传热学第八章PPT讲稿.ppt

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1、传热学第八章1第1页，共43页，编辑于2022年，星期四8-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念1.热辐射特点热辐射特点(1)(1)定义定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)(2)特点特点：a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 0 K，就会不停地向周围空，就会不停地向周围空间发出热辐射；间发出热辐射；b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐发射辐射取决于温度的射取决于温度的4次

2、方。次方。2.电磁波谱电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图电磁辐射包含了多种形式，如图7-17-1所示，而我们所感兴趣的，即工所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为业上有实际意义的热辐射区域一般为0.11000.1100mm。电磁波的传播速度：电磁波的传播速度：c=f 式中：式中：f 频率，频率，s-1;波长，波长，m2第2页，共43页，编辑于2022年，星期四电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱图7-13第3页，共43页，编辑于2022年，星期四当热辐射投射到物体表面上时，一般会发当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图生三种现象，即吸收、

3、反射和穿透，如图7-2所示。所示。3.3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 图图7.27.2物体对热辐射的吸物体对热辐射的吸收反射和穿透收反射和穿透4第4页，共43页，编辑于2022年，星期四对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：对于黑体：镜体或白体：镜体或白体：透明体：透明体：反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种图图7-3 镜反射镜反射图图7-4 漫反射漫反射5第5页，共43页，编辑于2022年，星期四1.1.黑体概念黑体概念黑体：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热辐

4、射能的物体，是上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。工制造出近似的人工黑体。图图7-5 7-5 黑体模型黑体模型8-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律6第6页，共43页，编辑于2022年，星期四辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。能量总和。(W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力E E：单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长包含某一给定波长)，物体

5、的单位表，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。面积向半球空间发射的能量。(W/m3)；2.2.热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法E、E关系关系:显然，显然，E和和E之间具有如下关系：之间具有如下关系：黑体一般采用下标黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的，黑体的光谱辐射力光谱辐射力为为Eb7第7页，共43页，编辑于2022年，星期四3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质黑体辐射的三个基本定律及相关性质 式中，式中，波长，波长，m m；T T 黑体温度，黑体温度，K K；c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.742103.74210-16-16

6、W W m m2 2；c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.4388101.438810-2-2 W W K K；(1)Planck(1)Planck定律定律(第一个定律第一个定律)：图图7-67-6是根据上式描绘的黑体是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依光谱辐射力随波长和温度的依变关系。变关系。mm与与T T 的关系由的关系由WienWien位移定位移定律给出，律给出，图图7-6 Planck 定律的图示定律的图示8第8页，共43页，编辑于2022年，星期四(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律(第二个定律第二个定律)：式中，式

7、中，=5.6710-8 w/(m2=5.6710-8 w/(m2 K4)K4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。(3)(3)黑体辐射函数黑体辐射函数黑体在波长黑体在波长11和和22区段内区段内所发射的辐射力，如图所发射的辐射力，如图7-77-7所所示：示：图图7-7 7-7 特定波长区段内的特定波长区段内的 黑体辐射力黑体辐射力9第9页，共43页，编辑于2022年，星期四定定义义：球球面面面面积积除除以以球球半半径径的的平平方方称称为为立立体体角角，单单位位：sr(球球面面度度)，如图，如图7-8和和7-9所示：所示：(4)(4)立体角立体角黑

8、体辐射函数黑体辐射函数:10第10页，共43页，编辑于2022年，星期四图图7-8 7-8 立体角定义图立体角定义图11第11页，共43页，编辑于2022年，星期四图图7-9 7-9 计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几何关系12第12页，共43页，编辑于2022年，星期四定义：定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图内发射的一切波长的能量，参见图7-107-10。(5)(5)定向辐射强度定向辐射强度L L(,)：图图7-10 7-10 定向辐射强度定向辐射强度 的定义图的定义图(

9、6)Lambert 定律定律(黑体辐射的第黑体辐射的第 三个基本定律三个基本定律)它说明黑体的定向辐射力随天顶角它说明黑体的定向辐射力随天顶角 呈余呈余弦规律变化，见图弦规律变化，见图7-11，因此，因此，Lambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。13第13页，共43页，编辑于2022年，星期四图图7-11 Lambert7-11 Lambert定律图示定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:E:14第14页，共43页，编辑于2022年，星期四黑体辐射规律小结v黑体的辐射力由stefan-boltzman定律确定，正比于热力学温度

10、的四次方v黑体的辐射能量按波长的分布服从planck定律v按空间方向的分布服从lambert定律v黑体的光谱辐射力有峰值，所对应的波长有wein定律确定，随着温度的升高，往波长短的方向移动15第15页，共43页，编辑于2022年，星期四v例题8-4 P364v立体角，可视面积，（定向）辐射强度16第16页，共43页，编辑于2022年，星期四 8-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性1 发射率发射率v前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；力最强，包括所有方向和所有波长；v真实物体

