传热学第七章.pptx

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1、2023/4/141二、热辐射的特性描述（从电磁波角度）二、热辐射的特性描述（从电磁波角度）以光速在空间中传播u传播速度与波长、频率的关系范围广：从0 0到无穷。u电磁波的波长 一般为2000K2000K以下3108m/s工业上有实际意义的热辐射区域：一般为0.10.1100100mm。第1页/共29页2023/4/142电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱大部分能量聚积在红外线区段：0.760.7620m20m，在可见光区段：0.380.380.76mm，热辐射能量的比重不大。第2页/共29页2023/4/143当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象：（1）吸收（2）反射（3）穿透物体

2、对热辐射的吸收、反射和穿透 u物体表面对电磁波的作用第3页/共29页2023/4/144对于大多数的固体和液体：镜反射漫反射对于不含颗粒的气体：固体和液体的辐射和固体和液体的辐射和固体和液体的辐射和固体和液体的辐射和吸收具有在表面进行吸收具有在表面进行吸收具有在表面进行吸收具有在表面进行的特点，不涉及内部。的特点，不涉及内部。的特点，不涉及内部。的特点，不涉及内部。气体的辐射和吸收在整个容积内进行，气体的辐射和吸收在整个容积内进行，气体的辐射和吸收在整个容积内进行，气体的辐射和吸收在整个容积内进行，与表面状况无关。与表面状况无关。与表面状况无关。与表面状况无关。固体表面的两种反射第4页/共29

3、页2023/4/145绝对透明体（简称：透明体）：绝对黑体（简称黑体）：绝对镜体或绝对白体（简称：镜体或白体）：三、黑体模型及其重要性三、黑体模型及其重要性 由于不同物体的吸收比、反射闭合透射比的因不同条件不同差别很大，给辐射计算带来了困难。为方便计算，从理想物体入手研究。若小孔占内壁面积小于0.6%，当内壁的吸收比为0.6时，小孔的吸收比可大于0.996第5页/共29页2023/4/146 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，(W/m(W/m2 2)。一、热辐射能量的表示方法一、热辐射能量的表示方法7-2 黑体辐射的基本定律u辐射力（E）单位时间内，单位波长范围内

4、，物体的单位表面积向半球空间发射的能量，(W/m(W/m3 3)。u光谱辐射力E：第6页/共29页2023/4/147uE与E的关系注意：黑体一般采用下标b表示，则：（1）黑体的辐射力为Eb（2）黑体的光谱辐射力为Eb二、二、PlanckPlanck定律定律第一辐射常数，第一辐射常数，3.742103.74210-16-16 W W m m2 2第二辐射常数，第二辐射常数，1.4388101.438810-2-2 W W K Ku描述黑体光谱辐射力随波长和温度的变化关系德国人，诺贝尔获得者，量子力学的奠基人第7页/共29页2023/4/148 随着温度的升高，曲线峰值向较短波长移动。光谱辐射力

5、随波长的增加而增加，达到某一最大值后又随着波长的增加而减小。在同一波长下黑体温度越高，对应的光谱辐射力越大。u维恩定律 Eb最大处的波长随温度不同而变化，令德国人，诺贝尔获得者（1911年）第8页/共29页2023/4/149 黑体在波长1 1和2 2区段内所发射的辐射力。三、斯忒藩波耳兹曼三、斯忒藩波耳兹曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)定律定律u描述黑体辐射力随温度的变化关系5.67105.6710-8-8 w/w/(m(m2 2 K K4 4)u黑体辐射函数 斯忒藩在18791879年由实验的方法确定，18841884年由波耳兹曼从热力学关系式导出

6、。第9页/共29页2023/4/1410球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)u黑体辐射函数四、兰贝特（四、兰贝特（LambertLambert）定律）定律u立体角第10页/共29页2023/4/1411第11页/共29页2023/4/1412 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。黑体单位面积辐射出去的能量在空间的不同方向分布不均匀，随 呈余弦规律变化。u定向辐射强度L(,)uLambert 定律余弦定律对于黑体，L与角度无关第12页/共29页2023/4/1413沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:E:uLambert 定

