热辐射的基本定律 (3)精选PPT.ppt

关于热辐射的基本定关于热辐射的基本定律律 (3)(3)第1页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学对流换热部分对流换热部分v主要内容：主要内容：对流流换热分析（分析法、分析（分析法、类比法、比法、实验法）法）单相流体相流体对流流换热凝凝结与沸与沸腾换热v基本定律：基本定律：牛牛顿冷却定律冷却定律v主要任主要任务：求解表面求解表面换热系数系数h h及及换热量量v重点：准重点：准则关关联式的式的应用用第2页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13传热学 李琼3第八章第八章 热辐射的基本定律热辐射的基本定律Basic Law of ThermalBasic Law of Thermal RadiationRadiation第3页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学相同室温，冬夏穿着相同室温，冬夏穿着相同室温，冬夏穿着相同室温，冬夏穿着不同。不同。不同。不同。深秋，深秋，树叶向上叶向上一面一面结霜。霜。辐射应用实例辐射应用实例第4页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学锅锅炉炉炉炉炉炉炉炉膛膛膛膛火火火火焰焰焰焰与与与与水水水水冷冷冷冷壁壁壁壁辐辐射射射射换换热热辐射应用实例辐射应用实例第5页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学地板地板辐射采暖射采暖辐射应用实例辐射应用实例第6页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学太阳能的利用主要有两大方向：太阳能的利用主要有两大方向：转化化为热能和能和转化化为电能。能。辐射应用实例辐射应用实例第7页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学伦敦伦敦“零碳馆零碳馆”第8页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学辐射干燥机射干燥机 辐射应用实例辐射应用实例第9页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学热辐射与导热、对流换热的区别热辐射与导热、对流换热的区别v机理上本机理上本质不同：不同：在在导热与与对流流过程中，能量程中，能量传递依靠介依靠介质微微观粒子粒子热运运动和宏和宏观运运动实现；热辐射中，能量的射中，能量的传递依靠依靠电磁波磁波传递实现，并伴随有能量形式的并伴随有能量形式的转化；化；v研究方法不同：研究方法不同：电磁磁辐射的物理基射的物理基础热辐射的基本定射的基本定律律理想物体和理想物体和实际物体的物体的辐射特性射特性物物体体间辐射射换热量量计算算第10页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学 第一节第一节 基本概念基本概念一一一一.热辐热辐射的本射的本射的本射的本质质和特点和特点和特点和特点1、定、定义和本和本质：辐射：以射：以电磁波磁波传递能量的能量的过程。程。热辐射：由于自身温度或射：由于自身温度或热的原因而的原因而发生的生的电磁波磁波传递。热辐射是射是电磁波，它就由一般磁波，它就由一般电磁波的共性，即它磁波的共性，即它是以光速在空是以光速在空间传播的。有下列关系成立：播的。有下列关系成立：第11页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学分析：分析：v式中：式中：在真空中在真空中c=3.010c=3.0108 8m/s;h=6.6310m/s;h=6.6310-34-34JsJsv不同波不同波长、不同、不同频率的率的电磁波具有不同的能量；磁波具有不同的能量；v辐射能即射能即电磁波或光子所运磁波或光子所运载的能量；的能量；v波粒二重性波粒二重性（电磁波理磁波理论和量子理和量子理论）；）；v研究方法：研究方法：以量子理以量子理论为基基础的微的微观方法（主要用于解方法（主要用于解释物体物体的的发射与吸收特性）；射与吸收特性）；以能量守恒以能量守恒为基基础的宏的宏观方法（主要用于方法（主要用于辐射射换热计算）。算）。第12页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学第13页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学分析上图：分析上图：v热辐射的主要波射的主要波谱：0.10.1100m100m 热效效应显著，称著，称为热射射线，包括可，包括可见光光线、部分、部分红外外和紫外和紫外线；v可可见光：光：0.380.380.76m0.76mv紫外、紫外、伦琴射琴射线：0.38m0.38mv红外外线：0.760.76100m100mv地球上大部分物体地球上大部分物体2000K2000K，大部分能量在，大部分能量在0.760.7620m20m，可，可见光段内光段内热辐射比重不大；射比重不大；v太阳：太阳：5762K5762K，主要能量集中在，主要能量集中在0.20.22m2m，可，可见光光段内段内热辐射很大比重。