第8章-热辐射的基本定律分解.ppt

2020 4 19 1 主讲教师 李志生广东工业大学土木与交通工程学院 传热学 第五版 HeatTransfer 第8章热辐射的基本定律 2020 4 19 3 本章主要内容 1 基本概念2 热辐射的基本定律 2020 4 19 4 第一节基本概念 1 1热辐射的本质和特点热辐射 物体通过发射电磁波传递热量热射线 0 1 100 m 包括可见光 部分紫外线和红外线 投射到物体上能产生热效应 2020 4 19 5 第一节基本概念 2020 4 19 6 热辐射的特点 1 所有温度大于0K的物体都具有辐射能力 温度越高 辐射能力越强 2 热辐射不依靠中间介质 可以在真空中传播 3 物体间以热辐射方式进行的热量传递是双向的 并且伴随着能量形式的转换 2020 4 19 7 1 2吸收 反射和透射 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 如图所示 图8 2热射线的吸收 反射和透射 2020 4 19 8 吸收率 吸收比 反射率 反射比 透射率 透射比 2020 4 19 9 黑体 物体能吸收全部的外来射线 1白体 物体能反射全部外来射线 1透明体 物体能被外来射线所全部透射 1 对于固体 液体 可认为 0 1对于气体 可认为 0 1 2020 4 19 10 1 3辐射强度和辐射力辐射能的分布按空间方向分布按波长分布一 定向辐射强度立体角 空间角度 单位为sr 球面度 以立体角的角端为中心 作半径为r的半球 将半球表面上被立体角所切割的面积A除以半径的平方r2 即得到立体角的量度 半球的立体角 2 2020 4 19 11 微元立体角 图8 3adA1上某点对dA2所张的立体角图8 3b定向辐射强度 面积dA 长x宽 2020 4 19 12 定向辐射强度 简称辐射强度 在某给定辐射方向上 单位时间 单位可见辐射面积 在单位立体角内所发射全部波长的能量 所谓可见辐射面积 是指站在给定辐射方向上所看到的 发射辐射能物体的表面积 单位 W m2 sr 2020 4 19 13 光谱定向辐射强度 单色辐射强度 在某给定辐射方向上 单位时间 单位可见辐射面积 在波长附近的单位波长间隔内 单位立体角所发射的能量 称为光谱定向辐射强度 又称为单色定向辐射强度 单位 W m2 sr m 光谱定向辐射强度和定向辐射强度的关系 2020 4 19 14 二 辐射力 定向辐射力 在某给定辐射方向上 单位时间内 物体单位辐射面积 在单位立体角内所发射全波长的能量 称为定向辐射力 单位 W m2 sr 当 0 时 因为定向辐射力是以发射辐射能物体的单位面积作为计算依据 而定向辐射强度是站在给定辐射方向所看到的 相当于投影面积 单位面积 所以二者之间存在以下关系 2020 4 19 15 辐射力 单位时间内 物体的每单位辐射面积向半球空间所发射的全部波长的总能量 单位 W m2 辐射力与定向辐射强度的关系 辐射力与单色辐射强度的关系 辐射力与定向辐射力的关系 2020 4 19 16 光谱辐射力 单色辐射力 单位时间内 物体的每单位面积 在波长 附近的单位波长间隔内 向半球空间所发射全波长的能量 单位 W m2 m 2020 4 19 17 光谱定向辐射力 单色定向辐射力 单位时间内 物体的每单位面积 向半球空间的某给定辐射方向上 在单位立体角内所发射在波长 附近的单位波长间隔内的能量 单位 W m2 sr m 2020 4 19 18 第二节热辐射的基本定律 本节有4个定律 用黑体来讨论 黑体用角标 b 表示 图8 4人工黑体模型 1 黑体概念黑体 是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体 是一种科学假想的物体 现实生活中是不存在的 但却可以人工制造出近似的人工黑体 2020 4 19 19 第二节热辐射的基本定律 一 普朗克定律从量子理论出发 得出了黑体单色辐射力和波长 热力学温度之间的函数关系 式中 波长 m T 黑体温度 K c1 第一辐射常数 3 742 10 16W m2 c2 第二辐射常数 1 4388 10 2W K 2020 4 19 20 图8 5a普朗克定律揭示的关系Eb f T 2020 4 19 21 图8 5bEb 与 T的函数关系 2020 4 19 22 二 维恩位移定律 1891年 维恩 Wien 用热力学理论退出 黑体辐射的峰值波长与热力学温度T之间的函数关系 可以用下式来表示 2020 4 19 23 例题8 1 例8 1 测得对应于太阳最大光谱辐射力峰值的波长约为0 