高教傳熱學(xué)第四版課件第8章

第8章熱輻射根本定律及物體的輻射特性本章重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容：①物體的吸收、反射、透射特性；

②黑體輻射的四個定律；

③基爾霍夫定律。掌握內(nèi)容：斯蒂芬－玻爾茲曼定律、蘭貝特定律、基爾霍夫定律了解內(nèi)容：了解普朗克定律的內(nèi)容。作業(yè)7-10，7-18，7-21，7-23，7-24，7-268-1熱輻射的根本概念一.熱輻射特點(diǎn)

二.電磁波譜1.

定義：由熱運(yùn)動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量2.

特點(diǎn)：a任何物體，只要溫度高于0K，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b可以在真空中傳播；c伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d具有強(qiáng)烈的方向性；e輻射能與溫度和波長均有關(guān)；f發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。電磁波的傳播速度：

c=fλ

式中：f—頻率，s-1;λ—波長，μm8-1熱輻射的根本概念電磁輻射波譜電磁輻射包含了多種形式，工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.1~100μm。8-1熱輻射的根本概念當(dāng)熱輻射投射到物體外表上時，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和透射三.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1.吸收、反射和透射特性8-1熱輻射的根本概念對于大多數(shù)的固體和液體：

鏡面反射

漫反射對于氣體：8-2熱輻射的根本概念黑體模型：是指能吸收投入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，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。黑體模型透明體：黑體：鏡體或白體：2.三種理想模型：8-2黑體輻射根本定律輻射力E：一.熱輻射能量的表示方法E、Eλ關(guān)系:光譜輻射力Eλ：單位時間內(nèi)，物體的單位外表積向半球空間所有方向發(fā)射出去的全部波長的輻射能的總量(W/m2)二.黑體輻射的根本定律λ—波長，m；T—黑體溫度，K；c1

—第一輻射常數(shù)，3.742×10-16W

m2；c2—第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2m

K；

1.Planck定律：Wien位移定律：8-2黑體輻射根本定律m.K8-2黑體輻射根本定律2.Stefan-Boltzmann定律〔四次方定律〕：σ=5.67×10-8W/(m2

K4)黑體輻射函數(shù)黑體在波長λ1和λ2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力：8-2黑體輻射根本定律黑體輻射函數(shù):能量份額可以表示為單一變量的函數(shù)，即：8-2黑體輻射根本定律黑體輻射函數(shù)λTFb(0-λ)λTFb(0-λ)λTFb(0-λ)λTFb(0-λ)10000.032319005.225360040.40600073.8111000.091620006.690380044.38650077.6612000.214220010.11400048.13700080.8313000.434240014.05420051.64750083.4614000.782260018.34440054.92800085.6415001.290280022.82460057.96850087.4716001.979300027.36480060.79900089.0717002.862320031.85500063.41950090.3218003.946340036.21550069.121000091.438-2黑體輻射根本定律定義：球面面積除以半徑的平方，sr(球面度)(1)立體角3.Lambert定律8-2黑體輻射根本定律可用球坐標(biāo)中的緯度微元角和精度微元角表示為：

8-2黑體輻射根本定律定義：單位時間內(nèi)、單位可見輻射面積輻射出去的落在單位立體角內(nèi)的輻射能量(2)定向輻射強(qiáng)度：(3)Lambert定律黑體的定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)，即黑體在半球空間的各個方向上的定向輻射強(qiáng)度相等8-2黑體輻射根本定律黑體的輻射能隨

呈余弦規(guī)律變化(4)輻射力與定向輻射強(qiáng)度間的關(guān)系8-3實(shí)際固體和液體的輻射特性發(fā)射率

(也稱為黑度)

：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:

光譜發(fā)射率

λ

：相同溫度下，實(shí)際物體的光譜輻射力與黑體光譜輻射力之比:

發(fā)射率與光譜發(fā)射率間的關(guān)系：幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率

(

)(t=150℃)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：8-3實(shí)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