射很大比重。第14页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学2 2、特点：、特点：v不不依依赖物体的接触而物体的接触而进行行热量量传递，可以，可以在真空中在真空中传播；播；v伴随能量形式的两次伴随能量形式的两次转变：发射：内能射：内能电磁波磁波吸收：吸收：电磁波磁波内能内能v任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地，就会不停地向周向周围空空间发出出热辐射；射；第15页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学第16页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学当当热辐射投射到物体表面上射投射到物体表面上时，一，一般会般会发生三种生三种现象，即吸收、反射象，即吸收、反射和穿透，如和穿透，如图所示。所示。二、物体二、物体对热辐射的吸收、反射和穿透射的吸收、反射和穿透 第17页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学1 1、吸收比、反射比和穿透比、吸收比、反射比和穿透比 v称称为物体的吸收比，表示投射的物体的吸收比，表示投射的总能量中被吸能量中被吸收的能量所占份收的能量所占份额；v称称为物体的反射比，表示被反射的能量所占份物体的反射比，表示被反射的能量所占份额；v 称称为物体的穿透比，表示被透射的能量所占物体的穿透比，表示被透射的能量所占份份额；v如果投射能量是某一波如果投射能量是某一波长下的下的辐射能，上述关系射能，上述关系同同样适用；适用；v、是物体表面的是物体表面的辐射特性，和物体的性射特性，和物体的性质、温度及表面状况有关。温度及表面状况有关。第18页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学对于大多数的固体和液体：于大多数的固体和液体：对于于纯气体（不含气体（不含颗粒）：粒）：分析：分析：分析：分析：1)1)1)1)热热射射射射线线的吸收和反射几乎都在表面的吸收和反射几乎都在表面的吸收和反射几乎都在表面的吸收和反射几乎都在表面进进行。行。行。行。2)2)2)2)物体全波物体全波物体全波物体全波长长特性参数与投射特性参数与投射特性参数与投射特性参数与投射过过来的来的来的来的辐辐射能波射能波射能波射能波长长分布有关；分布有关；分布有关；分布有关；3)3)3)3)就工程材料而言，善于吸收的表面，就不善于反射。就工程材料而言，善于吸收的表面，就不善于反射。就工程材料而言，善于吸收的表面，就不善于反射。就工程材料而言，善于吸收的表面，就不善于反射。分析：分析：分析：分析：1)1)1)1)气体的吸收和气体的吸收和气体的吸收和气体的吸收和辐辐射是在整个气体容射是在整个气体容射是在整个气体容射是在整个气体容积积中中中中进进行。行。行。行。2)2)2)2)气体的吸收和穿透特性与气体内部特征有关，与其表面状气体的吸收和穿透特性与气体内部特征有关，与其表面状气体的吸收和穿透特性与气体内部特征有关，与其表面状气体的吸收和穿透特性与气体内部特征有关，与其表面状况无关；况无关；况无关；况无关；3)3)3)3)善于吸收的气体，就不善于透射，反之亦然。善于吸收的气体，就不善于透射，反之亦然。善于吸收的气体，就不善于透射，反之亦然。善于吸收的气体，就不善于透射，反之亦然。第19页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学反射又分反射又分镜反射和漫反射两种：反射和漫反射两种：镜反射镜反射漫反射漫反射镜面反射：入射角面反射：入射角=反射角，表面粗糙度反射角，表面粗糙度 波波长一般工程材料的表面一般工程材料的表面较粗糙，接近漫反射。粗糙，接近漫反射。第20页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学镜体或白体：体或白体：透明体：透明体：黑体：黑体：v 黑体不是黑色物体；黑体不是黑色物体；v 黑体，黑体，镜体和透明体并不存在。体和透明体并不存在。人工可以制造十分接近黑体人工可以制造十分接近黑体(内表内表面面6%6%的小孔，的小孔，0.996)0.996)的模型。的模型。v 黑体如同不可黑体如同不可压流体、可逆循流体、可逆循环等一等一样，是一种理想化的研究方法。，是一种理想化的研究方法。