第八章热辐射的基本定律-传热学

1第八章热辐射的基本定律§8-1基本概念§8-2热辐射的基本定律2辐射的定义与特点:

物质由基本微观粒子组成，当原子内部的电子受激和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，此为辐射。不同的激发方式，产生电磁波的波长不同，它们投射到物体上产生的效应不同。31.定义热辐射－thermalradiation:物体由于热的原因（温度高于0K）(自身温度或热运动)而发射电磁波的现象。§8-1基本概念一.热辐射的本质与特点辐射换热－radiationheattransfer:

物体之间通过热辐射交换热量的过程。

当系统达到热平衡时，辐射换热量为零，但热辐射仍然不断进行。4任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；固有属性;可以在真空中传播；伴随能量形式的转变；具有强烈的方向性；辐射能与温度和波长均有关2.特点51)

f＝C2)电磁波谱式中：C—介质中的光速，m/s；f

—

频率，s-1;λ—

波长，m3.热辐射具有电磁波的共性

电磁辐射包含了多种形式，工业上有实际意义的热辐射区域一般波长为0.1-100μm。6理论上覆盖整个电磁波谱；对于太阳辐射（约5800K）：0.2

2

m；可见光0.38

0.76

m

红外线0.76

25

1000

m一般工业范围内（2000K以下）：

0.38

100

m0.76

20

m远红外加热技术7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。二物体对热辐射的吸收、反射和穿透

物体对热辐射的吸收、反射和穿透G

8对于大多数的固体和液体透明体对于不含颗粒的气体对于黑体镜体或白体只涉及表面整个气体容积假想的9镜反射和漫反射镜反射漫反射表面不平整尺寸小于辐射波长表面不平整尺寸大于辐射波长10定义：球面面积除以球半径的平方单位：sr(球面度)1立体角三辐射强度与辐射力11

dA2dA1

r122辐射强度

单位时间内，在给定辐射方向上，物体在与发射方向垂直的方向上的每单位投影面积，在单位立体角内所发射全波长的能量,其符号为I，单位为W/（m2.sr）dA’13单色辐射强度：单位时间内，与发射方向垂直的每单位投影面积，在波长

附近的单位波长间隔内、单位立体角内所发射的能量；I

，单位为W/（m2.sr）14单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。单位：W/m2E从总体上表征了物体辐射能力的大小。3辐射力E

emissivepower15根据E与I定义可知：单位可见面积，单位立体角单位发射面积16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，向半球空间所发射的能量，E

，单位为W/（m2.）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全波长的能量，E在法线方向上：En=In17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。181.为什么？一黑体模型2.黑体模型可以全部吸收透射到其表面上的所有波长的辐射能；理想的吸收体现实世界中并不存在严格意义上的黑体；实验室模型比较标准，对比研究实际物体的辐射特性§8-2热辐射的基本定律19带有小孔的温度均匀的空腔

小孔的孔径越小

越大；温度均匀是为了保证辐射均匀且各向同性。黑体模型20

－Stefan-Boltzmann常数,5.67

10-8W/(m2·K4)Cb－黑体辐射系数,5.67W/(m2·K4)黑体辐射力：注：黑体的所有辐射参数有下角标b21二、普朗克(Planck)定律式中：λ—波长，mT—黑体温度，Kc1—第一辐射常数，3.742×10-16W

m2；

c2—第二辐射常数，1.4388×10-2W

K；

揭示了黑体单色辐射力与波长、温度之间的关系22黑体的单色辐射力随温度升高而增大，短波区增大速度比长波区大。在一定的温度下，黑体的单色辐射力随波长的增加，先是增大，然后有减小，其中有一峰值2324三、维恩位移定律黑体的峰值波长与热力学温度T之间的函数关系随着温度T的升高，最大单色辐射力所对应的峰值波长逐渐向短波方向移动25例8－1测得对应于太阳最大单色辐射力的峰值波长约为，若太阳可以近似看成黑体，求太阳的表面温度解：根据维恩位移定律，可得：由维恩位移定律，可根据黑体的光谱求黑体温度。如果已知黑体温度，则可以求得最大单色辐射力所对应的波长26讨论：黑体温度在3800K以下时，其峰值波长处在红外线区域。因此，在一般工程中所遇到的辐射换热，基本上属于红外辐射。思考：金属在加热过程中，随着温度的升高，金属颜色呈暗红、红、黄、白，请解释这一现象。27四、斯蒂芬-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律确定黑体辐射力Eb黑体辐射力Eb受温度T影响很大，温度增加2倍，辐射力增加16倍。参考书上例8-3根据Planck定律，导出Stefan-Boltzmann定律28Planck定律和Stefan-Boltzmann定律的关系：29五、黑体辐射函数波长λ1与λ2之间的辐射能计算如下:30通常,将黑体的波段辐射力表示成同温度下黑体辐射力Eb的百分数,记为Fb(0-λT)31根据黑体辐射函数，可以计算出给定温度下λ1－λ2波段内的黑体辐射力为：32解：利用黑体辐射函数表来完成在给定波长范围内，透射到玻璃上的能量占总能量的百分数为：0.9717－0.0696＝90.21％太阳辐射透过该玻璃的百分数为：90.21％×0.85=76.68％例8－2已知某太阳能集热器的透光玻璃在波长从λ1=0.35μm至λ2=2.7μm范围内的透光率为85%,在此范围之外是不透过的.试计算太阳辐射对该玻璃的透光率.把太阳能当成黑体,表面温度为5762K.33讨论：集热器玻璃表面温度低，它的长波辐射对玻璃阻挡，短波透过玻璃。这种特性能够减少集热器表面透过玻璃向外的辐射热损失。如果用这种玻璃作为房屋的窗子，结果如何？34说明：黑体辐射力中不同波长辐射能的比例温度（K）可见光红外线1000<0.1%>99.9%300011.4%88.5%600045.5%43.0%351)定向辐射强度I(

