热辐射的基本概念及基本定律PPT课件

1、2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律1 1. 理解热辐射的本质和特点以及吸收比、反射比、穿透比、黑体、透明体、灰体、漫射体、辐射力、有效辐射等概念。 2. 掌握热辐射的基本定律及黑体辐射函数表的应用。 3. 理解实际物体的辐射特性及其黑度、吸收比的确定方法。 4掌握气体辐射的特点，了解太阳辐射的特点。 基 本 要 求第1页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律2第一节 热辐射的本质和辐射换热特点 辐射: :物体以电磁波的形式释放能量的现象。 热辐射: :物体由于热的原因发生的辐射现象。 热辐射是大部分物体固有的属性，物体之间可以依靠热辐射进行辐射换热

2、。 辐射能依靠电磁波在真空或介质中传播，传播速度等于光速。 c=第2页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律3电磁波波谱：热射线包括:可见光:=0.380.76m部分紫外线:0.38m部分红外线:0.76m=0.1100m第3页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律4 工程上，辐射物体温度一般在 2000K以下，热辐射主要集中于红外线区域。 辐射体温度不同，辐射能量的强度不同，辐射光的颜色也不同。 在工程技术中，常常可根据灼热物体的颜色来近似估计物体的温度 。 例如，金属工件的加热。第4页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念

3、及基本定律5 发光颜色与对应温度的关系第5页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律6 辐射换热的特点：辐射换热的特点： （1 1）辐射换热与导热和对流换热不同，发生辐射换热时不需要存在任何形式的中间介质。即使在真空中热辐射也可以进行。 辐射换热:当物体温度不同时，物体之间通过热射线的相互辐射和吸收，进行能量交换的现象。第6页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律7 （3 3）辐射换热量与两个物体热力学温度的四次方之差成正比。导热量或对流换热量只与物体温度的一次方之差成正比两个物体的温度差对于辐射换热量的影响更强烈。 （2）在辐射换热过程中，不

4、仅有能量的交换，而且还有能量形式的转化。吸收热辐射时：辐射能 内热能 发射热辐射时：内热能 辐射能 第7页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律8（4）物体间辐射换热时进行的能量传递是双向的。大部分温度高于0K的物体都具有发射热辐射的能力，温度愈高，发射和吸收热辐射的能力愈强。即使两个物体温度相同，辐射换热也在不断进行，只是处于热动平衡状态，净辐射换热量为零。 第8页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律9 辐射换热的主要影响因素 （1）物体本身的温度、表面辐射特性； （2）物体的大小、几何形状及相对位置。 返回第9页/共61页2021-11

5、-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律10第二节 热辐射表面的一般性质 热辐射线落到表面上会发生反射、吸收和透射现象。 当辐射能量为G的热射线落到物体表面时，G部分被物体吸收，G部分被物体反射,G部分则透过物体。 根据能量守恒原理： G= G+G+ G第10页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律11 物体的吸收比，表示物体所吸收的能量占投入辐射能量的份额； 物体的反射比，表示物体所反射的能量占投入辐射能量的份额； 物体的透射比，表示物体所穿透的能量占投入辐射能量的份额。1 GGGGGG GGGGGG ,1定义：第11页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的

6、基本概念及基本定律12 对于某一波长射线（单色射线）上式仍然成立。1单色透射比单色吸收比单色反射比第12页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律13 固体和液体：由于分子排列紧密，只要稍具厚度，热射线就不能穿透（=0）。 1 气体：几乎对热射线不反射（=0）。 1 可见，吸收能力大的气体，其穿透能力就小，反之亦然。 可见，对固体和液体而言，吸收能力大的物体其反射能力就小，反之亦然。第13页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律14 几种假想物理模型几种假想物理模型: : 黑体：=1的物体 能够吸收外来投入辐射所有方向全波长的辐射能。 镜体：=

