传热学第四版第8章课件

传热学第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性课件制作：尹华杰传热学第八章课件制作：尹华杰8-1热辐射现象的基本概念热辐射的定义及区别于导热对流的特点热辐射定义

由于热的原因而产生的电磁波辐射热辐射产生的条件及辐射与吸收的统一性热辐射产生的条件

热的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。只要物体的温度高于“绝对零度”，物体总是不断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射8-1热辐射现象的基本概念热辐射的定义及区别于导热对流的特点8-1热辐射现象的基本概念热辐射的定义及区别于导热对流的特点热辐射产生的条件及辐射与吸收的统一性辐射与吸收的统一性

物体在辐射的同时，亦不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的热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，但其辐射换热量等于零8-1热辐射现象的基本概念热辐射的定义及区别于导热对流的特点8-1热辐射现象的基本概念热辐射的定义及区别于导热对流的特点热辐射传热与对流、导热传热的区别的两个特点热辐射的能量传递不需要其他介质存在，而且在真空中传递的效率最高在物体发射与吸收辐射能量的过程中发生了电磁能与热能两种能量形式的转换8-1热辐射现象的基本概念热辐射的定义及区别于导热对流的特点8-1热辐射现象的基本概念从电磁波的角度描述热辐射的特性电磁波的速率、波长和频率的关系

c=fλ

式中：c—电磁波的传播速率，在真空中c=3×108m/s在大气中的传播速率略低于此值；f—频率，s-1；λ—波长，单位为m，常用单位为μm（微米），1μm=10-6m工业所遇到的温度范围：＜2000K8-1热辐射现象的基本概念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电磁波的波谱＜2000K时有实际意义的辐射波长范围

是：0.38～100μm

多数能量位于红外区段：0.76～20μm

可见光区段：0.38～0.76μm，热辐射能量的比重不大8-1热辐射现象的基本概念电磁波的波谱8-1热辐射现象的基本概念从电磁波的角度描述热辐射的特性太阳的温度约5800K，主要能量集中在

0.2～2μm的波长范围，可见光占有很大比重包括太阳光的热辐射范围：0.1～100μm

近红外线：波长＜25μm远红外线：波长＞25μm微波

波长在1mm～1m的电磁波

可穿透塑料、玻璃及陶瓷制品，会被像水一样的具有极性分子的物体吸收，在物体内部产生内热源，从而使物体比较均匀地得到加热。微波炉就是这一原理的产品8-1热辐射现象的基本概念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从电磁波的角度描述热辐射的特性吸收比、反射比和穿透比的定义热辐射总能量

一部分吸收Qα，一部分反射Qρ，

一部分穿透Qτ

吸收比、反射比和穿透比的定义8-1热辐射现象的基本概念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从电磁波的角度描述热辐射的特性固体或液体情况下

对固体或液体，辐射能在极短的距离内就被吸收完了，可认为τ=0。金属导体的这一距离为1μm的数量级，大多数非导电材料，这一距离小于1μm

气体情况下

反射能力很小，可以认为ρ=0

镜面反射

当表面的粗糙度较小，表面不平整尺寸小于投入辐射的波长时，入射角等于反射角nθθ8-1热辐射现象的基本概念从电磁波的角度描述热辐射的特性nθ8-1热辐射现象的基本概念从电磁波的角度描述热辐射的特性漫反射

当表面不平整尺寸大于投入辐射的波长时，从某一方向投射到物体表面的辐射向空间各个方向反射出去。

一般工程材料的表面都形成漫反射表面状况的影响

对固体和液体，吸收和反射均在

表面进行，表面的粗糙度影响很

大。而气体的辐射主要是在容积

内进行，表面状况无关紧要8-1热辐射现象的基本概念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黑体模型及其重要性α=1的物体称为绝对黑体ρ=1的物体称为镜体τ=1的物体称为绝对透明体漫反射的物体称为绝对白体光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体黑体模型

带小孔的温度均匀的空腔8-1热辐射现象的基本概念黑体模型及其重要性8-1热辐射现象的基本概念黑体模型及其重要性黑体模型的重要性在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大在研究了黑体辐射的基础上，将其他物体的辐射和黑体比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的修正系数8-1热辐射现象的基本概念黑体模型及其重要性8-2黑体热辐射的基本定律辐射力E

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。单位是W/m2

辐射力表征物体发射辐射能本领的大小光谱辐射力Eλ

单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射出去的包含波长为λ的单位波长范围内的辐射能。其单位是W/m3