11、表面的发射能力低于同温度下的黑体；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；v因此，定义了发射率因此，定义了发射率(也称为黑度也称为黑度)：相同温度下，实际：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:17第17页，共43页，编辑于2022年，星期四上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。发射能力是随方向和光谱变化的。WavelengthDirection(angle from the surface normal)18第18页，共43

12、页，编辑于2022年，星期四因此，我们需要定义因此，我们需要定义方向光谱发射率方向光谱发射率，对于某一指定的方向，对于某一指定的方向(,)和波长和波长 对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率，即对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率，即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：19第19页，共43页，编辑于2022年，星期四对于指定波长，而在方向上平均的情对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了半球光谱发射率，即况，则定义了半球光谱发射率，即实实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力

13、之比射力之比这样，前面定义的半球总发射率则可以写为：这样，前面定义的半球总发射率则可以写为：半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均20第20页，共43页，编辑于2022年，星期四 对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力，光谱辐射力Eb 和定向辐射强度和定向辐射强度L，分别，分别引入了三个修正系数，即，发射率引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率，光谱发射率()和定向发射率和定向发射率()，其表达式和物理意义如下，其表达式和物理意义如下实际物体的辐射力与黑实际物体的辐射力与黑体辐射力之比体辐射力之比:实际物体的光谱辐射力实际物体的光

14、谱辐射力与黑体的光谱辐射力之与黑体的光谱辐射力之比：比：实际物体的定向辐射强实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：度之比：21第21页，共43页，编辑于2022年，星期四漫发射漫发射的概念：表面的方向发射率的概念：表面的方向发射率 ()与方向无关，即定向辐与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫发射面，这是对射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。大多数实际表面的一种很好的近似。图图7-15 几种金属导体在不同方向上的定向发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率()(t=150)22第22页，

15、共43页，编辑于2022年，星期四图图7-16 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率()(t=093.3)23第23页，共43页，编辑于2022年，星期四前前面面讲讲过过，黑黑体体、灰灰体体、白白体体等等都都是是理理想想物物体体，而而实实际际物物体体的的辐辐射射特特性性并并不不完完全全与与这这些些理理想想物物体体相相同同，比比如如，(1)(1)实实际际物物体体的的辐辐射射力力与与黑黑体体和和灰灰体体的的辐辐射射力力的的差差别别见见图图7-147-14；(2)(2)实实际际物物体体的的辐辐射射力力并并不不完完全全与与热热力力学学温温度度的的四四次次方方

16、成成正正比比；(3)(3)实实际际物物体体的的定定向向辐辐射射强强度度也也不不严严格格遵遵守守LambertLambert定定律律，等等等等。所所有有这这些些差差别别全全部部归归于于上上面面的的系系数数，因因此此，他他们们一一般般需需要要实实验验来来确确定定，形形式式也也可可能能很很复复杂杂。在在工工程程上一般都将真实表面假设为漫发射面。上一般都将真实表面假设为漫发射面。图图7-14 实际物体、黑体和灰实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱体的辐射能量光谱24第24页，共43页，编辑于2022年，星期四本节中，还有几点需要注意本节中，还有几点需要注意1.1.将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射

17、非常复杂，很难将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难理论确定，实际上是一种权宜之计；理论确定，实际上是一种权宜之计；2.2.服从服从LambertLambert定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定向发射定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合率并不完全符合LambertLambert定律，但仍然近似地认为大多数工程材料定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从服从LambertLambert定律，这有许多原因；定律，这有许多原因；3.3.物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发

18、射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。25第25页，共43页，编辑于2022年，星期四例例8-8：试试计计算算温温度度处处于于1400的的碳碳化化硅硅涂涂料料表表面面的辐射力。的辐射力。解：解：由表由表82查得当查得当10101400时，碳化硅时，碳化硅 的的 n=0.820.92，故可取对应，故可取对应1400的的 n为为0.92，即，即 =n=0.92，辐射力为：辐射力为：26第26页，共43页，编辑于2022年，星期四例例8-6：实实验验测测得得2500K钨钨丝丝的的法法向向单单色色发发射射率率如如图图所所示示，计算其辐射力及

19、发光效率。计算其辐射力及发光效率。解：解：0.450.450.10.1/mm1 2 31 2 3由于由于设钨丝为漫射表面设钨丝为漫射表面 27第27页，共43页，编辑于2022年，星期四由表由表8-1查得查得:（2）计计算算可可光光范范围围的的辐辐射射能能，取取可可见见光光波波长长为为0.380.76 m28第28页，共43页，编辑于2022年，星期四由表由表8-1查得查得:则，可见光范围的辐射能为：则，可见光范围的辐射能为：发光效率为发光效率为:可见发光效率很低。可见发光效率很低。29第29页，共43页，编辑于2022年，星期四8-4 8-4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和

