传热学第8章热辐射基本定律和辐射特性.ppt

第第8 8章章 热辐射基本定律和辐射特性热辐射基本定律和辐射特性内容要求内容要求v掌握热辐射的基本概念；掌握热辐射的基本概念；v掌握黑体，黑体辐射的基本定律；掌握黑体，黑体辐射的基本定律；v固体和液体的辐射特性；固体和液体的辐射特性；v实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系；实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系；v太阳辐射。太阳辐射。8-1 热辐射现象的基本概念热辐射现象的基本概念 8.1.1 热辐射热辐射 1.辐射：是指物体受到某种因素的激发而向外发射辐射：是指物体受到某种因素的激发而向外发射 辐射能的现象。辐射能的现象。受热，电子碰撞，受热，电子碰撞，光照，化学反应等。光照，化学反应等。2.热辐射：热辐射：物体由于受热而向外发射辐射能的现象。物体由于受热而向外发射辐射能的现象。3.辐射换热辐射换热（radiation heat transfer）物体物体间以辐射方式进行的包含间以辐射方式进行的包含 辐射与吸收过程综合结果的热量辐射与吸收过程综合结果的热量 传递过程。传递过程。两物体温度不同时，高温物体失去热量；两物体温度不同时，高温物体失去热量；两物体温度相同时，辐射换热量为零。两物体温度相同时，辐射换热量为零。（2）所有温度大于）所有温度大于 0K 的实际物体都具有发射的实际物体都具有发射 热辐射的能力。热辐射的能力。（3）热辐射过程中不仅有能量的传递，）热辐射过程中不仅有能量的传递，而且有能量形式的转化。而且有能量形式的转化。（1）可以不依靠中间媒介，在真空中传播。）可以不依靠中间媒介，在真空中传播。热力学能热力学能热力学能热力学能辐射能辐射能4.热辐射的特点热辐射的特点2.热辐射的波长范围热辐射的波长范围 理论上理论上 ：0 整个波谱；整个波谱；日常生活日常生活,工业上常见的温度范围（太阳辐射）工业上常见的温度范围（太阳辐射）：0.1 100 m，包括部分紫外线，可见光，部分红外线；包括部分紫外线，可见光，部分红外线；工业上常见温度范围工业上常见温度范围T2000K时：时：0.76 10 m 8.1.2 从电磁波的角度描述热辐射的特性从电磁波的角度描述热辐射的特性 1.传播速率与波长，频率间的关系传播速率与波长，频率间的关系3.物体表面对热辐射的作用物体表面对热辐射的作用 投入辐射投入辐射Q：单位时间投射到单位面积物体表面上单位时间投射到单位面积物体表面上 全部波长范围内的辐射能。全部波长范围内的辐射能。W/2 根据能量守恒：根据能量守恒：或：或：（1）吸收比，反射比和透过比吸收比，反射比和透过比 吸收比吸收比，反射比反射比，透过比透过比（2）不同物体表面的辐射特性不同物体表面的辐射特性 热辐射投射到固体，液体表面上：热辐射投射到固体，液体表面上：漫射表面：漫射表面：漫反射和漫发射漫反射和漫发射 热辐射投射到气体表面上：热辐射投射到气体表面上：容积性容积性镜反射镜反射(Specular reflection)漫反射漫反射(Diffuse reflection)表面性表面性（3）固体表面的两种反射现象固体表面的两种反射现象 主要取决于固体表面不平整尺寸主要取决于固体表面不平整尺寸 的大小（表面粗糙度）。的大小（表面粗糙度）。8.1.3 黑体，镜体和绝对透明体黑体，镜体和绝对透明体1.绝对黑体（黑体）：绝对黑体（黑体）：2.镜体（白体）：镜体（白体）：3.绝对透明体：绝对透明体：白雪白雪：（接近黑体）；（接近黑体）；白布，黑布吸收比基本相同；白布，黑布吸收比基本相同；玻璃可透过可见光，对红外线几乎不透过。玻璃可透过可见光，对红外线几乎不透过。例如例如黑体，白体不同于黑色物体，白色物体。