右图给出了光谱辐射力与波长、温度的关系8-2黑体热辐射的基本定律辐射力E

单位时间内物体的单位表面8-2黑体热辐射的基本定律辐射力与光谱辐射力间的关系式

黑体辐射力和光谱辐射力的表示黑体辐射力Eb光谱辐射力Ebλ黑体辐射的基本定律普朗克（Planck）定律斯忒藩-玻耳兹曼定律兰贝特（Lambert）定律8-2黑体热辐射的基本定律辐射力与光谱辐射力间的关系式

8-2黑体热辐射的基本定律普朗克（Planck）定律

揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律，它给出了黑体光谱辐射力Ebλ与波长和温度的关系。根据量子理论得到如下数学表达式：8-2黑体热辐射的基本定律普朗克（Planck）定律

揭示了8-2黑体热辐射的基本定律维恩（Wien）位移定律

普朗克定律对λ求导，求其λ的最大值，可得维恩关于光谱辐射力的最大波长λm与温度T之间的关系式：

斯忒藩-波耳兹曼定律8-2黑体热辐射的基本定律维恩（Wien）位移定律

普朗克定8-2黑体热辐射的基本定律黑体在波长λ1至λ2区段所发射出的辐射能

黑体辐射力百分数8-2黑体热辐射的基本定律黑体在波长λ1至λ2区段所发射出的8-2黑体热辐射的基本定律黑体辐射函数

在给定波段区间,单位时间内黑体单位面积所辐射的能量计算式8-2黑体热辐射的基本定律黑体辐射函数

8-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律立体角的量度平面角8-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律8-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律立体角的量度立体角

单位:Sr8-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律8-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律定向辐射强度定义

单位时间、单位可见辐射面积辐射出去的落在单位立体角内的辐射能强度单位可见辐射面积

从任意方向p看到的辐射

面积是正交于的面积8-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律8-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律定向辐射强度定向辐射强度计算式

兰贝特定律（Lambert）

黑体的定向辐射强度与方向无关8-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律8-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律符合兰贝特定律的辐射（余弦定律）

符合兰贝特定律的辐射力8-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律8-2黑体热辐射的基本定律总结黑体辐射力由斯忒藩-玻耳兹曼定律确定，正比于热力学温度的四次方：Eb=σT4黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律空间方向的分布服从兰贝特定律维恩位移定律描述了黑体单色辐射力有个峰值，与该峰值有对应的波长λm随温度升高λm向波长短的方向移动8-2黑体热辐射的基本定律总结复习题、习题复习题：1、2、5习题：黑体辐射基本定律：8-1、8-12复习题、习题复习题：1、2、58-3固体和液体的辐射特性实际物体的光谱辐射

实际物体的光谱辐射随波长做不

规则的变化实际物体的光谱辐射力

实际物体的辐射力与同温度下黑

体辐射力的比值，称为实际物体

的发射率，又称黑度8-3固体和液体的辐射特性实际物体的光谱辐射

实际物体的光谱8-3固体和液体的辐射特性实际物体的辐射力

实验结果发现，实际物体的辐射力并不严格符合四次方关系。工程中把这一偏差包括到用实验方法确定到发射率中。因此发射率还与温度有关8-3固体和液体的辐射特性实际物体的辐射力

实验结果发8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）

定向发射率随θ的变化规律黑体的定向发射率是半径为

1的半圆漫射体的定向发射率是半径

小于1的半圆8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随θ的变化规律金属材料的定向发射率8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随θ的变化规律金属材料的定向发射率8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随θ

的变化规律非金属材料

的定向发射率8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随θ

的变化规律非金属材料

的定向发射率8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度定向发射率ε(θ)与半球平均发射率ε间的关系定向发射率ε(θ)与半球发射率ε间的关系

法向发射率εn

与半球发射率ε间的关系8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度定向发射率ε(θ)与半球平均发射率ε间的关系物体的半球平均发射率ε与法向发射率εn的比值金属表面M=1.0～1.3（高度磨光的表面取上限）非导体表面M=0.95～1.0（粗糙表面取上限）除高度磨光的表面外，工程计算中一般取M=1.08-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度漫射表面

物体的半球平均发射率基本上不变，符合兰贝特定律。这样的表面称为漫射表面影响物体发射率的因素

物质种类、表面温度、表面状况常用材料表面的法向发射率

表8-2P369～3708-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系物体的投入辐射

单位时间内从外界辐射到物体单位表面积上的能量物体的吸收比

物体对投入辐射所吸收的百分数影响实际物体吸收比的两个因素吸收物体本身的情况

物质种类、表面温度、表面状况投入辐射的特性8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系物体的投入辐射

