熱輻射的基本概念1

1、第七章管式加熱爐第七章管式加熱爐第第1 1節(jié)熱輻射的基本概念節(jié)熱輻射的基本概念1.1 1.1 基本概念基本概念1.2 1.2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律1.3 1.3 實(shí)際物體的熱輻射實(shí)際物體的熱輻射1.4 1.4 氣體的輻射與吸收氣體的輻射與吸收1.1 1.1 基本概念基本概念1.1.1 1.1.1 熱輻射的特性熱輻射的特性1.1.2 1.1.2 熱輻射的吸收、反射和透過(guò)熱輻射的吸收、反射和透過(guò)1.1.3 1.1.3 黑體的定義黑體的定義1.1.4 1.1.4 物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度1.1.1 1.1.1 熱輻射的特性：熱輻射的特性：定義：用電磁波傳遞能量

2、的過(guò)程定義：用電磁波傳遞能量的過(guò)程特點(diǎn)：特點(diǎn)：在傳遞過(guò)程中不需要任何介質(zhì)；在傳遞過(guò)程中不需要任何介質(zhì)；熱輻射過(guò)程中不僅有熱量的轉(zhuǎn)移過(guò)程，而熱輻射過(guò)程中不僅有熱量的轉(zhuǎn)移過(guò)程，而 且還有能量形式的轉(zhuǎn)換；且還有能量形式的轉(zhuǎn)換；任何物質(zhì)，只要任何物質(zhì)，只要T TK K，均可輻射熱量；，均可輻射熱量；微粒性：發(fā)射和吸收時(shí)光子光子能量微粒性：發(fā)射和吸收時(shí)光子光子能量E E波動(dòng)性：傳播時(shí)電磁波波長(zhǎng)波動(dòng)性：傳播時(shí)電磁波波長(zhǎng)或頻率或頻率特性：特性：E = hE = h =C/ =C/電磁輻射波譜：電磁輻射波譜：輻射線名稱(chēng)輻射線名稱(chēng)宇宙射線宇宙射線伽馬射線伽馬射線倫琴射線倫琴射線紫外線紫外線可見(jiàn)光可見(jiàn)光紅外線紅外

3、線無(wú)線電波無(wú)線電波波長(zhǎng)波長(zhǎng)/m /m 1 11010-7-7 1 11010- -1 11010-5-5 1 11010-5-52 21010-2-2 2 21010-2-20.380.38 0.380.380.760.76 0.760.761 110103 3 1 110103 32 210101010 熱射線熱射線注：固體液體的光譜連續(xù)；氣體光譜不連續(xù)注：固體液體的光譜連續(xù)；氣體光譜不連續(xù)1.1.2 1.1.2 熱輻射的吸收、反射和透過(guò)熱輻射的吸收、反射和透過(guò)： Q= Q Q= Q+ Q+ Q+ Q+ Q或或 Q Q/Q + Q/Q + Q/Q + Q/Q + Q/Q=1/Q=1吸收率吸收

4、率、反射率、反射率和透過(guò)率和透過(guò)率：定義：定義：= Q= Q/Q /Q 吸收率吸收率 = Q= Q/Q /Q 反射率反射率 = Q= Q/Q /Q 透過(guò)率透過(guò)率說(shuō)明：說(shuō)明：a.a. 凡是善于反射的物體就一定不能很好的吸收熱凡是善于反射的物體就一定不能很好的吸收熱輻射；輻射；b.b.、= f= f（物體性質(zhì)、（物體性質(zhì)、T T、輻射波長(zhǎng)、輻射波長(zhǎng)）； 對(duì)熱射線的反射和吸收有重大影響的，不是表面對(duì)熱射線的反射和吸收有重大影響的，不是表面的顏色，而是表面的狀況的顏色，而是表面的狀況；c.c.定義：鏡反射；漫反射定義：鏡反射；漫反射d.=1d.=1，=0=0：全反射體，又稱(chēng)絕對(duì)白體或鏡體：全反射體，又

5、稱(chēng)絕對(duì)白體或鏡體如理想的金屬鏡面；如理想的金屬鏡面； =1=1，=0=0：透明體透明體，如空氣；，如空氣； =1=1，=0=0：黑體黑體1.1.3 1.1.3 黑體的定義：黑體的定義：黑表面：黑表面：能全部吸收投射到它表面上的熱輻射的表面能全部吸收投射到它表面上的熱輻射的表面黑體黑體：具有黑表面的物體，稱(chēng)為具有黑表面的物體，稱(chēng)為絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體，或簡(jiǎn)稱(chēng)，或簡(jiǎn)稱(chēng) 黑體，用下標(biāo)黑體，用下標(biāo)“0”0”表示表示 說(shuō)明：說(shuō)明：自然界中并不存在真正的絕對(duì)黑體；自然界中并不存在真正的絕對(duì)黑體； 黑體模型黑體模型：1.1.4 1.1.4 物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度：物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度： 物體的輻射能力物體