黑体，白体不同于黑色物体，白色物体。区别区别黑体吸收和发射辐射能的能力最强黑体吸收和发射辐射能的能力最强 8.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 黑体辐射的基本定律：黑体辐射的基本定律：斯忒藩斯忒藩-波耳兹曼定律，波耳兹曼定律，普朗特定律，普朗特定律，兰贝特定律。兰贝特定律。8.2.1 斯忒藩斯忒藩-波耳兹曼定律波耳兹曼定律1.辐射力辐射力(Emissive power)单位时间单位面积物体表面向半球空间的所有单位时间单位面积物体表面向半球空间的所有 方向辐射出去的全部波长范围内的辐射能量，称方向辐射出去的全部波长范围内的辐射能量，称 为该物体表面的辐射力。为该物体表面的辐射力。E，W/m2 对黑体辐射：对黑体辐射：2.斯忒藩斯忒藩-波耳兹曼定律波耳兹曼定律 1879年斯忒藩（实验）年斯忒藩（实验）,1884年波耳兹曼（理论）年波耳兹曼（理论）确定了黑体的确定了黑体的 Eb与与 T的关系。的关系。式中式中:黑体黑体辐射常数射常数另一种形式另一种形式:式中式中:C0 黑体黑体辐射系数射系数举举例例计算黑体表面温度为计算黑体表面温度为27 和和627时时的辐射力的辐射力 Eb。解：黑体表面温度为解：黑体表面温度为27时时：黑体表面温度为黑体表面温度为627时时：分分析析说说明明高温和低温两种情况下，高温和低温两种情况下，黑体的辐射能力有明显的差别。黑体的辐射能力有明显的差别。8.2.2 普朗克定律普朗克定律1.光谱辐射力光谱辐射力(Emissive power)单位时间单位面积物体表面向半球空间的所有单位时间单位面积物体表面向半球空间的所有 方向辐射出去的包含波长方向辐射出去的包含波长在内的在内的单位波位波长的的辐辐 射能量，称为该物体表面的光谱辐射力。射能量，称为该物体表面的光谱辐射力。E，W/m2.m 1900年，普朗特确定黑体辐射的光谱分布规律。年，普朗特确定黑体辐射的光谱分布规律。2.普朗特定律普朗特定律 对黑体辐射：对黑体辐射：3.不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化：不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化：T一定时，一定时，一定时，一定时，随随T的升高，的升高，Eb,max对应 的波的波长向短波迁移。向短波迁移。4.维恩位移定律维恩位移定律光谱辐射力为光谱辐射力为 Eb,max时，和和 T 之之间的关系。的关系。可得可得:并且并且:当温度不变时当温度不变时:推导推导举例举例计算温度分别为计算温度分别为2000K 和和5800K的黑体的黑体与与Eb,max对应的对应的。解：由维恩位移公式：解：由维恩位移公式：说明说明 工业上一般高温范围（工业上一般高温范围（2000K以下）时，以下）时，与与Eb,max对应的对应的位于红外线区段；位于红外线区段；温度近于太阳表面温度（温度近于太阳表面温度（5800K）时，）时，与与Eb,max对应的对应的位于可见光区段。位于可见光区段。5.波段内黑体辐射力：波段内黑体辐射力：实际问题：实际问题：引入辐射比引入辐射比其中：其中：为黑体辐射函数（表为黑体辐射函数（表8-1）则波段内黑体辐射力：则波段内黑体辐射力：8.2.3 兰贝特定律兰贝特定律 1.立体角立体角球面度球面度 对整个半球：对整个半球：对微元立体角：对微元立体角：2.定向辐射强度（辐射强度）定向辐射强度（辐射强度）物体单位时间单位可见辐射面积单位立体角物体单位时间单位可见辐射面积单位立体角 内发出的辐射能量。内发出的辐射能量。对各向同性物体表面：对各向同性物体表面：3.定向辐射力定向辐射力 单位时间单位面积物体表面向某个方向发射单位时间单位面积物体表面向某个方向发射 单位立体角内的辐射能单位立体角内的辐射能,称为该物体表面在该称为该物体表面在该 方向上的定向辐射力。