东南大学传热学课件第七章 第一、二节

第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性 热辐射是三种基本热量传递方式之一 热辐射是通过电磁波来传递能量的 热辐射的机理与导热和对流不同 它是非接触式的热量传递 本章 我们将首先从电磁辐射的观点来认识热辐射的本质及辐射能量传递过程中的一些特点 然后着重讨论热辐射的几个基本定律 最后介绍实际物体 固体和液体 的辐射特性 以便为下一章讨论辐射的计算打下基础 第一节热辐射的基本概念 辐射是电磁波传递能量的现象 按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率的电磁波 高频振荡电路产生的电波就是一种电磁波 此外还有红外线 可见光 紫外线 X射线及 射线等各种电磁波 由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射 热辐射这一名词有时也指热辐射传递能量的过程 热辐射的机理 由于物体内部微观粒子在不停的进行着热运动 当其运动状态发生改变时会激发出电磁波 从而产生热量的传递 只要物体的温度高于 绝对零度 物体内部的分子就在不停地进行热运动 就会不断地产生电磁波 向外发出热辐射 同时 物体也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射 并把吸收的辐射能重新转变成热能 辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果 当物体与环境处于热平衡时 其表面上的热辐射仍在不停地进行 只是其辐射换热量等于零 热辐射的特点 热辐射具有一般辐射现象的共性 例如 各种电磁波都以光速在空间传播 这是电磁波辐射的共性 热辐射也不例外 电磁波的速度 波长和频率之间存在如下的关系 电磁波的传播速度 频率 波长 单位为 常用单位为 微米 电磁波的波谱 电磁波的波长范围成为电磁波的波谱 在整个波谱范围内可以将电磁波进行命名 插入波谱图 从理论上说 物体热辐射的电磁波也可以包括整个波谱 即波长从零到无穷大 热射线的波长范围 从理论上说 物体热辐射的电磁波也可以包括整个波谱 即波长从零到无穷大 然而 在工业上所遇到的温度范围内 即2000K以下 有实际意义的热辐射波长位于0 38 100之间 且大部分能量位于红外线区段的0 76 20范围内 所以热射线人们的眼睛是看不见的 如果我们把温度的范围扩大到太阳辐射 情况就会有变化 太阳的表面温度大约微5800K 太阳辐射的主要能量集中在0 2 2的波长范围 其中可见光区段占有很大的比重 红外线的分类和应用 红外线又有远红外和近红外之分 大体上以25为限 波长在25以下的红外线称为近红外线 25以上的称为远红外线 20世纪70年代初期发展起来的远红外加热技术 就是利用远红外线来加热物体的 远红外线可穿过塑料 玻璃及陶瓷制品 但却会被像水那样的具有极性分子的物体所吸收 在物体内部产生热源 从而使物体比较均匀的得到加热 各类食品中的主要成分是水 因而远红外加热是一种比较理想的加热手段 物体对热射线的反应 当热辐射的能量投射到物体表面上时 和可见光一样 物体也会对热辐射发生吸收 反射和穿透现象 插入图 物体对热辐射的吸收 反射和穿透根据能量守恒定律有 几个定义 吸收比 反射比 穿透比 不同物体对热辐射的反应 对某一物体而言 当辐射能投入到其表面后 一定满足当物体为固体或液体时 满足当物体为气体时 满足 几种特殊表面的定义 绝对黑体 吸收比为1的物体称为绝对黑体 简称黑体 透热体 透明体 透射比为1的物体称为透热体或透明体 绝对白体 反射比为1的物体称为绝对白体或者镜体 当物体表面为漫反射表面时称为绝对白体 当物体表面为镜反射表面时称为镜体 人工黑体 尽管在自然界并不存在黑体 但用人工的方法可以制造出十分接近黑体的模型 选用吸收比小于1的材料制造一个空腔 并在空腔壁面上开一个小孔 再设法使空腔壁面维持均匀的温度 这时空腔上的小孔就具有黑体的特性 这种带有小孔的温度均匀的空腔就是一个黑体的模型 小孔面积占空腔内壁总面积的份额越小 小孔的吸收比就越高 若小孔占内壁面积小于0 6 当内壁吸收比为0 6时 计算表明 小孔的吸收比可大于0 996 演示 黑体模型 黑体在辐射换热中的作用 黑体在热辐射分析中有其特殊的重要性 下节的讨论将表明 在相同温度的物体中 黑体的辐射能力最大 在研究黑体辐射的基础上 我们处理其他物体辐射的思路是 把其他物体的辐射和黑体辐射相比较 从中找出其与黑体辐射的偏离 然后确定必要的修正系数 本章下面的讨论将按照这一思路来进行 第二节黑体辐射的基本定律 本节着重介绍黑体辐射的三个基本定律 它们分别是 1 表征黑体总辐射能力的斯蒂芬 玻耳兹曼定律 2 表征黑体在某一波长时辐射能力大小的普朗克定律 3 表征黑体在某一方向上辐射能力大小的兰贝克定律 两个基本概念 辐射力 单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能的总量 