503微米 若太阳可近似看成是黑体看待 求太阳的表面温度 2020 4 19 24 解 太阳表面可近似看成黑体 则可利用维恩定律 太阳表面温度为 2020 4 19 25 二 维恩位移定律 讨论 利用维恩定律 可根据黑体的峰值波长求黑体温度 它可作为光谱测温的基础 例如 可以解释金属加热时的颜色变化 在5000C以下 金属发出的基本都是红外线 没有可见光 因此金属呈原色 在6000C 随着温度升高 金属相继呈现暗红 红 黄 温度超过13000C时 开始发白 就是金属辐射发出的可见光及可见光短波段的能量逐渐增加的缘故 2020 4 19 26 2 2斯蒂芬 玻尔兹曼定律斯蒂芬 玻尔兹曼定律表达式 黑体辐射常数 黑体辐射系数 2020 4 19 27 工程上常计算某一波段范围内黑体的辐射能及其在辐射力中所占的百分数 黑体辐射函数见表8 1 2020 4 19 28 表8 1 黑体辐射函数表表示波长从0 的辐射能占到了百分之多少 2020 4 19 29 例题8 3 已知某太阳能集热器的透光玻璃在波长 0 35微米到 2 7微米范围内的穿透比为85 在此范围之外是不透射的 试计算太阳辐射对该玻璃的穿透比 把太阳辐射作为黑体看待 它的表面温度为5762K 2020 4 19 30 2020 4 19 31 解 利用黑体辐射函数表8 1 计算某个波长范围内的辐射能量 计算 查表8 1 可得 2020 4 19 32 同样 计算 查表8 1 可得 2020 4 19 33 因此 透射在玻璃上的太阳辐射从波长0 35微米到2 7微米范围内的能量 占总能量的百分数为 因此 该玻璃的太阳辐射穿透比为 2020 4 19 34 讨论 一般集热器表面的温度不超过1000C 373K 因此集热器表面发出的长波辐射能无法穿透玻璃 因此 玻璃对短波透过 长波射线阻挡 问题1 如果用这种玻璃作为房屋的窗户 又会如何 问题2 如果集热器表面与玻璃之间保持真空或非真空 集热器的散热损失又有什么变化 2020 4 19 35 2 3兰贝特余弦定律把物体发射的定向辐射强度与方向无关的特性成为漫发射 而反射的定向辐射强度与方向无关的性质称为漫反射 若某物体既有漫发射性质 又有漫反射性质 称为漫射表面 黑体在半球空间各方向上的辐射强度相等 兰贝特余弦定律 这是兰贝特定律的另外一个表达式 说明法线方向的定向辐射力最大 黑体的定向辐射力为 2020 4 19 36 黑体的定向辐射力随方向角按余弦规律变化 法向的定向辐射力最大 除了黑体以外 只有漫辐射表面才遵循兰贝特定律 漫辐射表面的辐射力为 说明 当物体遵守兰伯特定律时 它在任何方向上的定向辐射强度都等于辐射力E除以圆周率 即I E 2020 4 19 37 2 4基尔霍夫定律一 实际物体的辐射发射率物体的发射率 实际物体的辐射力与同温度下的黑体的辐射力之比 2020 4 19 38 实际物体的辐射力 对非金属表面 0 95 1 0 对磨光金属表面 1 0 1 2 2020 4 19 39 灰体 物体单色辐射力与同温度黑体单色辐射力随波长的变化曲线相似 或它的单色发射率不随波长变化 灰体也是理想化的物体 2020 4 19 40 图8 9实际物体在各个方向上发射率的变化 a 非导体 b 导电体1 融冰 2 玻璃 3 黏土 4 氧化亚铜 5 铋 6 铝青铜 7 铁 钝化 2020 4 19 41 本节中 还有几点需要注意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 服从Lambert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Lambert定律 但仍然近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律 这有许多原因 物体表面的发射率取决于物质种类 表面温度和表面状况 这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关 而不涉及外界条件 2020 4 19 42 二 基尔霍夫定律物体表面单色定向发射率等于它的单色定向吸收率 热平衡条件下基尔霍夫定律最基本的表达式 8 25 2020 4 19 43 二 基尔霍夫定律物体表面单色定向发射率等于它的单色定向吸收率 对于漫射表面 辐射性质与方向无关 则 对于灰表面 辐射性质与波长无关 则 对于漫 灰表面 有 2020 4 19 44 思考题 1 热辐射和其他形式的电磁辐射有何相同之点 有何区别 2 为什么太阳灶的受热面要做成