单位8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系实际物体的吸收比光谱吸收比α（λ）

物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系实际物体的吸收比8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系实际物体的吸收比物体光谱吸收的选择性

物体的光谱吸收比随波长而异的性质

选择性与自身表面性质、温度有关，还与发出投入辐射物体的表面性质和温度有关实际物体吸收的选择性对辐射传热计算所造成的困难

设物体1为研究的对象，物体2为产生投入辐射的物体8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系实际物体的吸收比8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系实际物体的吸收比投入辐射来自黑体的物体吸收比8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系实际物体的吸收比8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系灰体的概念及其工程应用光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体在一定温度下：

工业上通常遇到的热辐射位于红外线范围内（绝大多数能量位于0.76～10μm之间）。大多数工程材料在此范围内，当作灰体处理引起的误差是可以容许的8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系灰体的概念及其工程应8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系吸收比与发射率的关系-基尔霍夫定律实际物体吸收比和发射率间的关系

板1为黑体，板2为一般物体，两板间辐射换热的热流密度

Ｔ１Ｔ２ＥbＥαＥb（1-α）Ｅb12平行平板间的辐射换热8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系吸收比与发射率的关系8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系吸收比与发射率的关系-基尔霍夫定律实际物体吸收比和发射率间的关系

在热平衡条件下任何物体的辐射和它对来自黑体辐射的吸收比的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。或热平衡条件满足时，任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率Ｔ１Ｔ２ＥbＥαＥb（1-α）Ｅb12平行平板间的辐射换热8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系吸收比与发射率的关系8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系吸收比与发射率的关系-基尔霍夫定律漫射灰体吸收比和发射率间的关系

按灰体的定义其吸收比与波长无关，在一定温度下是一个常数；其次物体的发射率是物性参数，与环境无关。假设在某一温度T下，一灰体与黑体处于热平衡，按基尔霍夫定律。然后，考虑改变灰体的环境，使其所受的辐射不是来自同温下的黑体辐射，但保持其自身温度不变，此时考虑到发射率及灰体吸收比的上述性质，显然仍应有。所以，对于漫射的灰体表面一定有。也就是说，对于灰体，不论投入辐射是否来自黑体，也不论是否处于热平衡条件，其吸收比恒等于同温度下的发射率8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系吸收比与发射率的关系8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系吸收比与发射率的关系-基尔霍夫定律三个层次上的基尔霍夫定律基尔霍夫定律有几种不同层次上的表达式，其适用条件不同

层次数学表达式成立条件光谱，定向光谱，半球全波段，半球无条件，θ为纬度角漫射表面与黑体辐射处于热平衡或对漫灰表面8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系吸收比与发射率的关系8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系关于基尔霍夫定律及灰体假设的几点说明对工程计算而言，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，则灰体的假定即可成立，而不必要求在全波段范围内为常数。在工程常见的温度范围（≤2000K）内，许多工程材料都具有这一特点物体的辐射力越大，其吸收能力也越大。善于辐射的物体必善于吸收，反之亦然。所以同温度下黑体的辐射力最大8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系关于基尔霍夫定律及灰8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系关于基尔霍夫定律及灰体假设的几点说明当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体作为灰体，即不能把物体在常温下的发射率作为对太阳能的吸收比。因为太阳辐射中可见光占了近一半，而大多数物体对可见光波的吸收表现出强烈的选择性。如白漆常温下的发射率高达0.9，但在可见光范围内，吸收比仅0.1～0.2。8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系关于基尔霍夫定律及灰8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系温室效应4.78mm厚的普通玻璃

，对于波长0.3μm＜

λ＜3μm的热辐射有

很高的穿透比，而对

λ＞3μm的热辐射的

穿透比甚小。太阳光

谱99%的能量集中在λ=0.2～3μm的波长段，大部分太阳光辐射能量穿过玻璃，进入由面向太阳光的玻璃形成的有吸热面构成的封闭腔内，如果封闭腔内的吸热面材料的光谱发射率在该波长段较小，使得吸收的热辐射能量大于发射辐射能量，从而产生所谓温室效应该温室效应被用于：太阳能热水器、植物温室等方面8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系温室效应8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系温室效应在过去一个世纪中由于世界范围内工业发展排放的大量对红外波段的辐射具有一定吸收率的气体，如二氧化碳、多种CFC（氯氟烃）制冷剂，聚集在地球的外围，一方面好像给地球罩了一层玻璃窗，以可见光为主的太阳能可以达到地球表面，而地球上一般温度下的物体所辐射的红外范围的热辐射则大量被这些气体吸收，无法散发到宇宙空间中，使得地球表面的温度逐渐升高，形成温室效应8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系温室效应8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系温室效应CFC制冷剂分解的