7、1=1且为镜反射的物体。 白体：=1=1且为漫反射的物体。 透热体: :=1=1的物体。 第14页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律15 例：煤烟、炭黑、粗糙的钢板等，吸收比=0.90.95以上，近于黑体。 磨光的纯金反射比0.98，近似于白体。 纯净的空气对于热射线基本上不吸收也不反射，1，认为是透热体。第15页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律16 镜反射：物体表面平整光滑反射遵循几何光学规律，反射角等于入射角的反射。 漫反射：物体表面粗糙反射向不同方向且在各个方向均匀分布时的反射。 一般工程材料都形成漫反射。 (a)镜反射 (b

8、)漫反射 第16页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律17 注意： 1.1.有些物体对热射线的透过具有选择性。 例如玻璃, ,对于波长4m4m的红外线是不透明的, ,而对于可见光和紫外线则是透热体。 2.对热射线而言的黑白概念与日常的不同(对热射线而言的黑白概念是对整个热射线范围而言的，可见光只是其中的一部分)。第17页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律18 例如白布与黑布对于工业温度下的红外辐射其特性几乎相同, ,吸收比很高, , 区别仅表现在白布对太阳辐射的吸收比很低, ,而黑布则相反。 白雪的吸收比高达0.985,0.985,近似

9、于黑体。 对于工业高温下的热辐射来说, ,对射线的吸收和反射有重大影响的是表面的粗糙程度, ,而不是表面的颜色。 返回第18页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律19第三节 辐射力和有效辐射 一、辐射力 辐射力E ：物体在单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的全波长辐射能的总和,单位为W/m2。 一、辐射力二、有效辐射第19页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律20 单色辐射力E: 物体在单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的某一波长的辐射能,单位为W/m3。 根据定义,辐射力与单色辐射力之间的关系为 dEE0ddEE第20页

10、/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律21 在相同的温度下，以黑体的辐射力Eb最大, ,则实际物体的辐射力E为 E = Eb 物体的发射率（或黑度） Eb同温度下黑体的辐射力, ,W/m2 第21页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律22 二二 、有效辐射、有效辐射 一般物体表面不仅由于温度特性本身向外界发出本身辐射, ,而且对周围物体投射来的投射辐射还有部分反射出去。 返回第22页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律23 有效辐射在辐射换热的分析和计算中非常重要。 有效辐射J：物体本身辐射与反射辐射之和。 J

11、= E + G W/m2 G该表面接受到的投入辐射。【例5-1】返回第23页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律24第四节 黑体辐射基本定律一、黑体模型一、黑体模型二、普朗克定律二、普朗克定律三、维恩位移定律三、维恩位移定律四、斯蒂芬四、斯蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律五、波段辐射力五、波段辐射力 第24页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律25 一一 、黑体模型、黑体模型 一个空腔壁上开有小孔, ,小孔面积比空腔面积小的多小孔具有黑体性质。 一束能量为G的射线通过小孔进入空腔内时,在空腔内壁上经过多次吸收和反射,最终通过小孔离开空腔反射出

12、去的能量几乎为零认为射入的能量全部被空腔吸收。第25页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律26 二二 、普朗克定律、普朗克定律 Eb黑体单色辐射力,W/m3 波长,m T黑体热力学温度,K c1普朗克第一常数,c1=3.7431016 Wm2 c2普朗克第二常数,c2=1.439102 mK 1/512 TcbecE 普朗克于1900年据量子理论揭示了黑体在不同温度下单色辐射力与波长的函数关系。第26页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律27黑体辐射力Eb与波长、温度T的关系 第27页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念

13、及基本定律28 特点： （1）在一定的温度下，黑体的光谱辐射力在某一波长下具有最大值，黑体辐射随波长连续变化,而且很大或很小时Eb均趋于零； （2）在一定的波长下,发射辐射Eb随温度升高而增大； （3）随着温度的升高，Eb取得最大值的波长max减小，即 辐射能量向短波区域集中。第28页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律29 三、维恩位移定律 从上图可看出在不同的温度下,总有一个最大的黑体单色辐射力Ebmax存在,且随温度的升高,出现Ebmax的波长向短波方向移动。 维恩（Wien）归纳了出现Ebmax时对应的波长max与温度T的关系。 maxT=2898(mK)2