(

)(t=0~93.3℃)漫射外表：外表的定向發(fā)射率()與方向無關(guān)，即定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)，滿足蘭貝特定律的外表8-3實(shí)際固體和液體的輻射特性外表發(fā)射率的影響因素：物質(zhì)種類、外表溫度、外表狀況外表發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界一般材料：高度磨光的金屬外表：實(shí)際物體的輻射特性與理想物體的區(qū)別：實(shí)際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜(1)實(shí)際物體的輻射力8-3實(shí)際固體和液體的輻射特性(2)實(shí)際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；(3)實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)格遵守Lambert定律。1.投入輻射：單位時間內(nèi)從外界輻射到物體單位外表積上的能量一.根本概念：8-4實(shí)際物體的吸收比與基爾霍夫定律2.吸收比

：物體對投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，實(shí)際物體的吸收比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。

3.光譜吸收比：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表達(dá)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。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4.物體的吸收具有選擇性：如果投入輻射來自黑體，那么物體的吸收比可以表示成：物體外表對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系6.兩種處理方法:5.灰體：光譜吸收比與波長無關(guān)的物體

=

(

)=const(2)譜帶模型法：即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為假設(shè)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)。灰體法:將實(shí)際物體作為灰體處理，即將光譜吸收比

(

)作為常數(shù)，

=

(

)=const。8-4實(shí)際物體的吸收比與基爾霍夫定律平行平板間的輻射換熱8-4實(shí)際物體的吸收比與基爾霍夫定律二.基爾霍夫定律當(dāng)體系處于的狀態(tài)，即處于熱平衡條件下時:

任意物體:該式說明:在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等于它的發(fā)射率該式在以下限定性條件下而得：〔1〕整個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；〔2〕如物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關(guān)，那么二者只有處于同一溫度下的值才能相等；〔3〕投射輻射源必須是同溫度下的黑體。8-4實(shí)際物體的吸收比與基爾霍夫定律假設(shè)在某一溫度下，一灰體與黑體處于熱平衡，按基爾霍夫定律對于漫射的灰體外表一定有漫灰外表:輻射外表是具有漫射特性的灰體層

次數(shù)學(xué)表達(dá)式成立條件光譜，定向光譜，半球全波段，半球無條件，

為天頂角漫射表面與黑體處于熱平衡或漫灰表面

Kirchhoff定律的不同表達(dá)式幾點(diǎn)說明：8-4實(shí)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(dá)式8-4實(shí)際物體的吸收比與基爾霍夫定律2.對工程計(jì)算而言，只要在所研究的波長范圍內(nèi)光譜吸收比根本上與波長無關(guān)，那么灰體的假定即可成立，而不必要求在全波段范圍內(nèi)α(λ)=常數(shù)。在工程常見的溫度范圍〔＜2000K〕內(nèi)，許多工程材料都有這一特點(diǎn)。3.同溫度下黑體的輻射力最大。4.當(dāng)研究物體外表對太陽能的吸收時，一般不能把物體作為灰體，即不能把物體在常溫下的發(fā)射率作為對太陽能的吸收比。例題1如附圖所示，用一個運(yùn)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的特性。問傳感器與熱試件之間的距離多大時，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時的75％？例題1解：設(shè)熱試件為外表1，傳感器為外表2。當(dāng)傳感器處于某一位置時，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)傳感器與熱試件不在同一豎直線上時，解得m試證明以下論述：對于腔壁的吸收比為0.6的一等溫球殼，當(dāng)其上的小孔面積小于球的總外表面積的0.6％時，該小孔的吸收比可大于99.6％。球殼腔壁為漫射體。例題21％證明:例題3一表面的定向發(fā)射率隨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)射率的比值。

解：溫度為310K的4個外表置于太陽光的照射下，設(shè)此時各外表的光譜吸收比隨波長的變化如附圖所示。試分析，在計(jì)算與太陽能的交換時，哪些外表可以作為灰體處理？為什么？例題4例題5測定物體外表輻射特性的裝置示于附圖中?？涨粌?nèi)維持均勻溫度K；腔壁是漫灰體