传热学-第8章

1、 主要从宏观的角度介绍热辐射的基本概念、基本定律。8-1 热辐射现象的基本概念8-2 黑体热辐射的基本定律8-3 固体和液体的辐射特性8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系8-5 太阳与环境辐射 第8章 热辐射基本定律和辐射特性 热辐射在机理上与导热、对流有根本的不同。热辐射在机理上与导热、对流有根本的不同。 导热与对流是由于物质微观粒子的热运量和导热与对流是由于物质微观粒子的热运量和物体的宏观运动所造成的能量转移。物体的宏观运动所造成的能量转移。 热辐射是由于物质的热辐射是由于物质的电磁运动电磁运动所引起的能量所引起的能量的传递。（分子和原子振动的结果。）的传递。（分子和原子振动的结果。

2、）8-1 热辐射现象的基本概念 1、热辐射的定义及区别导热对流的特点8-1 热辐射现象的基本概念 特点：在传递过程中不需要任何介质；热辐射过程中不仅有热量的转移过程，而且还有能量形式的转换；任何物质，只要TK，均可辐射热量；辐射传热，是指物体间相互辐射和吸收的总效果。热平衡时，物体表面的热辐射仍在不停的进行，其净的辐射传热量等于零。1、热辐射的定义及区别导热对流的特点微粒性：发射和吸收时光子光子能量E波动性：传播时电磁波波长或频率f特性：8-1 热辐射现象的基本概念 2、从电磁波的角度描述热辐射的特性电磁波，符合波粒二象性特点。电磁波的速率、波长和频率存在关系： c= f 电磁辐射波谱：辐射线

3、名称宇宙射线伽马射线伦琴射线紫外线可见光红外线无线电波波长/m 110-7 110-110-5 110-5210-2 210-20.38 0.380.76 0.761103 110321010 热射线注：固体液体的光谱连续；气体光谱不连续8-1 热辐射现象的基本概念 2、从电磁波的角度描述热辐射的特性8-1 热辐射现象的基本概念 2、从电磁波的角度描述热辐射的特性 理论上热辐射的波长范围从零到无穷大，但在日常生活和工业上常见的温度范围内，热辐射的波长主要在0.1m至100m之间,包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段 。 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）

4、物体的大小、几何形状及相对位置。 8-1 热辐射现象的基本概念 2、从电磁波的角度描述热辐射的特性 当热辐射的能量投射到物体表面上时，会当热辐射的能量投射到物体表面上时，会发生发生吸收吸收、反射反射和和穿透穿透现象。若外界单位时间现象。若外界单位时间投射到单位物体表面上的总能量为投射到单位物体表面上的总能量为Q（即（即投入投入辐射辐射），被物体吸收部分为），被物体吸收部分为Q ，被物体反射部，被物体反射部分为分为Q ，穿透物体部分为，穿透物体部分为Q 。按能量守恒定律。按能量守恒定律有：有： 8-1 热辐射现象的基本概念 2、从电磁波的角度描述热辐射的特性QQQQ 反射辐射能: Q W 吸收辐

5、射能: Q W 透射辐射能: Q W吸收比: QQ 反射比:QQ透射比: QQ18-1 热辐射现象的基本概念 2、从电磁波的角度描述热辐射的特性如果投入辐射是某一波长的辐射能Q ，则 QQQQQQ光谱吸收比 光谱反射比 光谱透射比 100Q dQ d00Q dQ d00Q dQ d 与 的关系：, 8-1 热辐射现象的基本概念 2、从电磁波的角度描述热辐射的特性（1）对于固体和液体：）对于固体和液体：当热辐射投射到固体当热辐射投射到固体或液体表面时，一部分被反射，其余部分在很或液体表面时，一部分被反射，其余部分在很薄的表面层内就吸收完了，所以可以把它们的薄的表面层内就吸收完了，所以可以把它们的

6、吸收和反射视为一个表面过程，因此吸收和反射视为一个表面过程，因此固体和液固体和液体的热辐射是表面辐射体的热辐射是表面辐射。 由于热射线不能穿过由于热射线不能穿过固体和液体，因此可认为固体和液体，因此可认为透射比透射比 =0。1固、液体：固、液体：吸收能力大的物体其反射本领就小吸收能力大的物体其反射本领就小。 8-1 热辐射现象的基本概念 2、从电磁波的角度描述热辐射的特性（2）对于气体：）对于气体：当热辐射投射到气体时，当热辐射投射到气体时，气气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反射反射比比 =0。气体对热射线的吸收和穿透是在空间气体对热射线的吸收和穿透是在空

7、间中进行的，其自身的辐射也是在空间中完成中进行的，其自身的辐射也是在空间中完成的。因此的。因此气体的热辐射是容积辐射气体的热辐射是容积辐射，其表面，其表面状况则无关紧要。状况则无关紧要。 18-1 热辐射现象的基本概念 2、从电磁波的角度描述热辐射的特性8-1 热辐射现象的基本概念 2、从电磁波的角度描述热辐射的特性由于不同物体的吸收比、反射比和透射比因具由于不同物体的吸收比、反射比和透射比因具体条件不同差别很大，给热辐射的计算带来很体条件不同差别很大，给热辐射的计算带来很大困难。为使问题简化，定义一些理想物体：大困难。为使问题简化，定义一些理想物体：透射比透射比= 1的物体称为的物体称为透明