2 2、理想、理想辐射模型：射模型：第21页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学 应注意以下几个问题：应注意以下几个问题：v镜反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。射。v物体的物体的颜色。关色。关键在于是物体本身在于是物体本身发射可射可见光光还是物体反射可是物体反射可见光。光。v理想理想辐射模型均是射模型均是对全波全波长而言的。而言的。第22页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学三、定向辐射强度和定向辐射力三、定向辐射强度和定向辐射力1 1、立体角立体角 平面角如平面角如图，s s为弧弧长，r r为半径。半径。=s/r（rad）立体角如立体角如图，一个半球，在球面上取一个小面，一个半球，在球面上取一个小面积，在在这个面个面积周周边向球心做射向球心做射线，则这些射些射线所包所包围的空的空间即即为立体角。立体角的度量用球面度。立体角。立体角的度量用球面度。rs 平面角定平面角定义图第23页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学如如图，在半球上割下一，在半球上割下一块微元面微元面积dAdA2 2，则dAdA2 2对应的立体角的立体角为微元立体角微元立体角为清楚起清楚起见，将，将这个立体角放大，个立体角放大，即：即：半半圆：半球：半球：第24页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学目的：辐射能按方向分布目的：辐射能按方向分布比较基础：相同的立体角比较基础：相同的立体角 相同的可见表面积相同的可见表面积 定定义：在某在某给定定辐射方向上，射方向上，单位位时间、单位可位可见辐射面射面积、单位立体角内所位立体角内所发射全部波射全部波长的能量。用的能量。用I I表示，表示，单位：位：W/(mW/(m2 2Sr)Sr)为可可见辐射面射面积。其中：其中：2 2、定向、定向辐射射强度度(Intensity of radiationIntensity of radiation)：第25页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学光光谱定向定向辐射射强度：度：指在某指在某给定方向上，定方向上，单位位时间、单位可位可见辐射面射面积，在波在波长附近的附近的单位波位波长间隔内、隔内、单位立体角所位立体角所发射射的能量，称的能量，称为光光谱定向定向辐射射强度（度（单色定向色定向辐射射强度）度），符号，符号为I I，单位位为W/(mW/(m2 2m Sr)m Sr)。第27页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学3 3、辐射力射力定向定向辐射力射力E E ：在某：在某给定方向上，定方向上，单位位辐射面射面积、在在单位立体角内所位立体角内所发射全波射全波长的能量，称的能量，称为定向定向辐射力，符号射力，符号为E E，单位位为W/(mW/(m2 2sr)sr)。定向定向辐射力与定向射力与定向辐射射强度关系：度关系：第28页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学辐射力射力E E：单位位时间内，物体的内，物体的单位表面位表面积向半球空向半球空间发射的所有波射的所有波长的能量的能量总和。和。(W/m(W/m2 2)；光光谱辐射力射力E E：光光谱定向定向辐射力射力E E，：第29页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学黑体：黑体：是指能吸收投入到其面是指能吸收投入到其面上的所有上的所有热辐射能的物体，射能的物体，是一种科学假想的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似但却可以人工制造出近似的人工黑体。的人工黑体。黑体模型黑体模型第二第二节 热辐射的基本定律射的基本定律第30页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学一一.Planck.Planck定律定律(第一个定律第一个定律)：式中：式中：波波长，m m；T T 黑体温度，黑体温度，K K；c c1 1 第一第一辐射常数，射常数，3.742103.74210-16-16 W W m m2 2；c c2 2 第二第二辐射常数，射常数，1.439101.43910-2-2 W W K K；Planck 定律的图示定律的图示第31页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学分析：分析：vPlanckPlanck定律揭示了黑体定律揭示了黑体辐射光射光谱的的变化化规律；律；v在某一波在某一波长上，黑体光上，黑体光谱辐射力会达到一射力会达到一个峰个峰值，对应波波长称称为峰峰值波波长；v曲曲线与横坐与横坐标围成的面成的面积表示黑体表示黑体辐射力射力的大小；的大小；vmm与与T