7、律与波耳兹曼定律的关系第13页/共29页2023/4/1414 7-3 固体和液体的辐射特性一、实际物体的辐射力（一、实际物体的辐射力（E E）实际物体的辐射力E E总小于同温度下黑体的辐射力E Eb b发射率（黑度）：E E与E Eb b的比值。通过实验测定，取决于物体自身，与周围环境条件无关。二、实际物体的光谱辐射力（二、实际物体的光谱辐射力（E）实际物体的光谱辐射力随波长作不规则变化。第14页/共29页2023/4/1415实际物体的光谱辐射力小于同温度下黑体的光谱辐射力实际物体的光谱发射率与发射率之间的关系：光谱发射率（光谱黑度）：三、实际物体的定向辐射强度三、实际物体的定向辐射强度u

8、定向发射率（定向黑度）第15页/共29页2023/4/1416u定向发射率随角度的变化规律第16页/共29页2023/4/1417u定向发射率与平均发射率的关系 在半球空间的大部分范围内，定向发射率基本为常数，所以可用法向发射率代替：偏差修正系数 金属：M=1M=11.3(1.3(高度磨光表面用上限）非导体：M=0.95M=0.951.01.0除高度磨光表面外，工程上一般用M=1.0M=1.0第17页/共29页2023/4/1418四、需要注意的几点问题四、需要注意的几点问题u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。u虽然实际物体的定向发射率并不完

9、全符合Lambert定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律，有助于问题的简化。u物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况，与外界无关。第18页/共29页2023/4/14197-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系一、实际物体的吸收比一、实际物体的吸收比投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能。吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数。吸收比与两方面有关：吸收物体本身的情况投入辐射的特性（外界）第19页/共29页2023/4/1420u光谱吸收比定义：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，叫光谱吸收比。金属非金属第20页/共29页2023/4/1421光

10、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。u实际物体的吸收具有选择性应用（1）植物及蔬菜栽培过程中应用的温室效应。（2）焊接工人戴有色眼镜。u实际物体吸收的选择性带来的困难计算根据：（1）吸收一方的性质和温度。（2）投入一方的性质和温度。第21页/共29页2023/4/1422 设下标1 1、2 2分别代表所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：计算如果投入辐射来自黑体，则第22页/共29页2023/4/1423物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系第23页/共29页2023/4/1424二、灰体的概念及其工程应用二、灰体的概念及其工程应用灰体：光谱吸收比与波长无

11、关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比 都是同一个常数。在工程范围内，只要在所研究的波长范围内光谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假设即可成立。而在工程常见的温度范围（2000K2000K）内，许多工程材料都具有这一特点。第24页/共29页2023/4/142518591859年，Kirchhoff Kirchhoff 用热力学方法提出了Kirchhoff Kirchhoff 定律。三、基尔霍夫定律三、基尔霍夫定律 吸收比与发射率的关系吸收比与发射率的关系（1 1）板1 1为黑体：E Eb b ，T T1 1（2 2）板2 2为任意物体：E E，T T2 2则，当系统处于热平衡

12、时：u条件：第25页/共29页2023/4/1426Kirchhoff Kirchhoff 定律：在热力学平衡状态下，物体的吸收率等于它的发射率。(1)(1)整个系统处于热平衡状态；u限制：(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。u灰体 由于光谱吸收比不随波长变化，所以吸收比与温度无关。那么不论是否处于热平衡，也不论是来自黑体辐射，均存在上述关系。第26页/共29页2023/4/1427注：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；uKirchhoff Kirchhoff 定律的不同表达式第27页/共29页2023/4/1428作业：7-6;7-16;7-23第28页/共29页 青岛科技大学热能与动力工程2023/4/1429谢谢您的观看！第29页/共29页