工程热力学与传热学16)热辐射与辐射换热.pptx

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1、 第第十六十六章章 热辐射和辐射换热热辐射和辐射换热 第一节第一节 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 一、辐射和热辐射一、辐射和热辐射辐辐射射：从从宏宏观观的的角角度度、辐辐射射是是连连续续的的电电磁磁波波传传递递能能量量的的过过程程；从从微微观观的的角角度度，辐辐射射是是不不连连续续的的量量子子传传递递能能量量的的过过程程。因因此此，物物体体向向外外界界以以电电磁磁波波的的形形式式发发射射携携带带能能量量的的量量子子的的过程称为辐射过程称为辐射。辐辐射射能能：通通过过辐辐射射所所传传递递的的能能量量称称为为辐辐射射能能(也把辐射这个术语用来表明辐射能本身也把辐射这个术语用来表明辐射能本身)。

2、热热辐辐射射：通通常常把把物物质质由由于于自自身身与与温温度度有有关关的的原因原因而激而激发产发产生的生的电电磁波磁波传传播称播称为为热辐热辐射射。p任何物体在绝对零度以上都能发射出电磁波任何物体在绝对零度以上都能发射出电磁波。p物物质质可可对对外外发发射射从从零零到到无无穷穷大大的的任任何何波波长长的的电电磁磁波波，激激发发方方式式不不同同，所所产产生生的的电电磁磁波波波波长长就就不相同，它们投射到物体上产生的效应也不同。不相同，它们投射到物体上产生的效应也不同。p热射线：热射线：0.1m100m0.1m100m；可见光：可见光：0.38m0.76m0.38m0.76mp热热辐辐射射是是电电

3、磁磁波波多多种种辐辐射射形形式式的的一一种种，所所有有电电磁磁辐辐射射都都以以光光速速进进行行传传播播，其其值值等等于于辐辐射射波波长长与频率的乘积与频率的乘积：c c (1616-1)-1)式中式中 c c 光速；光速；波长；波长；频率。频率。p热热辐辐射射的的传传播播是是以以不不连连续续的的量量子子形形式式进进行行的的，每个量子的能量每个量子的能量为：为：E Ehh (1616-2)-2)式中式中 h普朗克常数，其值为普朗克常数，其值为6.625610-34JS。p辐辐射射换换热热：物物体体之之间间相相互互辐辐射射和和相相互互吸吸收收过过程程的的总总效果，称为辐射换热。效果，称为辐射换热。

4、p特点特点：1 1、不不依依靠靠物物体体间间相相互互接接触触而而进进行行热热量量传传递递，只只要要彼彼此此可见的物体就能互相进行热辐射。可见的物体就能互相进行热辐射。2 2、辐辐射射换换热热过过程程伴伴随随着着能能量量形形式式的的两两次次转转化化，即即物物体体的的部部分分内内能能转转化化为为辐辐射射能能发发射射出出去去，当当射射及及另另一一物物体体表面而被吸收时，辐射能又转化为该物体的内能。表面而被吸收时，辐射能又转化为该物体的内能。3 3、辐辐射射换换热热过过程程中中，高高温温物物体体向向低低温温物物体体辐辐射射能能量量的的同同时时，低低温温物物体体也也向向高高温温物物体体辐辐射射能能量量，

5、热热辐辐射射是是双双向的向的。能量最终由高温物体传向低温物体。能量最终由高温物体传向低温物体。二、辐射能的吸收、反射和透射二、辐射能的吸收、反射和透射 各各种种辐辐射射射射线线都都是是电电磁磁波波，因因而而它它们们之之间间并并无无绝绝对对的的对对立立，可可见见光光与与不不可可见见的的热热射射线线也也无无本本质质的的区区别别。当当热热辐辐线线投投射射到到物物体体上上时时，和和可可见见光光一一样样也也有有吸吸收收，反反射射和和透透射射现现象象发发生。生。p 根据能量守恒原则：根据能量守恒原则：GGGG G/GG/GG/G1 其中：其中：G G/G/G、G G/G/G、G G/G/G分别称为该物体对

6、投射辐射的分别称为该物体对投射辐射的吸收率，反射率和透射率吸收率，反射率和透射率p 依次用符号依次用符号、表示，即有：表示，即有：1 1 (16-3a)p单单色色辐辐射射：在在某某个个特特定定波波长长下下的的辐辐射射称称为为单单色色辐辐射射，如如果果投投射射能能量量是是单单色色辐辐射射，上上述述关关系系也也同样适用。同样适用。(1616-3b)-3b)式式中中:、分分别别为为单单色色吸吸收收率率、单单色色反射率和单色透射率反射率和单色透射率。p 、和和、是是物物体体表表面面的的辐辐射射特特性性，与与物物体体的的性性质质、温温度度及及表表面面状状况况有有关关。、还和投射能量的波长分布有关。还和投