T 的关系由的关系由WienWien位移定律位移定律给出：出：第32页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学二二.Stefan-Boltzmann.Stefan-Boltzmann定律定律(第二个定律第二个定律)：式中，式中，b b=5.6710=5.6710-8-8 w/(m w/(m2 2 K K4 4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。v针对黑体黑体发射的能量射的能量对半球空半球空间所有方向所有方向及全部波及全部波长范范围而言；而言；v描述黑体描述黑体辐射力射力E Eb b随随T T的的变化化规律；律；v依据：依据：18791879年，年，StefanStefan实验；18841884年，年，BoltzmannBoltzmann热力学理力学理论；现可直接由可直接由PlankPlank定律定律导出。出。第33页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学黑体在波黑体在波长11和和22区段内所区段内所发射的射的辐射力，如射力，如图所示：所示：特定波特定波长区段内的黑体区段内的黑体辐射力射力 黑体辐射函数（黑体辐射函数（计算某一波段的辐射能计算某一波段的辐射能计算某一波段的辐射能计算某一波段的辐射能）第34页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学黑体黑体辐射函数：黑体在射函数：黑体在0 0波波长范范围内的内的辐射能在射能在其其辐射力中所占的份射力中所占的份额。例例8-2；8-3黑体黑体黑体黑体辐辐射函数射函数射函数射函数见见表表表表8-18-18-18-1某一波段内某一波段内辐射能份射能份额：第35页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学试分分别计算温度算温度为1000K1000K、1400K1400K、3000K3000K、6000K6000K时可可见光和光和红外外辐射在黑体射在黑体总辐射中所占的份射中所占的份额。辐射与射与颜色的关系：色的关系：夏天穿白色衣服凉快，因夏天穿白色衣服凉快，因为我我们吸收的是太阳吸收的是太阳辐射射(0.2-2(0.2-2 m)m)可可可可见见光占比例很大。光占比例很大。光占比例很大。光占比例很大。地球上物体的地球上物体的地球上物体的地球上物体的辐辐射不同，因温度低（射不同，因温度低（射不同，因温度低（射不同，因温度低（2000K以下）以下）以下）以下），多与，多与，多与，多与颜颜色无关。色无关。色无关。色无关。例例题：第36页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学三三.Lambert.Lambert 定律定律(黑体辐射的第三个基本定律黑体辐射的第三个基本定律黑体辐射的第三个基本定律黑体辐射的第三个基本定律)v描述黑体辐射能量沿半球空间方向的变化规律；描述黑体辐射能量沿半球空间方向的变化规律；v漫表面：既是漫辐射又是漫反射。漫表面：既是漫辐射又是漫反射。漫辐射：物体发射的辐射强度与方向无关的性质；漫辐射：物体发射的辐射强度与方向无关的性质；漫反射：反射的辐射强度与方向无关的性质；漫反射：反射的辐射强度与方向无关的性质；漫表面的性质：发射和反射辐射强度与方向无关；漫表面的性质：发射和反射辐射强度与方向无关；vLambert Lambert 定律：定律：表明：表明：黑体表面具有漫黑体表面具有漫黑体表面具有漫黑体表面具有漫辐辐射性射性射性射性质质，在半球空，在半球空，在半球空，在半球空间间各个方向上各个方向上各个方向上各个方向上的的的的辐辐射射射射强强度相等。度相等。度相等。度相等。I I与方向无关。与方向无关。与方向无关。与方向无关。第37页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学漫辐射表面定向辐射力与辐射强度间关系漫辐射表面定向辐射力与辐射强度间关系表明：表明：v单位位辐射面射面积上上发出的出的辐射能落到空射能落到空间不同不同方向方向单位立体角内的能量是不等的，其位立体角内的能量是不等的，其值正正比于比于该方向与方向与辐射面法射面法线夹角的余弦；角的余弦；v法法线方向的定向方向的定向辐射力最大，切射力最大，切线方向最小，方向最小，但其定向但其定向辐射射强度却相同；度却相同；v除黑体外，只有漫除黑体外，只有漫辐射表面才遵守射表面才遵守兰贝特定特定律。律。第38页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学辐射力辐射力E E与定向辐射强度的关系与定向辐射强度的关系漫漫辐射表面的射表面的辐射力是任意方向定向射力是任意方向定向辐射射强度的度的倍。