14、.910-3(mK) 常数2898(mK)也称第三辐射常数。第29页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律30 四、斯蒂芬玻尔兹曼定律 对黑体辐射从普朗克定律积分可得： Eb bT4 W/m2 b5.67108W/（m2K4）黑体辐射常数； T黑体热力学温度，K。40100 TcEb c05.67黑体辐射系数。 上式表明黑体的辐射力与热力学温度的四次方成正比，故又称四次方定律。或写成第30页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律31 五、波段辐射力 波段辐射：某一波段内的辐射能量。 黑体在某一温度下，1-2之间的波段辐射（图中阴影面积）占全波

15、辐射能量的份额用 表示。 21 bF 第31页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律32 12122100000 bbbbbbFFdEdEdEF 曲线下总面积曲线下总面积阴影面积阴影面积 0212121 dEdEEEFbbbbb)()(5040)0()0(TfTTdETdEEEFbTbbbbbb 黑体辐射函数第32页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律33 4001221TFFEbbbb 【例5-2】 【例5-3】返回 为方便，黑体辐射函数已制成表 在给定波段12间隔内的辐射力：)()0(TfFb 第33页/共61页2021-11-15第五

16、章 热辐射的基本概念及基本定律34第五节 灰体和基尔霍夫定律 一一、实际物体的辐射和吸收特性实际物体的辐射和吸收特性 二、灰体二、灰体 三、基尔霍夫定律三、基尔霍夫定律 第34页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律35 一一、实际物体的辐射和吸收特性实际物体的辐射和吸收特性 实际物体辐射和吸收大多是在物体的表面进行，具有表面辐射特性，但实际物体的辐射和吸收不同于黑体。 下面以黑体辐射规律作为比较的依据来分析实际物体的辐射和吸收特性。 第35页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律36 1. 1. 实际物体的辐射特性 同温度下黑体与实际物体单

17、色辐射力的比较 同一波长下实际物体的单色辐射力低于黑体的单色辐射力，且辐射曲线并不光滑。 第36页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律37实际物体总黑度： bEE 0000)()( dEdEdEdETETEbbbb 黑度表征实际物体的辐射力接近同温度下黑体的辐射力的程度。 物体表面的黑度是物性参数,其值取决于物体的种类、表面温度和表面状况。具体数值由实验确定,常用工程材料的值可查阅资料 。 实际物体的单色黑度：第37页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律38 2 2、实际物体的吸收特性 实际物体吸收特性取决于两方面因素： 1.1.吸收物体

18、本身的材料种类、温度及表面状况。 2.2.发出投射辐射物体的材料种类、温度及表面状况。 物体表面总吸收比和单色吸收比的关系为 00 dGdG=f（）第38页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律39 二、灰体二、灰体 灰体：单色吸收比与波长无关的物体 不论投入辐射是何种情况，物体的总吸收比定值。 工业上遇到的热辐射，主要位于红外线范围。一般物体在红外线辐射范围内不随波长作明显变化在热辐射计算中，把工程材料作为灰体对待不会引起太大的误差。 这种简化处理给辐射换热计算带来很大方便。 第39页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律40黑体平壁任意平

19、壁平壁12间辐射换热的净热流密度为21221bqEE当平壁12温度相等(热平衡)时 q21=0212bEE 三、基尔霍夫定律三、基尔霍夫定律 基尔霍夫（KirchhoffKirchhoff）定律揭示了实际物体辐射力E与吸收比间的关系。第40页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律41 bEE 表述：在热平衡条件下，任何物体的辐射力与它对黑体辐射的吸收比之比恒等于同温度下黑体的辐射力。 显然，这个比值仅与热平衡温度有关，而与物体的本身性质无关。 一般表达式为：由于平壁2为任意壁面，故可写成12112ibiEEEE第41页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本