6、的輻射能力E E：定義：定義：物體單位表面積、單位時(shí)間向半球空間所有物體單位表面積、單位時(shí)間向半球空間所有方向發(fā)射的全部波長(zhǎng)（方向發(fā)射的全部波長(zhǎng)（=0=0）的總輻射能，）的總輻射能，又又稱(chēng)稱(chēng)半球輻射能力、自身輻射半球輻射能力、自身輻射dAdQdE2W/mW/m2 2 說(shuō)明：說(shuō)明：E E與表面的性質(zhì)、溫度有關(guān)：與表面的性質(zhì)、溫度有關(guān)：TETE；相同的溫度下，黑體的輻射能力最大相同的溫度下，黑體的輻射能力最大。1.1.4 1.1.4 物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度：物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度：?jiǎn)紊椛淠芰紊椛淠芰 E：定義：定義：物體在物體在至至+的波段內(nèi)的輻射能力的波段內(nèi)的輻射能力 W/(mW/(

7、m2 2m)m)或或W/mW/m3 3說(shuō)明：說(shuō)明：E E反映了物體的輻射能力隨反映了物體的輻射能力隨（0-0-）的）的分布情況：分布情況：ddEElimE0E EEE， E Ef f（波長(zhǎng)，（波長(zhǎng)，T T）0dEE1.1.4 1.1.4 物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度：物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度：立體角立體角和輻射強(qiáng)度和輻射強(qiáng)度：立體角：立體角：以物體表面上的一點(diǎn)對(duì)輻射面所張開(kāi)的角度以物體表面上的一點(diǎn)對(duì)輻射面所張開(kāi)的角度輻射強(qiáng)度：物體單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)向空間單位輻射強(qiáng)度：物體單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)向空間單位立體角所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能立體角所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能 W/(mW/(m2 2sr)s

8、r)說(shuō)明：說(shuō)明：dd物體向給定方向發(fā)射能量所占據(jù)的立物體向給定方向發(fā)射能量所占據(jù)的立體角，體角，srsr（球面度）；（球面度）； E E與與I I的關(guān)系為：的關(guān)系為：ddEddAdQdI320IdE1.2 1.2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律1.2.1 1.2.1 普朗克（普朗克（PlanckPlanck）定律）定律 黑體輻射能力按波長(zhǎng)的分布規(guī)律黑體輻射能力按波長(zhǎng)的分布規(guī)律1.2.2 1.2.2 斯蒂芬斯蒂芬- -波爾茲曼（波爾茲曼（Stefan-BoltzmanStefan-Boltzman） 定律黑體輻射能力與溫度的關(guān)系定律黑體輻射能力與溫度的關(guān)系1.2.3 1.2.3 蘭貝特（蘭

9、貝特（LambertLambert）定律余弦定率）定律余弦定率1.2.1 1.2.1 普朗克（普朗克（PlanckPlanck）定律：）定律：黑體的單色輻射能力與波長(zhǎng)及溫度的定量關(guān)系黑體的單色輻射能力與波長(zhǎng)及溫度的定量關(guān)系：12510T/CeCE式中：式中：黑體輻射的波長(zhǎng)，黑體輻射的波長(zhǎng)，m m；T T黑體的絕對(duì)溫度，黑體的絕對(duì)溫度，K K；C C1 1、C C2 2普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，C C1 1=3.743=3.7431010-16-16W Wm m2 2； C C2 2=1.4387=1.43871010-2-2m mK K；E E00黑體的單色輻射能力，黑體的單色輻射能力，W/mW

10、/m2 2。 討論：討論：黑體的黑體的E E00與表面形狀無(wú)與表面形狀無(wú)關(guān)，關(guān)，E E00=f(,T)=f(,T)；如圖：當(dāng)如圖：當(dāng)00或或時(shí)，時(shí)，E Eoo00；同一波長(zhǎng)下，；同一波長(zhǎng)下，TETE00； 討論：討論：在全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)單色輻射能力有且只有一個(gè)最大值：在全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)單色輻射能力有且只有一個(gè)最大值：0ddEo微分，令：微分，令：KmTm3109 . 2維恩（維恩（WienWien）位移定律）位移定律 故：黑體單色輻射能力的最大值隨著其溫度的升高向波長(zhǎng)故：黑體單色輻射能力的最大值隨著其溫度的升高向波長(zhǎng)較短的一邊移動(dòng)。較短的一邊移動(dòng)?？蓱{借火焰的顏色來(lái)判斷火焰的溫度：可憑借火焰的顏色

