高教傳熱學(xué)第四版課件第8章

1、第第8章章 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本章重點內(nèi)容本章重點內(nèi)容重點內(nèi)容：重點內(nèi)容： 物體的吸收、反射、透射特性；物體的吸收、反射、透射特性； 黑體輻射的四個定律；黑體輻射的四個定律； 基爾霍夫定律。基爾霍夫定律。掌握內(nèi)容：掌握內(nèi)容： 斯蒂芬玻爾茲曼定律、蘭貝特定律、基爾霍夫定律斯蒂芬玻爾茲曼定律、蘭貝特定律、基爾霍夫定律 了解內(nèi)容：了解內(nèi)容： 了解普朗克定律的內(nèi)容。了解普朗克定律的內(nèi)容。 作業(yè)7-10，7-18，7-21，7-23，7-24，7-26 8-1 8-1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念一一. 熱輻射特點熱輻射特點 二二. 電磁波譜電磁波譜1.1.

2、 定義定義：由熱運動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量：由熱運動產(chǎn)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，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；向周圍空間發(fā)出熱輻射；b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播；c 伴伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d 具有強烈的方向性；具有強烈的方向性；e 輻射能輻射能與溫度和波長均有關(guān)；與溫度和波長均有關(guān)；f 發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的4次次方。方。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，m8-1 8-1 熱輻射

3、的基本概念熱輻射的基本概念電電 磁磁 輻輻 射射 波波 譜譜電磁輻射包含了多種形式，工業(yè)上有實際意義的熱電磁輻射包含了多種形式，工業(yè)上有實際意義的熱輻射區(qū)域一般為輻射區(qū)域一般為0.10.1100100mm。8-1 8-1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時，當(dāng)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、一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和透反射和透射射11QQQQQQQQQQ三三. . 物體對熱輻射的吸收、反射和透射物體對熱輻射的吸收、反射和透射物體對熱輻射的物體對熱輻射的吸收反射和透吸收反射和透射射11QQQQQQQQQQ11QQQQQQQQQQ1.吸收、反射

4、和透吸收、反射和透射特性射特性8-1 8-1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念對于大多數(shù)的固體和液體：對于大多數(shù)的固體和液體：1,01,0 鏡面反射鏡面反射 漫反射漫反射對于氣體：對于氣體：8-2 8-2 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念黑體模型：黑體模型：是指能吸收投入是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實生活中是不的物體，現(xiàn)實生活中是不存在的。但卻可以人工制存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。造出近似的人工黑體。黑體模型黑體模型111透明體：透明體：黑體：黑體：鏡體或白體：鏡體或白體：2.三種理想模型：三種理

5、想模型：8-2 8-2 黑體輻射基本定律黑體輻射基本定律輻射力輻射力E E：一一. .熱輻射能量的表示方法熱輻射能量的表示方法E、E關(guān)系關(guān)系: 光譜輻射力光譜輻射力E E：0dEE單位時間內(nèi)，物體的單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射出去間所有方向發(fā)射出去的全部波長的輻射能的全部波長的輻射能的總量的總量(W/m2)二二.黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律1)(512TcbecE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(shù)，第一輻射常數(shù)，3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2；c c2 2 第二第

6、二輻射常數(shù)，輻射常數(shù)，1.43881.43881010-2-2 m m K K； 1.Planck1.Planck定律：定律：WienWien位移位移定律：定律：KmTm3108976. 28-2 8-2 黑體輻射基本定律黑體輻射基本定律3109 . 2m.K 8-2 8-2 黑體輻射基本定律黑體輻射基本定律2.Stefan-Boltzmann2.Stefan-Boltzmann定律（四次方定律）：定律（四次方定律）：21dEEbb40)(51012TdecdEETcbb= 5.67= 5.671010-8-8 W/(m W/(m2 2 K K4 4) )黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù)黑體在波長黑體