7、射能量的波长分布有关。p 固固体体和和液液体体不不允允许许热热辐辐射射透透过过。透透射射率率，即即。即即：吸吸收收能能力力大大的的物物体体其其反反射射本本领领就就小小；反反之之吸吸收收能能力力小的物体其反射本领就大小的物体其反射本领就大。p 气气体体对对辐辐射射能能几几乎乎没没有有反反射射能能力力，可可认认为为反反射射率率，即即。显显然然，吸吸收收性性大大的的气气体体，其其穿穿透透性性就就差差。多原子气体才具有吸收能力。多原子气体才具有吸收能力。p 固固体体和和液液体体物物体体表表面面状状况况对对这这些些特特性性的影响是至关重要的。的影响是至关重要的。辐辐射射能能投投射射到到物物体体表表面面后

8、后的的反反射射现现象象，也也和和可可见见光光一一样样有有镜镜面面反反射射和和漫漫反反射射两两种种情情况况。当当表表面面不不平平整整尺尺寸寸（表表面面粗粗糙糙度度）小小于于投投射射辐辐射射的的波波长长时时，形形成成镜镜面面反反射射，此此时时入入射射角角等等于于反反射射角角。当当表表面面不不平平整整尺尺寸寸（表表面面粗粗糙糙度度）大大于于投投射射辐辐射射的的波波长长时时，入入射射射射线线被被反反射射后后沿沿各各个个方方向向均均匀匀分分布布、形形成成漫漫反反射射。一一般工程材料的表面大都形成漫反射。般工程材料的表面大都形成漫反射。自自然然界界所所有有物物体体的的吸吸收收率率，反反射射率率和和透透射射

9、率率的的数数值值都都在在 0 0到到1 1 的的范范围围内内变变化化，每每个个量量的的数数值值又又因因具具体体条条件件不不同同而而千千差差万万别别。为为了了使使问问题题简简化化，可可以以从从理理想想物物体体入入手进行研究。手进行研究。黑黑体体：如如果果物物体体能能全全部部吸吸收收外外来来辐辐射射线，则称为黑体，即线，则称为黑体，即；白白体体：如如果果物物体体全全部部反反射射外外来来射射线线，则则不不论论镜镜面面反反射射或或漫漫反反射射均均称称为为白白体体，即即；透透明明体体：如如果果物物体体能能被被外外来来射射线线所所全全部透射，则称为透明体，即部透射，则称为透明体，即。自自然然界界中中并并不

10、不存存在在绝绝对对的的黑黑体体、白白体体和和透透明明体体，它它们们只只是是实实际际物物体体热热辐辐射射性性能能的的理理想想模模型型。但但也也存存在在接接近近理理想想模模型型的的实实际际物物体体，如如吸吸收收力力很很强强的的煤煤烟烟炱炱和和黑黑丝丝绒绒等等，0.970.97；高高度度磨磨光光的纯金的纯金.p黑体、白体和透明体都是对黑体、白体和透明体都是对全波长全波长射线而言的。射线而言的。p不不能能按按物物体体的的颜颜色色来来判判断断（可可见见光光只只是是全全波波长长射射线线中中的的一一小小部部分分），白白颜颜色色的的的的物物体体不不一一定定是是白白体体。例例如如雪雪对对可可见见光光吸吸收收率率

11、很很小小，但但对对全全波波长长射射线线其其吸吸收收率率0.980.98，非非常常接接近近黑黑体体；白白布布和和黑黑布布对对可可见见光光的的吸吸收收率率不不同同，但但对对红红外外线线的的吸吸收收率率基基本本相相同同，普普通通玻玻璃璃能能透透过过可可见见光光，对对3m3m的红外线几乎是不透明体。的红外线几乎是不透明体。p因因此此，物物体体对对外外来来辐辐射射的的吸吸收收和和反反射射能能力力是是和和物物体体的的性性质质、表表面面状状况况、所所处处温温度度和和发发射射物物体体的温度有关的温度有关。三、辐射强度和辐射力三、辐射强度和辐射力 辐辐射射强强度度是是物物体体表表面面朝朝向向某某给给定定方方向向

12、，对对垂垂直直于于该该方方向向的的单单位位面面积积，在在单单位位时时间间单单位位立立体体角角内内所所发发射射全全波波长长的的能能量量，用用符符号号表表示示，它它的的单单位位是是W(mSr)。SrSr是是立立体体角角的单位称为球面度。的单位称为球面度。若若辐辐射射强强度度仅仅指指某某波波长长下下波波长长间间隔隔dd范范围围内内所所发发射射的的能能量量，则则称称为为单单色色辐辐射射强强度度，用符号用符号I表示，单位是表示，单位是W(mmSr)p辐辐射射力力是是物物体体参参与与辐辐射射的的单单位位表表面面积积在在单单位位时时间间内内向向半半球球空空间间辐辐射射出出去去的的0 0波波长长范范围围内的总