11、來(lái)判斷火焰的溫度：溫度70090011001400火焰顏色暗紅櫻桃紅橙黃白色熾熱體溫度溫度14001400，可見(jiàn)光范圍；，可見(jiàn)光范圍；太陽(yáng)表面：太陽(yáng)表面：T6000KT6000K，可見(jiàn)光范圍；，可見(jiàn)光范圍；工業(yè)溫度（約工業(yè)溫度（約20002000）：集中在）：集中在=0.8=0.810m10m的紅外線的紅外線波段內(nèi)。波段內(nèi)。 1.2.2 1.2.2 斯蒂芬波爾茲曼斯蒂芬波爾茲曼（Stefan-BoltzmanStefan-Boltzman）定律：）定律：黑體的全波長(zhǎng)輻射能力黑體的全波長(zhǎng)輻射能力 ：deCdEET/C12510000積分后：積分后：40400100TCTE式中：式中：0 0黑體輻

12、射常數(shù)，黑體輻射常數(shù)， 0 0=5.67=5.671010-8-8W/(mW/(m2 2K K4 4) ) C C0 0=5.67=5.67 故：故：E E0 0TT，高溫時(shí)不能忽略輻射傳熱。，高溫時(shí)不能忽略輻射傳熱。1.2.3 1.2.3 蘭貝特定律蘭貝特定律余弦定律：余弦定律： 說(shuō)明了黑體表面向它上面的半球空間不同方向說(shuō)明了黑體表面向它上面的半球空間不同方向上的輻射能量與法線方向上的輻射能量的關(guān)系上的輻射能量與法線方向上的輻射能量的關(guān)系內(nèi)容：內(nèi)容：cos00nII I I0n0n黑體的微元面積黑體的微元面積dAdA在法線方向上在法線方向上 的輻射強(qiáng)度，的輻射強(qiáng)度，W/(mW/(m2 2sr

13、sr) )；給定方向與法線方向的夾角，給定方向與法線方向的夾角，srsr說(shuō)明：說(shuō)明：蘭貝特定律又稱(chēng)余弦定律；蘭貝特定律又稱(chēng)余弦定律；當(dāng)當(dāng)=0=0時(shí)，時(shí)，I I=0=0=I=I0n0n，輻射強(qiáng)度最大；，輻射強(qiáng)度最大； 當(dāng)當(dāng)=90=90時(shí)，時(shí)，I I=90=90=0=0； I I0 0和和E E0 0的關(guān)系：的關(guān)系：nnIsdIE0202000cossin上式說(shuō)明：上式說(shuō)明：E E0 0為為I Ionon的的倍；倍；遵循蘭貝特定律的表面稱(chēng)為蘭貝特表面，黑體表遵循蘭貝特定律的表面稱(chēng)為蘭貝特表面，黑體表 面就是一個(gè)蘭貝特表面；面就是一個(gè)蘭貝特表面；以上三個(gè)定律只適用于黑體以上三個(gè)定律只適用于黑體。1.

14、3 1.3 實(shí)際物體的熱輻射實(shí)際物體的熱輻射1.3.1 1.3.1 實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系1.3.2 1.3.2 克?；舴颍讼；舴颍↘irchhoffKirchhoff）定律）定律 1.3.3 1.3.3 灰體灰體1.3.1 1.3.1 實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系實(shí)際物體的輻射能力不服從斯蒂芬波爾實(shí)際物體的輻射能力不服從斯蒂芬波爾茲曼定律茲曼定律自然界一切物體的輻射能力均小于同溫度下黑體的自然界一切物體的輻射能力均小于同溫度下黑體的輻射能力；輻射能力；引入相對(duì)輻射能力：引入相對(duì)輻射能力：=E/=E/ E E0 0，又稱(chēng)黑度，發(fā)射率，又稱(chēng)

15、黑度，發(fā)射率影響因素：影響因素：它與物體溫度和表面性質(zhì)（表面溫它與物體溫度和表面性質(zhì)（表面溫度、表面狀況等）有關(guān)；度、表面狀況等）有關(guān)； 恒小于恒小于1 1。 1.3.1 1.3.1 實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系實(shí)際物體的單色輻射能力隨溫度和波長(zhǎng)的實(shí)際物體的單色輻射能力隨溫度和波長(zhǎng)的變化不符合普朗克定律變化不符合普朗克定律引入物體的單色黑度引入物體的單色黑度 ：=E=E/ E/ E00，又稱(chēng)單色發(fā)射能力又稱(chēng)單色發(fā)射能力 影響因素：影響因素：f f（T,T,，物體表面性質(zhì)）；，物體表面性質(zhì)）；恒小于恒小于1 1，黑體單色輻射能力最大。，黑體單色輻射能力最大。1.3.1 1