倍。该定律描述了黑体及漫定律描述了黑体及漫辐射表面定向射表面定向辐射力按空射力按空间方向的分布方向的分布变化化规律。律。第39页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学思考题思考题v暖气取暖暖气取暖时与方向有关，太阳与方向有关，太阳辐射与方向射与方向有关，是否与有关，是否与LambertLamberts Law s Law 相矛盾？相矛盾？（黑体在任何方向上的定向（黑体在任何方向上的定向辐射射强度与方度与方向无关）向无关）答：将定向答：将定向辐射射强度定度定义变形得形得辐射能：射能：人与暖气的距离不人与暖气的距离不变时，d=constd=const，dA=constdA=const，I=constI=const，角度不同，角度不同，coscos不同，当不同，当=0=0时，辐射面射面获得的能量最多。得的能量最多。故故I I与方向无关，而与方向无关，而dd（）与方向有关。）与方向有关。第40页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学例题例题8-48-4v思路分析：思路分析：A A1 1AA2 2辐射，求投入射，求投入辐射能。射能。求得求得G A1A2l第41页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学例题例题8-48-4A1A2xld偏移偏移x距离距离 x=0.19m 第42页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学黑体小结黑体小结v黑体黑体辐射力射力E Eb b由四次方定律确定由四次方定律确定，v黑体黑体辐射能量按波射能量按波长分布服从分布服从PlanckPlancks Laws Law,按空按空间方向分布方向分布则服从服从LambertLamberts Laws Law；v黑体的光黑体的光谱辐射力射力E Ebb有峰有峰值，对应的波的波长maxmax由由WeinWeins Laws Law确定。随温度确定。随温度T T升高升高,maxmax向短波向短波移移动。第43页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学黑体的辐射特性和吸收特性黑体的辐射特性和吸收特性v辐射特性：漫射体性质辐射特性：漫射体性质向半球空间各个方向发射的辐射强度是均匀向半球空间各个方向发射的辐射强度是均匀的；辐射能随的；辐射能随coscos变化；变化；在规定的温度下，黑体发射的辐射能按波在规定的温度下，黑体发射的辐射能按波长分布不均匀；长分布不均匀；和其他任何物体比较，以黑体发射的辐射能最和其他任何物体比较，以黑体发射的辐射能最多；多；v吸收特性吸收特性吸收率：表示物体吸收投射辐射的能力吸收率：表示物体吸收投射辐射的能力黑体黑体1 1第44页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学四四.实际固体和液体固体和液体的的辐射特性射特性1 1、发射率射率v前面定前面定义了黑体的了黑体的发射特性：同温度下，黑体射特性：同温度下，黑体发射射热辐射的能力最射的能力最强，包括所有方向和所有波，包括所有方向和所有波长；v真真实物体表面的物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；射能力低于同温度下的黑体；v因此，定因此，定义了了发射率射率(也称也称为黑度黑度)：相同温度下，：相同温度下，实际物体的半球物体的半球总辐射力与黑体半球射力与黑体半球总辐射力之比射力之比:第45页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学上面公式只是上面公式只是针对方向和波方向和波长平均的情况，但平均的情况，但实际上，上，真真实表面的表面的发射能力是随方向和波射能力是随方向和波长变化的。化的。WavelengthDirection(angle from the surface normal)第46页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学因此，我因此，我们需要定需要定义光光谱定向定向发射率射率，对于某一指定的方于某一指定的方向向(,)和波和波长 对上面公式在所有波上面公式在所有波长范范围内内积分，可得到方向分，可得到方向总发射射率，即率，即实际物体的物体的定向定向发射率射率：第47页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学对于指定波于指定波长，而在方向上平均，而在方向上平均的情况，的情况，则定定义了半球了半球光光谱发射射率率，即，即实际物体的光物体的光谱辐射力射力与黑体的光与黑体的光谱辐射力之比射力之比如果已知某物体的如果已知某物体的发射率射率，则该物体的物体的辐射力射力为：第48页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学漫漫发射射的概念：表面的定向的概念：表面的定向发射率射率 与方向无关，与方向无关，即定向即定向辐射射强度与方向无关，度与方向无关，满足上足上诉规律的表面律的表面称称为漫漫发射面，射面，这是是对大多数大多数实际表面的一种很好表面的一种很好的近似。