7、在波長1 1和和2 2區(qū)區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力：段內(nèi)所發(fā)射的輻射力：8-2 8-2 黑體輻射基本定律黑體輻射基本定律黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù): : 0bFTTbbbTfTdTETdEF05400)()(能量份額能量份額 可以表示為單一變量可以表示為單一變量 的函數(shù)，即：的函數(shù)，即：212121401dETdEdEFbbbb2121004001bbbbE dE dFFTbbbEFE21218-2 8-2 黑體輻射基本定律黑體輻射基本定律黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù)TFb(0-)TFb(0-)TFb(0-)TFb(0-)1000 0.0323 1900 5.225360040.40600073.8111

8、00 0.0916 2000 6.690380044.38 650077.661200 0.2142200 10.11400048.13700080.831300 0.4342400 14.05420051.64750083.461400 0.7822600 18.34440054.92 800085.641500 1.2902800 22.82460057.96 850087.471600 1.9793000 27.36480060.79 900089.078-2 8-2 黑體輻射基本定律黑體輻射基本定律定義：定義：球面面積除以半徑的平方，球面面積除以半徑的平方，sr(球面度球面度)(1)(

9、1)立體角立體角3.Lambert 定律定律2rAc2rdAdc8-2 8-2 黑體輻射基本定律黑體輻射基本定律drrddAcsin.cdAdd 可用球坐標(biāo)中的緯度微元角可用球坐標(biāo)中的緯度微元角 和精度微元角和精度微元角 表示為：表示為： dddsin8-2 8-2 黑體輻射基本定律黑體輻射基本定律定義：單位時間內(nèi)、單位可定義：單位時間內(nèi)、單位可見輻射面積輻射出去的落在見輻射面積輻射出去的落在單位立體角內(nèi)的輻射能量單位立體角內(nèi)的輻射能量(2) (2) 定向輻射強度定向輻射強度：(3) Lambert 定律定律 ddAdLcos 常量 LL黑體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度與方向無關(guān)，即黑體

10、在半方向無關(guān)，即黑體在半球空間的各個方向上的球空間的各個方向上的定向輻射強度相等定向輻射強度相等 8-2 8-2 黑體輻射基本定律黑體輻射基本定律黑體的輻射能隨黑體的輻射能隨 呈余弦規(guī)律變化呈余弦規(guī)律變化(4) 輻射力與定向輻射強度間的關(guān)系輻射力與定向輻射強度間的關(guān)系 22cos dLdAdE2cossinELd d 2/200cossinLddL cosLdAdd8-3 8-3 實際固體和液體的輻射特性實際固體和液體的輻射特性4TEEEbv發(fā)射率發(fā)射率 (也稱為黑度也稱為黑度) ：相同溫度下，：相同溫度下，實際物體實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之

11、比: v光譜發(fā)射率光譜發(fā)射率 ：相同溫度：相同溫度下，下，實際物體的光譜輻射力實際物體的光譜輻射力與黑體光譜輻射力之比與黑體光譜輻射力之比: bEEv發(fā)射率與光譜發(fā)發(fā)射率與光譜發(fā)射率間的關(guān)系：射率間的關(guān)系： 40TdEEEbb4bEET幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率 ( )(t=150)bbLLLL)()()()(定向發(fā)射率：實際物體的定向輻射強度與黑定向發(fā)射率：實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比：體的定向輻射強度之比：8-3 8-3 實際固體和液體的輻射特性實際固體和液體的輻射特性幾種非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率幾種非導(dǎo)電體材料在

12、不同方向上的定向發(fā)射率 ( )(t=093.3)漫射表面漫射表面：表面的定向發(fā)射率：表面的定向發(fā)射率 ( ) 與方向無關(guān)，即與方向無關(guān)，即定向輻射強度與方向無關(guān)，滿足蘭貝特定律的表面定向輻射強度與方向無關(guān)，滿足蘭貝特定律的表面8-3 8-3 實際固體和液體的輻射特性實際固體和液體的輻射特性表面發(fā)射率表面發(fā)射率的影響因素：的影響因素：物質(zhì)種類、表面溫度、表面狀況物質(zhì)種類、表面溫度、表面狀況表面發(fā)射率表面發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界不涉及外界一般材料：一般材料：n高度磨光的金屬表面：高度磨光的金屬表面：1.2n實際物體的輻射特性實際物體的輻射特性與理