16、.3.1 實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系實(shí)際物體對(duì)投入輻射能的吸收率實(shí)際物體對(duì)投入輻射能的吸收率11單色吸收率單色吸收率： 在給定波長(zhǎng)在給定波長(zhǎng)和入射角和和入射角和下，一個(gè)實(shí)際表面下，一個(gè)實(shí)際表面吸收的能量與一個(gè)黑表面吸收的能量之比值。吸收的能量與一個(gè)黑表面吸收的能量之比值。 說(shuō)明：說(shuō)明：、(0(0，1)1)；實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明，、均為物體本身性質(zhì)；均為物體本身性質(zhì)；不是物體本身的性質(zhì)，不是物體本身的性質(zhì)，f f（表面性質(zhì)、溫度、投入輻射（表面性質(zhì)、溫度、投入輻射的波長(zhǎng)及角度）。的波長(zhǎng)及角度）。1.3.2 1.3.2 克?；舴颍讼；舴颍↘irchhoffKirchhof

17、f）定律）定律內(nèi)容：內(nèi)容：假設(shè)一個(gè)溫度為假設(shè)一個(gè)溫度為T(mén) T1 1的物體，在一個(gè)溫度為的物體，在一個(gè)溫度為T(mén) T2 2的黑體的黑體包殼內(nèi)，則無(wú)論包殼內(nèi)，則無(wú)論T T1 1和和T T2 2是否相等，該物體表面的單是否相等，該物體表面的單色黑度等于它的單色吸收率色黑度等于它的單色吸收率 ，即：，即：= = 證明：證明：由該物體發(fā)射的輻射為：由該物體發(fā)射的輻射為： 被該物體吸收的輻射為：被該物體吸收的輻射為： 假定該物體和包殼處于熱平衡狀態(tài)，則：假定該物體和包殼處于熱平衡狀態(tài)，則：q qe e=q=q或或 由由T T1 1=T=T2 2，則，則E E0,10,1= E= E0,20,2，帶入上式有：

18、，帶入上式有：= =dEq20dEdE2010dEqe101.3.2 1.3.2 克?；舴颍讼；舴颍↘irchhoffKirchhoff）定律）定律說(shuō)明：說(shuō)明：對(duì)于許多物質(zhì)，人們發(fā)現(xiàn)對(duì)于許多物質(zhì)，人們發(fā)現(xiàn)（或（或）與投射輻）與投射輻射的情況無(wú)關(guān)，即與投射溫度射的情況無(wú)關(guān)，即與投射溫度T T2 2無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。故：故：無(wú)論無(wú)論T T1 1和和T T2 2是否相等，均有是否相等，均有= =；由由、， 則：則：4101 ,00TdEEE4202,0TdE熱平衡時(shí)熱平衡時(shí)：T T1 1=T=T2 2，故，故= =； 對(duì)于灰體：對(duì)于灰體：= = = =什么是灰體？什么是灰體？1.3.3 1.3.3 灰體

19、灰體灰體定義灰體定義：假如某種物體的單色輻射能力：假如某種物體的單色輻射能力E E與同一溫度下絕對(duì)黑體的單色輻射能力與同一溫度下絕對(duì)黑體的單色輻射能力E E00之比之比等于常數(shù)，即在所有波長(zhǎng)下，物體的單色黑度等于常數(shù)，即在所有波長(zhǎng)下，物體的單色黑度等于常數(shù)，這種物體叫做灰體等于常數(shù)，這種物體叫做灰體灰體也是一種理想物體灰體也是一種理想物體1.3.3 1.3.3 灰體灰體討論：討論：灰體是一個(gè)物理模型，符合灰體模型的表面叫灰體是一個(gè)物理模型，符合灰體模型的表面叫做灰表面，灰表面符合蘭貝特（做灰表面，灰表面符合蘭貝特（LambertLambert）定律；）定律； 由其定義及克?；舴蚨?，對(duì)灰表面，

