoff Kirchhoff 定律的表達式之一。該式說明，在熱力定律的表達式之一。該式說明，在熱力學平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但

28、該式學平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的發(fā)射率。但該式具有如下具有如下限制限制： 整個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；整個系統(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，則二者只有處于如物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關，則二者只有處于同一溫度下的值才能相等；同一溫度下的值才能相等；(1)(1)投射輻射源必須是同溫度下的黑體投射輻射源必須是同溫度下的黑體。為了將為了將Kirchhoff Kirchhoff 定律推向實際的工程應用，人們考察、定律推向實際的工程應用，人們考察、推導了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達推導了多種適用條件，形成了該定律不同層次上的表達式，見表式，見表8-38-3。第七章 熱輻射基本定律及物體的輻射特性34層層 次次數學表達式數學表達式成立條件成立條件光譜，定向光譜，定向光譜，半球光譜，半球全波段，半球全波段，半球無條件，無條件， 為緯度角為緯度角漫射表面漫射表面與黑體處于熱平衡或對與黑體處于熱平衡或對漫灰表面漫灰表面),(),(TT),(),(TT)()(TT表表8-3 Kirch