的近似。几种金属几种金属导体在不同方向上的定向体在不同方向上的定向发射率射率()(t=150)2 2、定向、定向发射率与漫射表面射率与漫射表面 第49页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学几种非几种非导电体材料在不同方向上的定向体材料在不同方向上的定向发射率射率 (t=093.3)第50页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学但从但从图中可以看出，金属在中可以看出，金属在=0-400-40o o、非金属在、非金属在=0-60=0-60o o的的单色色发射率基本射率基本为常数，所以常数，所以较为粗粗糙的糙的实际物体表面可作物体表面可作为漫射表漫射表面面处理，但其理，但其发射率射率应做如下修做如下修正：正：（非金属）（非金属）（磨光金属表面）（磨光金属表面）实际物体物体辐射方向修正射方向修正第51页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学各朝向各朝向辐射同性的表面称射同性的表面称为漫漫辐射表面，射表面，f()f()；f()f()符合符合兰贝特余弦定律；特余弦定律；定向吸收比与空定向吸收比与空间方向无关。方向无关。辐射力符合四次方定律：射力符合四次方定律：E=EE=Eb b=E Eb b一般一般较为粗糙的粗糙的实际物体表面可作物体表面可作为漫射表面漫射表面处理。理。漫射表面：漫射表面：第52页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学3 3、光谱辐射率与灰体、光谱辐射率与灰体 v实际材料表面的光材料表面的光谱辐射力不遵守普朗克定律，或射力不遵守普朗克定律，或者者说不同波不同波长下光下光谱发射率随波射率随波长的的变化比化比较大，大，并且不并且不规则。v某一温度下，某一温度下，实际物体的物体的单色色辐射力随波射力随波长的的变化是不化是不规则的。但工程上，的。但工程上，实际物体一般可用物体一般可用灰灰体体近似替代。近似替代。第53页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学灰体：灰体：v灰体：是指物体光灰体：是指物体光谱辐射力与同温度黑体光射力与同温度黑体光谱辐射力射力随波随波长的的变化曲化曲线相似，或它的相似，或它的单色色发射率不随波射率不随波长变化，即：化，即：f()f()；f()f()v辐射是射是连续的光的光谱：E E=E Eb,b,v辐射力符合四次方定律：射力符合四次方定律：E=EE=Eb b=E Eb b一般一般实际物体表面在物体表面在红外外线波波长范范围内，可以近似作内，可以近似作为灰体灰体处理。理。第54页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学(1)(1)实际物物体体的的辐射射力力与与黑黑体体和和灰灰体的体的辐射力的差射力的差别见图；(2)(2)实际物物体体的的辐射射力力并并不不完完全全与与热力学温度的四次方成正比；力学温度的四次方成正比；(3)(3)实际物物体体的的定定向向辐射射强度度也也不不严格格遵守遵守LambertLambert定律，定律，实际物体、黑体和灰体的辐实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱射能量光谱因此，他因此，他们一般需要一般需要实验来确定，形来确定，形式也可能很复式也可能很复杂。在工程上一般都将。在工程上一般都将真真实表面假表面假设为漫射表面漫射表面。实际物体物体在在红外波段范外波段范围内可近似内可近似视为灰体灰体。实际物体的物体的辐射特性射特性第55页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学1.1.将不确定因素将不确定因素归于修正系数，于修正系数，这是由于是由于热辐射非常复射非常复杂，很，很难理理论确定，确定，实际上是一种上是一种权宜之宜之计；2.2.服从服从LambertLambert定律的表面成定律的表面成为漫射表面。漫射表面。虽然然实际物体物体的定向的定向发射率并不完全符合射率并不完全符合LambertLambert定律，但仍然近似定律，但仍然近似地地认为大多数工程材料服从大多数工程材料服从LambertLambert定律，定律，这有有许多原因；多原因；3.3.