20、基尔霍夫定律 上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的辐射上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？本节将对其作出解答。何呢？本节将对其作出解答。Semi-transparent medium30第30页，共43页，编辑于2022年，星期四1.1.投入辐射投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2.2.选择性吸收选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际 物体对投入辐射的吸收

21、能力也根据其波长的不同而变物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变 化，这叫选择性吸收化，这叫选择性吸收3.3.吸收比吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用 表表 示示，即，即首先介绍几个概念：首先介绍几个概念：31第31页，共43页，编辑于2022年，星期四(4)光谱吸收比光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。实际物体的选择性吸收的特性。图图7-17和和7-18分别给出

22、了室温下几种材料的光谱吸收比同波长分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。的关系。图图7-17 金属导电体的光谱吸收比同波长的关系金属导电体的光谱吸收比同波长的关系32第32页，共43页，编辑于2022年，星期四图图7-18 7-18 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系灰体灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比投入辐射的分布如何，吸收比 都是同一个常数。都是同一个常数。33第33页，共43页，编辑于2022年，星期四根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面

23、性质的温度有关根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1 1、2 2分别代表所分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1 1的吸收比为的吸收比为34第34页，共43页，编辑于2022年，星期四图图7-18给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。如果投入辐射来自黑体，由于如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为，则上式可变为35第35页，共43页，编辑于2022年，星期四图图7-19 7-19

24、 物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系36第36页，共43页，编辑于2022年，星期四 物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，而对另物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很多，但事情一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同时，也为其伤透往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给工程中辐了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大

25、麻烦，对此，一般处理方法，即射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一般处理方法，即灰体法灰体法，即将光谱吸收比，即将光谱吸收比 ()等效为常数，即等效为常数，即 =()=const)=const。并。并将将()与波长无关的物体称为灰体与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，它也是一种理，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；忍的；37第37页，共43页，编辑于2022年，星期四在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者之间在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者

26、之间具有什么样的联系，具有什么样的联系，18591859年，年，Kirchhoff Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问用热力学方法回答了这个问题，从而提出了题，从而提出了Kirchhoff Kirchhoff 定律。定律。最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图图7-207-20所示，板所示，板1 1时黑体，板时黑体，板2 2是任意物体，参数分别为是任意物体，参数分别为E Eb b,T T1 1 以及以及E E,T,T2 2，则当系统处于热平衡时，有，则当系统处于热平衡时，有 图图7-20 7-20 平行平板间平行平板

27、间的辐射换热的辐射换热38第38页，共43页，编辑于2022年，星期四 此即此即Kirchhoff Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下限制限制：(1)(1)整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；(2)(2)如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；温度下的值才能相等；(3)(3)投射辐射源必须是同温度下的黑体投射辐射源必须是同温度下的黑体。

28、为了将为了将Kirchhoff Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式，推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式，见表见表7-27-2。39第39页，共43页，编辑于2022年，星期四层层 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，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表表8-3 Kirchhoff 8-3 Kirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式

29、注：注：(1)(1)漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合LambertLambert定律的物体表面；定律的物体表面；(2)(2)灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。40第40页，共43页，编辑于2022年，星期四例例8-7：一火床炉墙内表面温度为一火床炉墙内表面温度为500K，其光谱发射率，其光谱发射率可近似地表示为：可近似地表示为：1.5 m时时,

30、()=0.1;=1.5 10 m时时,()=0.5;10 m时时,()=0.8。（非灰体）；。（非灰体）；炉墙内壁接受来自燃烧着的煤层的辐射，煤层温度为炉墙内壁接受来自燃烧着的煤层的辐射，煤层温度为2000K。设煤层的辐射可作为黑体辐射，炉墙为漫射表。设煤层的辐射可作为黑体辐射，炉墙为漫射表面，试计算炉墙发射率及其对煤层辐射的吸收比。面，试计算炉墙发射率及其对煤层辐射的吸收比。分析：（分析：（1）41第41页，共43页，编辑于2022年，星期四查表得查表得查表得查表得故故（2）按吸收比定义：）按吸收比定义：因为炉墙是漫射的，因为炉墙是漫射的，故有故有:42第42页，共43页，编辑于2022年，星期四其中的辐射函数是其中的辐射函数是2000K下的值：下的值：查表查表8-1得：得：所以：所以：这这里里(T1)=0.61，而而(T1,T2)=0.395，。这这是是由由于于在在所研究的波长范围内，所研究的波长范围内，()不是常数所致。不是常数所致。查得：查得：而而43第43页，共43页，编辑于2022年，星期四