8、体透明体。实际中完全。实际中完全的透明体是不存在的，但在一定条件下，如玻的透明体是不存在的，但在一定条件下，如玻璃材料对于可见光，或空气对于红外线，都可璃材料对于可见光，或空气对于红外线，都可视为透明体。视为透明体。8-1 热辐射现象的基本概念 2、从电磁波的角度描述热辐射的特性反射比反射比= 1物体称为物体称为白体白体（具有漫反射的表（具有漫反射的表面）或面）或镜体镜体（具有镜反射的表面）。（具有镜反射的表面）。物体表面是漫反射还是镜反射，这要物体表面是漫反射还是镜反射，这要取决于物取决于物体表面相对于辐射波长的表面粗糙程度体表面相对于辐射波长的表面粗糙程度。当表面的不平整尺寸当表面的不平整

9、尺寸远小于远小于投投入辐射的波长时，形成入辐射的波长时，形成镜面反射镜面反射，此时入射角等于反射角。此时入射角等于反射角。镜反射表镜反射表面的自身辐射也是镜发射的面的自身辐射也是镜发射的。高度。高度磨光的金属板会形成镜反射。磨光的金属板会形成镜反射。 1 2 1= 22022-3-2315当表面的不平整尺寸与投入辐当表面的不平整尺寸与投入辐射的波长射的波长同一量级同一量级时，形成时，形成漫反射漫反射。这时从某一方向投射到物体表面上这时从某一方向投射到物体表面上的辐射向空间各方向反射出去。的辐射向空间各方向反射出去。漫漫反射表面的自身辐射也是漫发射的反射表面的自身辐射也是漫发射的。对全波长范围的

10、热辐射能完全镜反射或漫对全波长范围的热辐射能完全镜反射或漫反射的实际物体不存在，绝大多数材料在工业反射的实际物体不存在，绝大多数材料在工业温度范围（温度范围（1400火焰颜色暗红樱桃红橙黄白色炽热体随着温度的升高，热辐射中可见光中短波的比例不断增加。8-3 固体和液体的辐射特性bEEb0bE dE8.3.2 实际物体的光谱辐射力光谱发射率（光谱黑度，单色黑度）： 实际物体的光谱辐射力小于同温度下的黑体同一波长下的光谱辐射力，两者之比称为实际物体的光谱发射率。光谱发射率与实际物体发射率：8-3 固体和液体的辐射特性部分物体的光谱发射率随波长的变化8.3.2 实际物体的光谱辐射力8-3 固体和液体

11、的辐射特性8.3.3 实际物体的定向辐射强度 实际物体的辐射按空间方向的分布，不一定符合兰贝特定律。不同方向上定向辐射强度不同定向发射率（定向黑度）：为与辐射面法向成 角的方向上的定向辐射强度为同温度下黑体的定向辐射强度8-3 固体和液体的辐射特性()()黑体黑体漫射体漫射体011 黑体的发射率=1，在极坐标中，其定向发射率为半径为1的半圆。 定向辐射强度随的分布满足兰贝特定律的物体，其定向发射率在极坐标中为半径1的半圆，这样的物体叫漫射体。1、定向发射率随角的变化规律8-3 固体和液体的辐射特性1、定向发射率随角的变化规律 实际物体发射率 ，是指在整个半球范围内的辐射能与黑体的辐射能之比。根

12、据能量守恒：22)()(dIdIEEbbb8-3 固体和液体的辐射特性2、定向发射率 ()与半球平均发射率 间的关系nM偏差系数M：金属表面1.01.3，高度磨光的表面取上限 非导体0.951.0，粗糙表面取上限8-3 固体和液体的辐射特性2、定向发射率 ()与半球平均发射率 间的关系 从图中看出，大部分范围内，定向发射率基本是常数，可以用其法向的发射率来近似代替： 实际物体发射率数值大小取决于材料的种类、温度和表面状况，通常由实验测定。 绝大多数实际工程材料来说，可以近似地认为半球总发射率等于法向发射率，即n8-3 固体和液体的辐射特性3、影响物体发射率的因素法向发射率随温度的变化8-3 固

13、体和液体的辐射特性3、影响物体发射率的因素常用材料表面的法向发射率 对对实实际际物物体体辐辐射射特特性性的的总总结结： 实实际际物物体体单单色色辐辐射射力力与与波波长长有有关关； 实实际际物物体体的的辐辐射射按按空空间间分分布布不不遵遵从从兰兰贝贝特特定定律律； 黑黑度度与与材材料料种种类类、 表表面面状状况况和和温温度度有有关关， 与与外外界界无无关关。 8-3 固体和液体的辐射特性例8-5：试计算温度处于1400的碳化硅涂料表面的辐射力。解：由表82查得当10101400时，碳化硅 的 n =0.820.92，故可取对应1400的 n为0.92，即 = n =0.92，辐射力为： 2344