氯气造成对臭氧层

的严重破坏，造成

南极臭氧层出现空

洞8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系温室效应8-5太阳与环境辐射概述太阳能的合理利用是解决世界能源问题的有效途径之一太阳是一个巨大的热辐射体，其直径为1.393×109m，是地球的109倍。太阳与地球的平均距离为1.5×1011m。太阳能是一种无污染的清洁能源，它的利用越来越受到世界各国的重视。我国幅员辽阔，太阳能资源十分丰富。虽然太阳发出的能量大约只有二十二亿分之一到达地球，但平均每秒照射到地球上的能量远远高于全球能源的总消费量。因此太阳能的合理利用是解决世界能源问题的有效途径之一8-5太阳与环境辐射概述8-5太阳与环境辐射概述利用太阳能要了解的一些问题达到地球表面的太阳辐射有多大？太阳能在从太空穿过大气层到达地球表面的过程中会遇到哪些吸收与削弱影响？太阳的辐射能中各种波长能量的分布如何？8-5太阳与环境辐射概述8-5太阳与环境辐射太阳能辐射的特点辐射温度

太阳是个炽热的气团，它的内部不断地进行着核聚变反应，由此产生的巨大能量以辐射方式向宇宙空间发射出去。到达地球的大气层外缘的能量（即太阳的入射能），具有如图中位置较高的实线所示的光谱特性，相当于温度为5762K的黑体辐射8-5太阳与环境辐射太阳能辐射的特点8-5太阳与环境辐射太阳能辐射的特点辐射波长范围与光谱能量分布

99%的能量集中在λ=0.2～3μm的波长段，最大能量位于0.48μm的波长处

光谱能量分布如图随一年的日期、一天中的时间、地球纬度及大气污染等因素不同，地面接受到的太阳辐射在0～1100W/m2范围内变化8-5太阳与环境辐射太阳能辐射的特点8-5太阳与环境辐射太阳常数

日地间平均距离处，大气层外缘与太阳射线相垂直的单位面积所接受到的太阳辐射能称为太阳常数，记为Sc，其值为：1367±1.6W/m2。它与地理位置或一天中的时间无关8-5太阳与环境辐射太阳常数

日地间平均距离处，大气层外缘与8-5太阳与环境辐射大气层外缘水平面上每单位面积接受到的太阳辐射能8-5太阳与环境辐射大气层外缘水平面上每单位面积接受到的太阳8-5太阳与环境辐射照射到地球上的太阳辐射能的近似值

式中d为地球直径1kg标准煤的发热值是29.3×106J，因此照射到地球的太阳能相当于每秒燃烧600万吨标准煤的热量地球上多种能量的来源，来自于太阳辐射能充分有效地利用太阳能对于实施能源的可持续发展方针，保持地球的良好生态环境具有重要意义8-5太阳与环境辐射照射到地球上的太阳辐射能的近似值

8-5太阳与环境辐射太阳能穿过大气层时的削弱大气的反射云层和大气中漂浮的较大颗粒把太阳辐射反射回宇宙空间大气的散射和吸收大气中的O3、N2、O2、H2O及各种CFC气体对太阳辐射有吸收作用。其中O3对紫外线有强烈的吸收作用，减少紫外线对人类的伤害工业城市的污染大气可使到达地面的太阳辐射能降低10%～20%8-5太阳与环境辐射太阳能穿过大气层时的削弱8-5太阳与环境辐射太阳能穿过大气层时的削弱散射对太阳投入辐射的重新辐射分子散射(Rayleigh散射)基本向整个空间均匀

地进行,因此大约一

半射向宇宙空间,另

一半到达地面8-5太阳与环境辐射太阳能穿过大气层时的削弱8-5太阳与环境辐射太阳能穿过大气层时的削弱米散射(Mie散射)由于大气层中的尘埃与悬浮微粒所造成,它使得辐射能基本沿着投入方向继续向前传递,因此这部分散射能量可以认为全部到

达地球表面上8-5太阳与环境辐射太阳能穿过大气层时的削弱8-5太阳与环境辐射投射到地面的太阳辐