物体表面的物体表面的发射率取决于物射率取决于物质种种类、表面温度和表面、表面温度和表面状况。状况。这说明明发射率只与射率只与发射射辐射的物体本身有关，射的物体本身有关，而不涉及外界条件。而不涉及外界条件。注意注意第56页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学五五.基基尔霍夫定律霍夫定律 上一上一节简单介介绍了了实际物体的物体的发射情况，那么当外界的射情况，那么当外界的辐射投入到物体表面上射投入到物体表面上时，该物体物体对投入投入辐射吸收的情况射吸收的情况又是如何呢？本又是如何呢？本节将将对其作出解答。其作出解答。Semi-transparent medium第57页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学1.1.投入投入辐射射：单位位时间内投射到内投射到单位表面位表面积上的上的总辐射能。射能。2.2.选择性吸收性吸收：投入：投入辐射本身具有光射本身具有光谱特性，因此，特性，因此，实际物物体体对投入投入辐射的吸收能力也根据其波射的吸收能力也根据其波长的不同而的不同而变化，化，这叫叫选择性吸收。性吸收。3.3.吸收比吸收比：物体：物体对投入投入辐射所吸收的百分数，通常用射所吸收的百分数，通常用 表示表示，即即首先介首先介首先介首先介绍绍几个概念：（几个概念：（几个概念：（几个概念：（实际实际物体的吸收特性）物体的吸收特性）物体的吸收特性）物体的吸收特性）第58页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学4 4 光光谱吸收比吸收比：物体：物体对某一特定波某一特定波长的的辐射能所吸射能所吸收的百分数。光收的百分数。光谱吸收比随波吸收比随波长的的变化体化体现了了实际物体的物体的选择性吸收的特性。性吸收的特性。灰体：灰体：光光谱吸收比与波吸收比与波长无关的物体称无关的物体称为灰体。此灰体。此时，不管投入不管投入辐射的分布如何，吸收比射的分布如何，吸收比 都是同一个常数。都是同一个常数。第59页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学根据前面的定根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性可知，物体的吸收比除与自身表面性质的的温度有关外，温度有关外，还与投入与投入辐射按波射按波长的能量分布有关。的能量分布有关。设下下标1 1、2 2分分别代表所研究的物体和代表所研究的物体和产生投入生投入辐射的物体，射的物体，则物物体体1 1的吸收比的吸收比为第60页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学如果投入如果投入辐射来自黑体，由于射来自黑体，由于 ，则上式可上式可变为第61页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学基基尔霍夫定律推霍夫定律推导：第62页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学如如图所示，板所示，板1 1是黑体，板是黑体，板2 2是任意物体，参数分是任意物体，参数分别为E Eb b,T1 以及以及E E,T2，则当系当系统处于于热平衡平衡时，有，有 平行平板平行平板间的的辐射射换热表明在表明在表明在表明在热热平衡条件下，表面平衡条件下，表面平衡条件下，表面平衡条件下，表面单单色定色定色定色定向向向向发发射率等于它的射率等于它的射率等于它的射率等于它的单单色定向吸收率。色定向吸收率。色定向吸收率。色定向吸收率。基基尔霍夫定律推霍夫定律推导：第63页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学(1)(1)整个系整个系统处于于热平衡状平衡状态；(2)(2)如物体的吸收比和如物体的吸收比和发射率与温度有关，射率与温度有关，则二者只有二者只有处于同一温度下的于同一温度下的值才能相等；才能相等；(3)(3)投射投射辐射源必射源必须是同温度下的黑体。是同温度下的黑体。为了将了将Kirchhoff Kirchhoff 定律推向定律推向实际的工程的工程应用，人用，人们考察、考察、推推导了多种适用条件，形成了了多种适用条件，形成了该定律不同定律不同层次上的表达次上的表达式，式，见下表。下表。该该式具有如下限制：式具有如下限制：式具有如下限制：式具有如下限制：第64页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向光谱，半球光谱，半球全波段全波段.