方向上的定向辐射力。E，W/(m2.sr)4.兰贝特定律兰贝特定律 黑体的定向辐射强度与方向无关，黑体的定向辐射强度与方向无关，即半球空间各方向上的辐射强度都相等。即半球空间各方向上的辐射强度都相等。即是：即是：定向辐射力与定向辐射强度的关系：定向辐射力与定向辐射强度的关系：辐射力与定向辐射强度的关系：辐射力与定向辐射强度的关系：适用于：适用于：黑体黑体漫发射体漫发射体 8.3 固体和液体的辐射特性固体和液体的辐射特性 8.3.1 实际物体的辐射力实际物体的辐射力 1.实际物体的发射率（黑度）实际物体的发射率（黑度）2.实际物体的辐射力：实际物体的辐射力：反映了物体发射辐射能量的能力。反映了物体发射辐射能量的能力。说明说明 因此：因此：8.3.2 实际物体的光谱辐射力实际物体的光谱辐射力 1.实际物体的光谱辐射力实际物体的光谱辐射力 实际物体的光谱辐射力随波长实际物体的光谱辐射力随波长做不规则变化。做不规则变化。2.实际物体的光谱发射率实际物体的光谱发射率 8.3.3 实际物体的定向辐射强度实际物体的定向辐射强度 1.实际物体的定向发射率实际物体的定向发射率 2.定向发射率随定向发射率随角的角的变化化规律律 （1）黑体和漫发射体）黑体和漫发射体（2）金属）金属（3）非金属）非金属 对大部分工程材料，对大部分工程材料，定向发射率可视为常数，定向发射率可视为常数，可视为漫发射体。可视为漫发射体。物体的种类；物体的种类；物体的表面温度；物体的表面温度；物体的表面状况。物体的表面状况。只取决于物只取决于物体自身特性体自身特性实验测定实验测定8.3.4 影响物体发射率的因素影响物体发射率的因素 种类：种类：常温下，白色大理石常温下，白色大理石0.95，镀锌铁皮镀锌铁皮0.23；温度：温度：氧化的铝表面氧化的铝表面 50，=0.2，500，=0.3；表面状况：表面状况：无光泽黄铜无光泽黄铜0.22，磨光黄铜，磨光黄铜0.05；非金属材料较高非金属材料较高0.850.95，且与表面颜色无关。且与表面颜色无关。例如例如 8.4 实际物体对辐射能的吸收与辐射实际物体对辐射能的吸收与辐射 8.4.1 实际物体的吸收比实际物体的吸收比 1.物体的吸收比：物体的吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数。物体对投入辐射所吸收的百分数。吸收比取决于两方面因素：吸收比取决于两方面因素：物体的种类，温度和表面性质物体的种类，温度和表面性质 吸收物体的本身状况吸收物体的本身状况 投入辐射的特性投入辐射的特性 2.物体的光谱吸收比：物体的光谱吸收比：物体对某一特定波长辐射能吸收的百分数。物体对某一特定波长辐射能吸收的百分数。3.实际物体的光谱吸收比对波长具有选择性实际物体的光谱吸收比对波长具有选择性白瓷砖白瓷砖玻璃玻璃可见光，可见光，红外线，红外线，很小，近乎透明体；很小，近乎透明体；紫外线，紫外线，红外线，红外线，表现不透明性。，表现不透明性。温室效应温室效应白漆和黑漆白漆和黑漆 物体的颜色对可见光呈物体的颜色对可见光呈 强烈选择性；强烈选择性；但对红外线的吸收率均但对红外线的吸收率均 为为0.9左右。左右。8.4.2 灰体的概念灰体的概念 1.灰体：光谱辐射特性与波长无关的物体。灰体：光谱辐射特性与波长无关的物体。大多数工程材料大多数工程材料 可作灰体处理可作灰体处理说明说明 灰体和黑体一样，也是一种理想物体；灰体和黑体一样，也是一种理想物体；灰体的灰体的 与波长无关，只取决于本身特性，与波长无关，只取决于本身特性，与外界投射辐射无关；与外界投射辐射无关；就发射和吸收的规律而言，灰体和黑体完全相同，就发射和吸收的规律而言，灰体和黑体完全相同，在数量上体现了百分比关系。在数量上体现了百分比关系。