13、想物體的區(qū)別：與理想物體的區(qū)別：實際物體、黑體和灰實際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜體的輻射能量光譜 (1)(1)實際物體的輻射力實際物體的輻射力8-3 8-3 實際固體和液體的輻射特性實際固體和液體的輻射特性(2)(2)實際物體的輻射力實際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；度的四次方成正比；(3)(3)實際物體的定向輻實際物體的定向輻射強度也不嚴(yán)格遵守射強度也不嚴(yán)格遵守LambertLambert定律。定律。1.1.投入輻射：投入輻射：單位時間內(nèi)從外界輻射到物體單位表單位時間內(nèi)從外界輻射到物體單位表面積上的能量面積上的能量 )(投入輻射投入的能量吸收的能量一一

14、.基本概念：基本概念：8-4 8-4 實際物體的吸收比與基爾霍夫定律實際物體的吸收比與基爾霍夫定律2.2.吸收比吸收比 ：物體對投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，物體對投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，實際物體的吸收比實際物體的吸收比取決于兩方面的因素：吸收物取決于兩方面的因素：吸收物體的本身情況和投入輻射的特性。體的本身情況和投入輻射的特性。 3. 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的物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長的變化百分?jǐn)?shù)，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。體現(xiàn)了實際物體的選擇性吸收的特性。能量投入的某一

15、特定波長的能量吸收的某一特定波長的),(1T金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長的關(guān)系金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長的關(guān)系非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系4.物體的吸收具有選擇性：物體的吸收具有選擇性： 1212011220,T ETdGEGEETd 1220220,bbTTETdTETd 12,12f T T表面的性質(zhì)，表面 的性質(zhì)12020,bbT ETdETd 12,1f T T表面 的性質(zhì)如果投入輻射來自黑體，則物體的吸收比可以表示成：如果投入輻射來自黑體，則物體的吸收比可以表示成：物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)

16、系6.6.兩種處理方法兩種處理方法: :5.灰體：灰體：光譜吸收比與波長無關(guān)的物體光譜吸收比與波長無關(guān)的物體 = ( ) = const(2)(2)譜帶模型法：譜帶模型法：即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，每個小區(qū)域被稱為一個譜帶，在分為若干小區(qū)域，每個小區(qū)域被稱為一個譜帶，在每個譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體假設(shè)。每個譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體假設(shè)。(1)(1)灰體法灰體法: :將實際物體作為灰體處理，即將實際物體作為灰體處理，即將光譜吸收將光譜吸收比比 ( ( ) ) 作為常數(shù)，作為常數(shù)， = = ( ( ) = const) = const。8-4 8-4 實際物體的吸

17、收比與基爾霍夫定律實際物體的吸收比與基爾霍夫定律平行平板間平行平板間的輻射換熱的輻射換熱8-4 8-4 實際物體的吸收比與基爾霍夫定律實際物體的吸收比與基爾霍夫定律二二. .基爾霍夫定律基爾霍夫定律bqEE12TT0q 當(dāng)體系處于當(dāng)體系處于 的的狀態(tài)，狀態(tài)，即處于熱平衡條件下時即處于熱平衡條件下時: bEE任意物體任意物體: 1212bEEEEbEE該式說明該式說明: :在熱力在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，學(xué)平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等于它的發(fā)射率物體的吸收率等于它的發(fā)射率該式在下列限定性條件下而得：該式在下列限定性條件下而得：（1 1）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)；（2 2）如物體的

18、吸收率和發(fā)射率與溫度有關(guān)，則二者只有）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；處于同一溫度下的值才能相等；（3 3）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。8-4 8-4 實際物體的吸收比與基爾霍夫定律實際物體的吸收比與基爾霍夫定律假設(shè)在某一溫度假設(shè)在某一溫度下，一灰體與黑體處于熱平衡，下，一灰體與黑體處于熱平衡，按基爾霍夫定律按基爾霍夫定律對于漫射的灰體表面一定有對于漫射的灰體表面一定有 TT漫灰表面漫灰表面:輻射表面是具有漫射特性的灰體輻射表面是具有漫射特性的灰體層層 次次數(shù)學(xué)表達式數(shù)學(xué)表達式成立條件成立條件光譜，定向光譜，定向 光譜