20、概念及基本定律42 从基尔霍夫定律可得出下面的结论： （1 1）辐射力大的物体对同温下黑体辐射能的吸收比也大。 善于辐射的物体也善于吸收同温度下黑体的辐射能。 （2 2）实际物体的辐射力E小于同温下黑体的辐射力Eb(因为实际物体1 )。 同一温度下黑体的辐射力最大。第42页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律43 （3 3）由黑度定义式和基尔霍夫定律表达式可得基尔霍夫定律的另一表达式： （T）=（T） 可表述为：在与黑体处于热平衡的条件下，任何物体对黑体的吸收比等于同温下该物体的发射率。 （4 4）对于单色辐射： （，T）=（，T） 不需要附加其它条件。 第43页/

21、共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律44 对于灰体，吸收比与投射辐射的波长无关，即只取决于本身情况而与外界条件无关。 灰体的吸收比等于同温下本身的发射率。 一般工程材料在红外范围内都可近似按灰体处理，恒有(T)=(T) (T)=(T) 这给工程辐射换热条件下吸收比的确定带来实质性的简化，只要从资料上查出其发射率，即得灰体同温下的吸收比。返回第44页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律45第六节 气体辐射 辐射性气体：二氧化碳（COCO2 2）、水蒸气（H H2 2O O）、甲烷（CHCH4 4）、一氧化碳（COCO）等三原子、多原子及结构不

22、对称的双原子气体，一般都具有较强的辐射和吸收能力。 空气中氧气、氮气等分子结构对称的双原子气体，辐射和吸收能力很弱，可认为无辐射和吸收能力。一、气体辐射的特点二 、火焰辐射第45页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律46 一、气体辐射的特点一、气体辐射的特点 1.1.气体辐射和吸收对波长具有选择性 气体不像固体、液体那样具有连续的辐射光谱，而只在某些波段内才有辐射和吸收能力，这些波段称为光带 一般不能把气体当作灰体。第46页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律47 2.气体的辐射和吸收在整个容积中进行 对于气体，外来射线穿透整个气体层，并

23、被沿途碰到的气体所吸收；当气体对某一表面辐射时，应该是整个容积中各处的气体对该表面辐射的总和第47页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律48 气体的辐射和吸收除与本身性质有关外，还与气体容积的形状、大小和压力有关。 气体容积的形状和大小对气体发射率和吸收比的影响，引用平均射线行程L来代替气体层厚度。 第48页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律49 平均射线行程L：若半球形气体的成分、温度和压力与所研究容积形状的气体相同，半球形气体对球心的辐射等效于所研究容积形状的气体对指定地区的辐射则等效半球的半径R即为所研究容积形状气体对指定地区辐射

24、的平均射线行程L。 第49页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律50 典型容积形状的气体对整个包壁或对某一指定地区的平均射线行程可查相关资料。 理论分析表明，气体对整个包壁辐射的平均射线行程可按下式计算 AVL6 . 3 V气体容积，m3；A气体包壁面积，m2 第50页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律51 二二 、火焰辐射、火焰辐射 炉膛内燃料燃烧产生的火焰中除了三原子气体外还含有焦炭粒子、飞灰和烟渣等具有强辐射能力的固体微粒，而使火焰的辐射光谱连续。 火焰的辐射特性不同于气体辐射，而近似于固体的辐射。 可近似地把火焰当作灰体处理。

25、第51页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律52 固体燃料的火焰，工程上有效黑度可按下式计算 k炉内介质辐射减弱系数，包括燃烧产物不发光的三原子气体的减弱系数，灰粒减弱系数和焦炭粒子的减弱系数。 p炉膛里的压力，MPa L炉膛里火焰辐射平均射线行程 kpLhe1返回第52页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律53第七节 太阳辐射 太阳能是一种低密度能源。 太阳相当于温度为5762K的热源。 太阳向宇宙空间辐射的能量有99%99%集中在0.2m3m0.2m3m短波区。 其中可见光部分约占43%43% 红外辐射约占48.3%48.3% 紫外线区约占8.7%8.7% 最大单色辐射力波长约在0.5m0.5m。 第53页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律54 大气层外缘太阳能发射光谱 第54页/共61页2021-11-15第五章 热辐射的基本概念及基本定律55 太阳在不同时间、地点投射到地球表面的能量不同。落到地球表面的太阳能还因经历大气层的吸收、反射而衰减。 太阳