称为物体的辐射力 辐射力用符号E表示 其单位为 对于黑体 辐射力用表示 辐射力从总体上表征了物体发射辐射能的本领 光谱辐射力 单色辐射力 单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的在包含的单位波长范围内的辐射能 称为光谱辐射力 用符号表示 其单位为 黑体的光谱辐射力用表示 光谱辐射力与波长有关 即在同一温度下 当波长不同时 其光谱辐射力不同 光谱辐射力与温度有关 即在同一波长下 当温度不同时 其光谱辐射力不同 而且温度越高 同样条件下光谱辐射力越大 每条曲线下的面积表示相应温度下黑体的辐射力 辐射力和光谱辐射力的关系 由上面的图可以看出 物体的辐射力和光谱辐射力之间存在着如下的关系对于黑体 其关系为 普朗克定律 普朗克定律揭示了黑体的辐射能力按波长分布的规律 说明了黑体的单色辐射力与波长和温度的关系 根据量子理论可以得到普朗克定律的表达形式为式中 称为第一辐射常数称为第二辐射常数 对普朗克定律的解释 普朗克定律说明的是黑体的光谱辐射力随温度和波长的变化关系 当温度一定时 黑体的光谱辐射力随波长的增加 其变化为先增后减 有一个最大值 该最大值对应的波长用表示 当温度增加时 最大光谱辐射力所对应的波长逐渐变小 即向短波方向移动 温度与的关系可由维恩定律来表述 维恩定律 维恩定律表述的是最大光谱辐射力所对应的波长与温度之间的关系 此关系为说明 温度与最大光谱辐射力所对应的波长成反比 所以 当温度增加时 最大光谱辐射力所对应的波长变短 即向短波方向移动 所以维恩定律也称为维恩位移定律 该定律是通过普朗克定律对求导数并令其为零而得到的 维恩定律的应用 实际物体的光谱辐射力按波长分布的规律与普朗克定律是不同的 但定性上是一致的 所以 我们可以应用维恩位移定律来解释 对一个物体进行加热时 为什么随着加热温度的提高 被加热物体会出现由暗红 鲜红 橘黄直至白炽等颜色的变化 金属在不同的温度下呈现的各种颜色 说明了随着温度的升高 热辐射中可见光及可见光中短波的比例不断增加 斯蒂芬 玻尔兹曼定律 该定律表示的是黑体的辐射力与温度之间的关系 根据辐射力与光谱辐射力的定义 可以知道两者之间有一定的关系 即此关系说明 黑体的辐射力只与温度有关 而且与温度的四次方成正比 所以该定律也称为四次方定律 对斯蒂芬 玻尔兹曼定律的说明 该定律中的称为斯蒂芬 玻尔兹曼常数 工程上为计算方便 常把上式改写为称为黑体辐射系数 某一波段内辐射力的计算 如计算黑体在区段的辐射力 即 兰贝特定律 该定律要表述的是物体发射的辐射能与方向之间有无关系 如有 是什么样的关系 为了说明辐射能在空间不同方向上的分布规律 我们要引入一个新的概念 立体角 为了理解立体角的概念 先来复习平面角 平面角的定义和计算 定义 以角端为圆心画任意半径的园 则任意段的弧长与半径之比称为该弧长所对用的平面角 计算 根据定义可以计算平面角平面角的单位是rad 弧度 立体角的定义和计算 定义 以立体角的角端为中心画一个任意半径的半球 在半球表面上任意一块面积与半径平方之比 称为该面积对应的立体角 简称立体角 计算 不同方向辐射能的定义 物体单位面积 单位时间 单位立体角沿法线方向辐射的能量 物体单位面积 单位时间 单位立体角沿方向辐射的能量 则根据实验观察 可以发现 物体法线方向辐射出去的能量最多 而随着离开法线方向角度的增加 辐射能逐渐减小 到平面的切线方向时 辐射能量为零 所以不同方向辐射能具有如下的关系 兰贝特定律的表达式 上述这种表示漫射表面的辐射能按不同方向的分布规律 称为兰贝特定律 或称为余玄定律 由该定律可知 物体向各个方向发射的辐射能是不同的 法线方向最大 而切线方向最小 兰贝特定律的表达式为 各个方向辐射能不同的原因 为什么各个方向的辐射能分布不同呢 这主要是因为发射辐射能的物体面积在半球空间各个方向上的投影面积不同 或者说可见辐射面积不同而造成的 对于辐射面积 其在各个方向的投影面积两者的关系可表述为 不同方向定向辐射强度的定义 定向辐射强度的定义 单位时间 单位可见辐射面积 单位立体角内的辐射能称为定向辐射强度 并记为法线方向的定向辐射强度 单位时间 单位可见辐射面积 单位立体角内法线方向的辐射能称为法线方向定向辐射强度 并记为方向的定向辐射强度 单位时间 单位可见辐射面积 单位立体角内方向的辐射能称为方向的定向辐射强度 并记为 不同方向定向辐射强度的关系 根据定向辐射强度的定义 有上面的分析表明 对于黑体辐射而言 在半球空间上物体的定向辐射强度与方向无关 且各个方向的定向辐射强度都相等 即 兰贝特定律的另一种表述 将定向辐射强度与方向无关的规律也称为兰贝特定律 兰贝特定律有两种表述形式 当从发射辐射能的物体考虑问题时 物体向各个不同方向发射的辐射能都是相同的 且遵从兰贝特定律 当从接受辐射能的物体考虑问题时 由于接受物体在不同方向可以看到的发射物体的面积不同 因而感受到的辐射能也不同 且也遵从兰贝特定律 定向辐射强度与辐射力之间的关系 假设有一个漫射表面 其单位时间向