,

)在单位时间内、单位可见辐射面积上、单位立体角内发射的一切波长的能量单位：W/m2·sr六.兰贝特余弦定律(Lambert’sLaw)2)Lambert定律：黑体表面具有漫辐射性质，在半球空间各个方向辐射强度相等361)定向辐射强度与方向无关的规律说明：2)除了黑体表面，还有漫射表面服从Lambert定律又称余弦定律3)黑体的在辐射力法向方向最大，切线方向为零373黑体定向辐射强度与辐射力之间的关系对于漫射表面，辐射力是任意方向辐射强度的倍38一般通过实验测定只取决于物体本身，与外界无关七基尔霍夫定律1.实际物体的辐射发射率温度为T的单色定向发射率单色发射率:定向发射率:单色定向发射率39说明实际物体的辐射力并不严格遵从四次方定律,怎么办？认为E∝T4由此引起的误差修正归入用实验方法确定的

中因此

除了与物性有关，还与物体本身的温度有关计算式402实际物体的光谱辐射力E

1)光谱发射率

：0～1一般与波长有关与波长无关的物体同温度T412)光谱辐射力E

不同于Planck定律423实际物体的定向辐射强度1)定向发射率

（

）

（

）：0～1一般与

有关实际物体

同温度与

有关43

实际物体定向发射率

（

）的变化规律金属导体0～30º，

（

）

常数然后随

增大而增大接近90º时急剧减小44非金属0～60º，

（

）

常数，然后随

增大而急剧减小

45实际物体的辐射强度在半球空间的不同方向不同，书上图8-7给出了实际物体定向发射率在空间各个方向上的变化情况462)

法向黑度

n实际物体的

（

）随

变化很大所以，大多数工程材料

n473)影响

、

、

的因素仅仅取决于物体自身，与外界无关

物体的种类物体表面温度物体表面状况：氧化与否、光滑程度等48

对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb

和定向辐射强度L，分别引入了三个修正系数，即：发射率

，光谱发射率

(

)和定向发射率

(

)，其表达式和物理意义如下实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：说明:49灰体概念的引入：物体单色辐射力与同温度黑体的单色辐射力随波长的变化曲线相似，或者单色发射率不随波长变化。50(1)实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见右图；(2)实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；(3)实际物体的定向辐射强度也不严格遵守Lambert定律。所有这些差别全部归于上面的系数；在工程上一般都将真实表面假设为漫发射面。51

灰体定义：物体的光谱吸收比与波长无关好处：对外界一视同仁理想模型

在一般工业温度水平，大多数工程材料均可看成灰体吸收特性与辐射特性之间有什么关系？52投入辐射：单位时间从外界辐射到物体单位表面积上的能量称为该物体的投入辐射，G吸收率：物体对投入辐射所吸收的百分数称为该物体的吸收率物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分比为单色吸收率物体某一特定波长、特定方向的辐射能所吸收的百分比为单色定向吸收率4基尔霍夫定律现在讨论实际物体的吸收特性与发射特性的关系53基尔霍夫定律rdA1dA254dA1dA2r55ελ,θ,T和αλ,θ,T都是物体表面的辐射特性,它们仅仅取决于表面自身的温度.即使不是热平衡条件,表面间存在辐射换热,则仍然有ελ,θ,T=αλ,θ,T56漫射表面，辐射特性与方向无关，故有：灰表面，辐射特性与波长无关，故有：漫灰表面，辐射特性与方向和波长都无关，故有：一般在工程中，只要参与辐射各物体的温差不过分悬殊，可以把物体表面当成漫灰表面57例8-3：某漫射表面温度T1＝300K，其单色吸收率如图所示。将其放在壁温T2＝1200K的黑空腔中，计算此表面的吸收率和发射率0.20.40.60.81.01、吸收率与单色吸收率的关系：解：根据题意，此表面为漫射非灰表面，辐射特性与方向无关，与波长有关，因此按照波长分段计算580.20.40.60.81.0Gλ:投射单色辐射,该投射来自温度T=1200K的黑体,因此 59利用黑体辐射函数，计算查表8－1：602、发射率与单色发射率的关系：0.20.40.60.81.0漫射表面,ελ=αλ,表面温度T1=300K,故61利用黑体辐射函数，计算查表8－1：对于非漫表面,ελ=αλ,但是ε≠α在本题的计算中,α=0.69,ε=0.1162

黑体投入辐射系统处于热平衡

＝

的条件63思考题1.什么是黑体,灰体?实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体?2.光谱辐射力,辐射力和定向辐射强度