第7章-热辐射的基本定律.ppt

1、热传递，第7章：热辐射的基本定律和特征，7.1:热辐射现象的基本概念，7.1.1:热辐射的定义、特征和基本概念，辐射：物体通过电磁波传输能量的方式。由热引起的电磁波辐射称为热辐射。辐射传热物体之间相互辐射和吸收的总效应。特性，不需要与物体直接接触。热辐射可以在没有中间介质的真空中传输，而辐射能的传输在真空中最有效。在辐射传热过程中，不仅有能量的转换，还有能量形式的转换。辐射：在体内辐射热能；吸收：辐射能在发射器中接收热能，只要温度大于零，就会有能量辐射。不仅高温物体向低温物体辐射热能，低温物体也向高温物体辐射热能。物体的辐射能力与其温度特性有关，并与绝对温度的四次方成正比。7.1.2从电磁波的

2、角度描述热辐射的特性。电磁波的传播速度：C=f，其中：f频率，s-1；波长，m，1，传播速度与波长和频率的关系，2，电磁波谱，热辐射：0.1100米，包括可见光、部分紫外线和红外线，0.38，图7-1电磁辐射谱，0.76，应用红外辐射，以波长25米为界，分为近红外线和远红外线，应用远红外加热技术微波当热辐射投射到物体上时， 它遵循可见光定律，其中一部分被物体吸收，一部分被反射，其余部分透过物体。3。物体表面对电磁波、热辐射的吸收、反射和穿透的影响，(1)吸收率、反射率和穿透率、吸收率、反射率和穿透率之间的一般关系，对于大多数固体和液体，对于没有粒子的气体，固体和液体对输入辐射的吸收和反射特性是

3、在物体表面进行的，不涉及物体内部。气体的辐射和吸收是在整个气体体积中进行的，表面条件是不相关的。(2)固体表面有两种反射：镜面反射：入射角=反射角，表面粗糙度波长，漫反射：表面粗糙度波长，一般工程材料都形成漫反射。图7-4漫反射和图7-3镜面反射，可以提出以下研究辐射特性的理想辐射模型：黑体：=1=0=0；白车身：=0=1=0；透明体：=0=0=1。在自然和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白体和透明体是不存在的，但有类似于它们的根的物体。例如，煤的吸收率达到0.96，抛光金的反射率几乎等于0.98，空气在常温下对热射线是透明的。7.1.3黑体模型及其重要性，具有小孔的等温空腔表面，如果有外

4、部投射的辐射从小孔进入空腔，它将在其内表面上经历多次吸收和反射，并且最终可以从小孔中重新选择的辐射能量将非常小。人们认为几乎所有的入射能量都被空腔吸收了。从这个意义上说，小孔非常接近黑体的性质。黑体具有最大吸收力(=1)和最大辐射力(=1)。实际物体中没有绝对黑体，所以引入了人造黑体，如图所示。7.2黑体热辐射基本定律，光谱辐射力E:单位波长的能量，包括单位时间内从单位表面积辐射到其上半球空间所有方向的波长，称为光谱辐射力(W/m2m)。辐射力E:单位时间内从物体的单位表面积发射到半球空间的所有能量波长的总和(W/m2)。总的来说，它代表了一个物体发射辐射能的能力。e和e的关系是：显然，e和e

5、的关系如下：黑体是属其中，波长，m；黑体温度，k；C1第一辐射常数，3.741910-16Wm2；C2第二辐射常数，1.438810-2wk；7.2.2普朗克定律(1900)，描述黑体光谱辐射力随波长和温度的变化。普朗克定律的图解、黑体光谱辐射力对波长和温度的依赖性以及m和t之间的关系由维恩位移定律给出：维恩位移定律是在普朗克定律之前发现的，但它可以通过微分普朗克定律并使其等于零来获得。应用维恩位移定律，当T=2000K，最大值=2.910-3/2000=1.45米，当t=5800K，最大值=2.910-3/5800=0.50米时，对应于普通物体最大辐射力的波长在红外区，波长实际上，有时需要一

6、定波长的辐射能。例如图中1和2之间的线下的区域。黑体在波长1和2下发射的辐射力：特定波长范围内的黑体辐射力，黑体辐射的波段分布，黑体辐射函数。一般来说，在相同的温度下，波段范围内的辐射能量表示为黑体辐射力的百分比(从0到0的整个光谱的辐射能量)，其表示为。黑体辐射函数【黑体辐射函数】试图在3000和6000千的温度下找到黑体辐射中可见光的份额。Fb(1-2)=Fb(0-2)-Fb(0-1)=11.5%-. 14%=11.36%。同样，可以得出结论，可见光范围内5000千黑体的比例为FB(1-2)=FB(0-2)-FB(0-1)=57.0%-11.5%=45.5%。可见光的波长范围是从0.38到