14、4240W/m10409K1002731400KmW67. 592. 0100TcE例8-6：实验测得2500K钨丝的法向单色发射率如图所示，计算其辐射力及发光效率。 解：dEEbb0)(1)20(2)20(12220111bbbbbFFdEdEEK5000K2500m10261mT 0.450.450.10.1 / / mm1 2 31 2 3由于设钨丝为漫射表面 （2）计算可见光范围的辐射能，取可见光波长为0.380.76 mK950K2500m38. 001mmTK1900K2500m76. 002mmTP360表8-1=0.332可见发光效率很低。由表8-1查得:0523. 0,000

15、3. 0)76. 00()38. 00(bbFF0.0521则，可见光范围的辐射能为：24442W/m1018. 5100K2500KmW67. 545. 0)0003. 00523. 0(E0.0521-5.16%27. 7W/m1013. 7W/m1018. 52524EE发光效率为:5.16 Semi-transparent medium8-4 实际物体对辐射的吸收与辐射的关系8-4 实际物体对辐射的吸收与辐射的关系8.4.1 实际物体的吸收比投入辐射： 单位时间内从外界投入到物体单位表面上的辐射能吸收比： 物体对投入辐射所吸收的百分数称为该物体的吸收比实际物体吸收比的大小： 取决于两个

16、方面的因素（吸收物体本身情况+投入辐射特性） 吸收物体本身的情况：物质的种类、物体温度以及表面情况 投入辐射特性：发射物体的性质和温度单单色色吸吸收收率率物物体体对对投投入入辐辐射射某某一一特特定定波波长长的的辐辐射射能能吸吸收收的的百百分分数数。(光谱吸收比光谱吸收比)8-4 实际物体对辐射的吸收与辐射的关系1. 光谱吸收比 实际物体吸收比，指投入到物体表面上各种不同波长辐射能的总体吸收比，是个平均值表征物体对某一波长辐射能吸收特性的物理量表征物体对某一波长辐射能吸收特性的物理量 颜色对非金属材料的吸收率有一定的影响，尤其是对可见光的影响颜色对非金属材料的吸收率有一定的影响，尤其是对可见光的

17、影响较大，对红外辐射影响较小。较大，对红外辐射影响较小。如白漆对可见光的吸收率为如白漆对可见光的吸收率为 0.120.12，黑，黑漆对可见光的吸收率为漆对可见光的吸收率为 0.960.96，两者对红外线的吸收率均为，两者对红外线的吸收率均为 0.90.9。 8-4 实际物体对辐射的吸收与辐射的关系1. 光谱吸收比8-4 实际物体对辐射的吸收与辐射的关系选择性吸收的工程应用物体的吸收具有选择性： 物体的光谱吸收比随波长变化的这种特性。 1）温室效应植物或蔬菜栽培用的暖房； 2）焊接工人用的眼镜； 3）世上万物呈现不同颜色 2. 实际物体的吸收具有选择性8-4 实际物体对辐射的吸收与辐射的关系00

18、Q dQ db0b0( , )( ,)( ,)( ,)()TT ET dT ET d选择性吸收的工程应用物体的吸收具有选择性： 物体的光谱吸收比随波长变化的这种特性。 1）温室效应植物或蔬菜栽培用的暖房； 2）焊接工人用的眼镜； 3）世上万物呈现不同颜色 2. 实际物体的吸收具有选择性实际物体吸收的选择性给辐射传热的计算造成了很大困难 在工程常见的温度范围内（ 10 m时, ( ) = 0.8。（非灰体）；炉墙内壁接受来自燃烧着的煤层的辐射，煤层温度为2000K。设煤层的辐射可作为黑体辐射，炉墙为漫射表面，试计算炉墙发射率及其对煤层辐射的吸收比。分析：（1） dEEdEEdEETbbbbbb2

19、2113 ,2,01 ,1)(查表得000. 0)0(1bFK5000K5001012mmT查表得634. 0)0(2bF故 61. 0)634. 01 (8 . 0634. 05 . 0000. 01 . 0)(1TK750K5005 . 111mmT（2）按吸收比定义： dTEdTETbb)()(),(20210因为炉墙是漫射的，),(),(TT故有:)(3)(2)0(13211)()()(bbbFFF其中的辐射函数是2000K下的值：K3000K20005 . 121mmT查表8-1得：2736. 0)0(1F所以：395. 0 )9856. 01 (8 . 0)2736. 09856. 0(5 . 02736. 01 . 0这里 (T1) = 0.61，而 (T1, T2)=0.395， 。这是由于在所研究的波长范围内， ( )不是常数所致。 K20000K20001022mmT查得：9856. 0)0(2F而 太阳直径约 km（球体辐射源），离地球的平均距离约 km，到达地球的太阳射线近似于平行。 61.392 1081.496 10 天顶角 8-5 太阳与环境辐射 虽然太阳发出的能量只有二