19、，半球光譜，半球 全波段，全波段，半球半球無條件，無條件， 為天頂角為天頂角 漫射表面漫射表面 與黑體處于熱平衡與黑體處于熱平衡或或漫灰表面漫灰表面),(),(TT),(),(TT)()(TT KirchhoffKirchhoff 定律的不同表達式定律的不同表達式幾點說明幾點說明：8-4 8-4 實際物體的吸收比與基爾霍夫定律實際物體的吸收比與基爾霍夫定律1.基爾霍夫定律有幾種不同層次上的表達式基爾霍夫定律有幾種不同層次上的表達式8-4 8-4 實際物體的吸收比與基爾霍夫定律實際物體的吸收比與基爾霍夫定律2.對工程計算而言，只要在所研究的波長范圍內(nèi)光譜對工程計算而言，只要在所研究的波長范圍內(nèi)光

20、譜吸收比基本上與波長無關(guān)，則灰體的假定即可成立，吸收比基本上與波長無關(guān)，則灰體的假定即可成立，而不必要求在全波段范圍內(nèi)而不必要求在全波段范圍內(nèi)()=常數(shù)。在工程常見的溫常數(shù)。在工程常見的溫度范圍（度范圍（2000K）內(nèi)，許多工程材料都有這一特點。）內(nèi)，許多工程材料都有這一特點。 3. 同溫度下黑體的輻射力最大。同溫度下黑體的輻射力最大。4.當(dāng)研究物體表面對太陽能的吸收時，一般不能把物當(dāng)研究物體表面對太陽能的吸收時，一般不能把物體作為灰體，即不能把物體在常溫下的發(fā)射率作為對體作為灰體，即不能把物體在常溫下的發(fā)射率作為對太陽能的吸收比。太陽能的吸收比。 例題例題1 1如附圖所示，用一個運動的傳感器

21、來測定傳送帶如附圖所示，用一個運動的傳感器來測定傳送帶上一個熱試件的位置。設(shè)熱試件的輻射具有黑體上一個熱試件的位置。設(shè)熱試件的輻射具有黑體的特性。問傳感器與熱試件之間的距離的特性。問傳感器與熱試件之間的距離 多大時，多大時，傳感器接收到的輻射能是傳感器與試件位于同一豎直線上傳感器接收到的輻射能是傳感器與試件位于同一豎直線上時的時的75？1x例題例題1 1221212111222coscoscoscos .ALAdLALA Arr 0cos11r 1212LA A211cos1x211rx12122211.1LA Ax121275%22110.751x10.395x 解：設(shè)熱試件為表面解：設(shè)熱試

22、件為表面1，傳感器為表面，傳感器為表面2。當(dāng)傳感器。當(dāng)傳感器處于某一位置時，傳感器所接收到的輻射能為：處于某一位置時，傳感器所接收到的輻射能為：當(dāng)傳感器與熱試件位于同一豎直線上時，當(dāng)傳感器與熱試件位于同一豎直線上時，當(dāng)傳感器與熱試件不在同一豎直線上時，當(dāng)傳感器與熱試件不在同一豎直線上時，解得解得m試證明下列論述：對于腔壁的吸收比為試證明下列論述：對于腔壁的吸收比為0.6的一等溫球殼，的一等溫球殼，當(dāng)其上的小孔面積小于球的總表面面積的當(dāng)其上的小孔面積小于球的總表面面積的0.6時，該小時，該小孔的吸收比可大于孔的吸收比可大于99.6。球殼腔壁為漫射體。球殼腔壁為漫射體。 例題例題2 21199.4

23、%199.4%22199.4%22199.4%2233199.4%199.4%199.4%孔 99.61199.41a1-q孔證明證明:例題例題3 3 n一表面的定向發(fā)射率一表面的定向發(fā)射率 隨隨 角的變化如附圖角的變化如附圖所示，試確定該表面的發(fā)射率與法向發(fā)射率所示，試確定該表面的發(fā)射率與法向發(fā)射率 的比值。的比值。 22coscosbbLdEELd 2/2002/200cos sincos sinbLd dLd d 2/2002/200cos sincos sinbbLd dLd d /202cos sin d 0.50.714n解：解：溫度為溫度為310K的的4個表面置個表面置于太陽光的照于