20、有：由其定義及克希霍夫定律，對(duì)灰表面，有：= = =常數(shù)常數(shù) 推導(dǎo)：推導(dǎo)：dEdEdEdEdEdEEE00000001.3.3 1.3.3 灰體灰體一般工業(yè)溫度范圍一般工業(yè)溫度范圍(T(T2000)2000)內(nèi)，一般固、液內(nèi)，一般固、液態(tài)物體均可認(rèn)為是灰體（氣體除外），于是：態(tài)物體均可認(rèn)為是灰體（氣體除外），于是： 灰體的灰體的-E-E曲線與黑體的曲線與黑體的-E-E曲線相似，二曲線相似，二者在同一溫度下的最大單色輻射能力都位于同一者在同一溫度下的最大單色輻射能力都位于同一m m處；處；400TEE黑體是灰體的特例黑體是灰體的特例 ：= = = 1 1討論：討論：1.4 1.4 氣體的輻射與吸

21、收氣體的輻射與吸收1.4.1 1.4.1 氣體輻射與吸收的特點(diǎn)氣體輻射與吸收的特點(diǎn) 1.4.2 1.4.2 煙氣的黑度煙氣的黑度1.4.3 1.4.3 煙氣的吸收率煙氣的吸收率1.4.1 1.4.1 氣體輻射與吸收的特點(diǎn)氣體輻射與吸收的特點(diǎn): :不同氣體具有不同的輻射能力不同氣體具有不同的輻射能力單原子和分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的雙原子氣體，如惰性單原子和分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的雙原子氣體，如惰性氣體和氫、氮、氧等，不具有吸收熱輻射的能力，氣體和氫、氮、氧等，不具有吸收熱輻射的能力，可看作透明體。可看作透明體。 而三原子，多原子氣體以及結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)的雙而三原子，多原子氣體以及結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)的雙原子分子，如原子分子，如CO

22、CO2 2、H H2 2O O、SOSO2 2、COCO、CHCH2 2 ，烴類(lèi)和醇，烴類(lèi)和醇類(lèi)等，則有相當(dāng)大的輻射能力和吸收能力。類(lèi)等，則有相當(dāng)大的輻射能力和吸收能力。1.4.1 1.4.1 氣體輻射與吸收的特點(diǎn)氣體輻射與吸收的特點(diǎn): :氣體輻射對(duì)波長(zhǎng)有選擇性氣體輻射對(duì)波長(zhǎng)有選擇性 氣體只在某些特定的波段光帶內(nèi)具有吸收能力。氣體只在某些特定的波段光帶內(nèi)具有吸收能力。煙氣中的煙氣中的COCO2 2和和H H2 2O O主要光帶如下：主要光帶如下： CO2H2O第一光帶2.65-2.80m2.55-2.84m第二光帶4.15-4.45m5.6-7.6m第三光帶13.0-17.0m12.0-30.

23、0m 這些光帶均位于可見(jiàn)光范圍之外，所以，即使在高溫這些光帶均位于可見(jiàn)光范圍之外，所以，即使在高溫下下COCO2 2和和H H2 2O O也不能被人眼看見(jiàn)。也不能被人眼看見(jiàn)。1.4.1 1.4.1 氣體輻射與吸收的特點(diǎn)氣體輻射與吸收的特點(diǎn): :氣體的輻射和吸收是在整個(gè)容積中進(jìn)行的氣體的輻射和吸收是在整個(gè)容積中進(jìn)行的 氣體的輻射和吸收與氣體的形狀和體積有關(guān)。氣體的輻射和吸收與氣體的形狀和體積有關(guān)。 氣體的輻射和吸收取決于氣層厚度、氣體的溫度氣體的輻射和吸收取決于氣層厚度、氣體的溫度和分壓。和分壓。定義平均輻射長(zhǎng)度定義平均輻射長(zhǎng)度L=3.5V/A L=3.5V/A ，又稱(chēng)有效氣層，又稱(chēng)有效氣層厚度 這樣：這樣：),(),(mmLPTfPLTf1.4.1 1.4.1 氣體輻射與吸收的特點(diǎn)氣體輻射與吸收的特點(diǎn): :氣體是典型的非灰體物質(zhì)氣體是典型的非灰體物質(zhì) 只有當(dāng)氣體溫度和固體壁溫度相同時(shí)氣體的只有當(dāng)氣體溫度和固體壁溫度相同時(shí)氣體的黑度和吸收率才會(huì)相等，若溫度不相等，就不存黑度和吸收率才會(huì)相等，若溫度不相等，就不存在這種關(guān)系。同樣普朗克定律定律和斯蒂芬波在這種關(guān)系。同樣普朗克定律定律和斯蒂芬波爾茲曼定律也不能成立。爾茲曼定律也不能成立。1.4.2 1.4.2 煙氣的黑度：煙氣的黑度： COCO2 2和和H H2 2O O的黑度：的黑度：E ECO2CO2 T T