13、能量，用符号内的总能量，用符号E E表示，单位是表示，单位是W Wm m。p单单色色辐辐射射力力指指若若辐辐射射力力仅仅指指某某波波长长下下波波长长间间隔隔dd范范围围内内所所发发射射的的能能量量。用用符符号号E E表表示示，单位是单位是W(mm)，第二节第二节 热辐射基本定律热辐射基本定律 黑黑体体作作为为理理想想辐辐射射体体，能能够够吸吸收收来来自自半半球球各各个个方方向向各各种种波波长长的的全全部部能能量量。黑黑体体吸吸收收率率最最大大，辐辐射射力力亦亦最最强强，是是一一个个理理想想化化的的物物体体。此此后后凡凡与与黑黑体体辐辐射射有有关关的的物物理理量量，均均以以右右下下角标角标“b”

14、表示。表示。一、普朗克定律一、普朗克定律(黑体辐射按波长分布的规律黑体辐射按波长分布的规律)普普朗朗克克定定律律即即黑黑体体单单色色辐辐射射力力E Ebb与与波波长长和和物物体体表面表面绝对温度绝对温度T T之间的函数关系式：之间的函数关系式：(1616-9)-9)其中：其中：C1=3.743108 wm4/m2 C2=1.4387104 m K 维恩位移定律维恩位移定律 德德国国物物理理学学家家维维恩恩在在18961896年年用用经经典典热热力力学学方方法法确确定定了了E Ebb为为最最大大值值时时的的波波长长maxmax与与温温度度T T之间的关系：之间的关系：maxT2897.6mK(1

15、6-10)二、斯蒂芬二、斯蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 上上式式说说明明：黑黑体体的的单单位位表表面面积积上上在在单单位位时时间间内内发发出出的的(包包括括全全波波长长范范围围的的)热热辐辐射射总总能能量量，和和它它的的绝绝对对温温度度四四次次方方成成正正比比。这这就就是是斯斯蒂芬蒂芬-玻尔兹曼定律，亦称玻尔兹曼定律，亦称四次方定律四次方定律。p波段辐射力波段辐射力:波段区间的辐射能。波段区间的辐射能。(1616-12a)-12a)pF Fb(b(）:波波段段辐辐射射力力占占同同温温度度下下黑黑体辐射力体辐射力E Eb b的百分数。的百分数。(1616-12b)-12b)例例8-2 8-2 试

16、试求求当当温温度度为为2000K2000K时时黑黑体体最最大大的的单单色色辐辐射射力力所所对对应应的的波波长长；此此时时可可见见光光与与红红外外线线在在总总辐辐射中所占份额各为多少射中所占份额各为多少?解解：应应用用式式(1616-10)-10)，该该黑黑体体最最大大的的辐辐射射力力所所对对应的波长应的波长max为：为：max2897.6/20001.4488m 可可见见光光的的波波长长范范围围为为0.380.380.76m0.76m，红红外外线线波波长长范范围围为为0.760.761000m1000m可可分分别别算算出出各各波波长长下下的的值并由表值并由表8-18-1查出对应的查出对应的Fb

17、(0T)值。值。0.38m T760mK F b(00.38)0.1 10-4 0.76m T1520mK Fb(00.76）0.1610-1 1000m T210mK Fb(01000）1.0可见光在总辐射中所占的份额可见光在总辐射中所占的份额Fb(0.380.76)0.0160.110-40.015991.599红外线在总辐射中所占的份额红外线在总辐射中所占的份额 Fb(0.76 1000)0.0160.984 98.4显显然然，在在这这样样的的温温度度下下，可可见见光光辐辐射射所占份额是微不足道的。所占份额是微不足道的。四、克希霍夫定律四、克希霍夫定律 黑黑度度 ：把把实实际际物物体体的

18、的辐辐射射力力E E与与同同温温度度下下黑黑体体的的辐辐射射力力E Eb b之之比比称称为为该该物物体体的的黑黑度度，用用符符号号表表示：示：E/b (16-18a)单单色黑度色黑度 ：是是实际实际物体的物体的单单色色辐辐射力与同射力与同温度下黑体的温度下黑体的单单色色辐辐射力之比射力之比。E/b或或EEb(16-18b)与与的关系为的关系为：灰灰体体是是指指物物体体的的单单色色辐辐射射率率即即黑黑度度与波长无关与波长无关的物体。的物体。灰体的辐射力遵循斯蒂芬灰体的辐射力遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律EEbbT (16-19a)cb（T/100)4 (16-19b)实实际际物物体体的的辐