定向定向全波段，半球全波段，半球无条件，无条件，为天顶角为天顶角漫射表面漫射表面灰表面灰表面与黑体处于热平衡或对与黑体处于热平衡或对漫灰表面漫灰表面Kirchhoff Kirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式(1)(1)漫射表面：指漫射表面：指发射或反射的定向射或反射的定向辐射射强度与空度与空间方方向无关，即符合向无关，即符合LambertLambert定律的物体表面；定律的物体表面；(2)(2)灰体：指灰体：指单色吸收率与波色吸收率与波长无关的物体，其无关的物体，其发射和吸收射和吸收辐射与黑体在形式上完全一射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的，只是减小了一个相同的比例。比例。第65页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学本章小结本章小结v基本概念：基本概念：黑体、漫射表面、灰体、漫黑体、漫射表面、灰体、漫-灰表面、灰表面、发射率、吸收比、射率、吸收比、辐射射强度、度、辐射力射力v基本定律基本定律普朗克定律普朗克定律斯蒂芬斯蒂芬-玻玻尔兹曼定律曼定律兰贝特余弦定律特余弦定律基基尔霍夫定律霍夫定律第66页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学例题练习例题练习例例题1 1：=与与=的区的区别是什么？是什么？答：区答：区别在于在于=的适用条件的适用条件为灰体表灰体表面，而面，而=的适用条件的适用条件为漫射表面。漫射表面。第67页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学例例题2 2、应用用维恩定律解恩定律解释金属加金属加热过程的程的颜色色变化。化。答：维恩定律恩定律maxmaxT=2897.6 T=2897.6 m mK K表明，表明，物体随着温度物体随着温度T T的升高，的升高，maxmax向波向波长减小减小的方向移的方向移动。金属。金属发射的能射的能谱中可中可见光光部分的份部分的份额越来越多，其可越来越多，其可见光中的短光中的短波部分也越来越多，因而感波部分也越来越多，因而感觉到金属加到金属加热过程随着程随着T T升高升高颜色由黑逐色由黑逐渐变为暗暗红、橘橘红、鲜红，甚至白亮色。，甚至白亮色。例题练习例题练习第68页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学例题练习例题练习例例题3 3、试从从热辐射射观点分析，用点分析，用电炉来烘烤炉来烘烤某一工件，把工件放在某一工件，把工件放在电炉的正上方炉的正上方热得得快快还是放在是放在电炉的炉的边沿沿热得快？得快？为什么？什么？答：虽然不然不论是放在上方，是放在上方，还是放在是放在边沿，沿，工件被工件被辐射照射面射照射面积相同，所相同，所张立体角也立体角也相同，但一个是法向，一个是成相同，但一个是法向，一个是成角的偏角的偏向，而向，而E E=E=En ncoscos，所以工件放在，所以工件放在电炉正炉正上方上方(即法向即法向)得到的得到的辐射射热多，多，热得快。得快。第69页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学例例题4 4、实际物体表面的物体表面的发射率和吸收比主射率和吸收比主要受哪些因素影响？要受哪些因素影响？答：答：发射率射率与物体本身的性与物体本身的性质(种种类)、表面状况、温度及方向有关。吸收比表面状况、温度及方向有关。吸收比与物体的种与物体的种类、表面状况及温度有关，、表面状况及温度有关，而且与入射的波而且与入射的波长有关。有关。例题练习例题练习第70页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学例例题5 5、何、何谓“漫漫灰表面灰表面”？有何有何实际意意义？答：答：1 1）“漫漫灰表面灰表面”是研究是研究实际物体表面物体表面时建立的建立的理想体模型。理想体模型。2 2）漫）漫辐射、漫反射指物体表面在射、漫反射指物体表面在辐射、反射射、反射时各方向相同。灰表面是指在同一温度下表面的各方向相同。灰表面是指在同一温度下表面的辐射光射光谱与黑体与黑体辐射光射光谱相似，吸收比也取定相似，吸收比也取定值。3 3）“漫漫灰表面灰表面”的的实际意意义在于将物体的在于将物体的辐射、反射、吸收等性射、反射、吸收等性质理想化，可理想化，可应用用热辐射的射的基本定律了。基本定律了。4 4）大部分工程材料可作）大部分工程材料可作为漫漫辐射表面，并在射表面，并在红外外线波波长范范围内近似看作灰体。从而可将基内近似看作灰体。从而可将基尔霍夫定律霍夫定律应用用于于辐射射换热计算中。算中。例题练习例题练习第71页，讲稿共76张，创作于星期二2023/4/13李琼传热学课后思考题课后思考题：（：（P P223223）1、相同点：都依靠相同点：都依靠电磁波磁波传递能量；能量；不同点：不同点：热辐射的射的电磁波具有磁波具有热效效应。2 2、太阳灶的受、太阳灶的受热面：利用吸收特性，吸收太面：利用吸收特性，吸收太阳的可阳的可