19、辐射射力力并并非非严严格格遵遵守守四四次次方方定定律律，但但工工程程上上为为方方便便仍仍用用式式(1616-19)-19)来来计计算算，所所引引起起的的误误差差都都归归到到实实际际物物质质的的黑黑度度中中去去修修正正。此此外外，自自然然界界中中并并无无绝绝对对灰灰体体，它它仅仅作作为为一一种种假假想想物物体体。实实际际物物体体在在红红外外波波长范围内，可以近似地看作是灰体。长范围内，可以近似地看作是灰体。物物体体对对于于投投射射能能量量吸吸收收的的百百分分数数是是该该物物体体的的吸吸收收率率，实实际际物物体体的的吸吸收收率率既既决决定定于于投投入入射射线线的的方方向向和和波波长长，又又决决定定

20、于于物物体体本本身身的的材材料料、表表面面温温度度及及表表面面状状况况。引引入入灰灰体体概概念念后后，认认为为灰灰体体的的吸吸收收率率和和单单色色吸吸收收率率都都与与波波长长无无关关，大大小小仅仅取取决决于吸收表面的状况。于吸收表面的状况。实际物体在吸收与辐射之间内在联系实际物体在吸收与辐射之间内在联系p 克克希希霍霍夫夫揭揭示示了了与与周周围围环环境境处处于于热热平平衡衡状状态态下下实实际际物物体体的的黑黑度度与与吸吸收收率率之之间间的的关系。关系。有有两两块块相相距距很很近近而而面面积积又又很很大大的的平平行行平平板板。设设平平板板I I为为黑黑体体表表面面，其其辐辐射射力力为为E Eb

21、b，吸吸收收率率b b，表表面面温温度度T T；平平板板为为非非黑黑体体表表面面，其其辐辐射射力力为为E E，吸吸收收率率为为，黑黑度度为为，表表面面温温度度T T，分分析析两两平平板板在在单单位位时时间间，单单位位面积上的能量收支。面积上的能量收支。板板的能量收支为的能量收支为 qEbqEb当系统处于热平衡时当系统处于热平衡时T，q，则，则 Eb 或或 E/b 推广到任意物体：推广到任意物体：E E/E E/E/E/b b (1616-21)21)即即克克希希霍霍夫夫定定律律的的数数学学表表达达式式，它它说说明明任任何何物物体体的的辐辐射射力力与与其其吸吸收收率率之之比比恒恒等等于于同同温温

22、度度下下黑黑体体的的辐辐射射力力，并并只只和和温温度度有有关关。必必须须指指出出，这这一一关关系系是是在在热热平平衡衡的的条条件件下下推推导导出出来来，所所以以，在在实实际际物物体体和和黑黑体体构构成成的的系系统统中只有符合中只有符合热平衡条件热平衡条件时应用才正确时应用才正确。据黑度的概念，克希霍夫定律还可写作：据黑度的概念，克希霍夫定律还可写作：E/b(16-22a)对于特定波长，同理可有：对于特定波长，同理可有：(16-22b)这这是是克克希希霍霍夫夫定定律律的的又又一一表表达达式式，它它说说明明在在热热平平衡衡条条件件下下，任任意意物物体体的的吸吸收收率率等于同温度下该物体的辐射率等于

23、同温度下该物体的辐射率(黑度黑度)。对对于于灰灰体体，当当温温度度一一定定时时，灰灰体体的的吸吸收收率率和和黑黑度度也也是是一一定定的的，即即灰灰体体能能吸吸收收投投射射来来的的各各种种不不同同波波长长的的辐辐射射能能；同同时时灰灰体体向向外外发发射射能能量量时时，其其黑黑度度也也不不随随波波长长改改变变。根据克希霍夫定律，灰体有：根据克希霍夫定律，灰体有：(16-23)灰灰体体的的吸吸收收率率与与黑黑度度相相等等而而又又与与外外界界条条件件无无关关，也也就就无无所所谓谓是是否否处处于于热热平平衡衡的的条条件件了了。在在工工业业高高温温下下多多数数材材料料的的热热辐辐射射主主要要处处于于红红外外线线波波长长范范围围内内，材材料料的的值值随随的的变变化化不不大大因因此此允允许许把把工工程程材材料料作作为为灰灰体体处处理理。若若热热辐辐射射中中可可见见光光所所占占的的份份额额较较大大，则则不不能能把把材材料作灰体处理，否则将导致较大误差。料作灰体处理，否则将导致较大误差。