7、0.76，在3000K下黑体的测试值是1140和2280。查表81显示Fb(0-1)和Fb(0-2)分别是0.14%和11.5%。因此，可见光的份额被定义为：立体角是一个空间角，也就是说，被立体角切割的球体面积除以球体半径的平方称为立体角，其单位为sr(球形度)。1，立体角，7.3.2兰伯特兰伯特定律、定义：单位可视面积发射的能量，落在空间任何方向的单位立体角内。2、方向辐射强度一、可见面积：在不同方向可以看到的辐射面积不同。微型元件的辐射面dA位于球心的地面上，在任何方向p上看到的辐射面积不是dA，而是dAcos。黑体辐射的方向辐射强度与方向无关。根据朗伯定律，单位面积黑体辐射的能量在空间的

8、不同方向上分布不均匀，其方向辐射力根据余弦定律随纬度角变化。兰伯特定律也被称为余弦定律。黑体辐射能量在不同方向的分布是不均匀的：法线方向最大，切线方向最小(零)。兰伯特指出，黑体辐射的定向辐射强度是一个常数，与空间方向无关。黑体辐射力E:遵循兰伯特定律，其辐射力在数值上等于定向辐射强度的倍数。斯特凡-玻尔兹曼定律：确定黑体辐射力普朗克定律：黑体辐射能量随波长的分布规律，兰伯特定律：黑体辐射能量随空间方向的分布规律。维恩位移定律：确定黑体光谱辐射力峰值所在的最大波长。黑体辐射定律概述，7.3.1真实物体的辐射力，7.3固体和液体的辐射特性，真实物体的辐射力：在相同温度下，黑体发射热辐射的能力最强

9、，包括所有方向和所有波长。在相同温度下，真实物体表面的发射能力低于黑体；因此，发射率(也称为黑度)被定义为：在相同的温度下，实际物体的辐射力与黑体的辐射力之比为：上述公式仅适用于平均方向和光谱的情况，但实际上，真实表面的发射率随方向和光谱而变化。7.3.2实际物体的光谱辐射力和实际材料表面的光谱辐射力不符合普朗克定律，或者不同波长下的光谱发射率不同光谱发射率：实际物体的光谱辐射力与黑体的比值，实际物体的光谱发射率与发射率之间的关系，实际物体的辐射力与温度并不是严格的四次关系，这在实际中是使用的，校正系数与t有关。方向发射率：实际物体的方向辐射强度与黑体的方向辐射强度之比。7.3.3实际物体的定

10、向辐射强度，1。方向辐射强度随角度而变化，漫射体：表面的方向发射率()与方向无关，即方向辐射强度与方向无关，满足上述规则的物体称为漫射体，它与大多数实际表面非常接近。服从兰伯特辐射定律，方向发射率在极坐标中是一个半圆。在一定的角度范围内，几个不同方向的金属导体的方向发射率(t=150)可以从0视为常数，然后随着角度的增加而急剧增加。在接近90的最小角度范围内，它再次减小(在最小角度内，图中未示出)，并且几个非导电材料在不同方向上的方向发射率()(t=093.3)、060、()基本不变；60，()显著下降；90，()下降到0，2，方向发射率和半球平均发射率之间的关系。无论是金属还是非金属，在半球

11、空间的大部分区域，定向发射率都是一个常数。它可以用法线方向的发射率来近似。对于高度抛光的金属表面：M=1.01.3非导体：M=0.951.0，认为大多数工程材料的M=1。一般工程手册中给出的物体发射率通常是法向发射率的值。3。影响物体发射率的因素。f(物质种类、表面状况、表面温度)仅与发射的物体有关，不涉及外部条件。不同种类的物质：白色大理石，室温0.95；常温镀锌板0.23同一物体的不同温度：50小时为铝表面严重氧化0.2；500时为0.3，相同的材料，不同的表面条件：室温下为0.22的钝黄铜；抛光黄铜的发射率为0.05，大多数非金属材料的发射率一般在0.850.95之间；并且与表面条件几乎

12、没有关系，在没有数据的情况下可以近似取为0.9。对应于黑体的辐射力Eb、光谱辐射力Eb和方向辐射强度L，分别引入了三个修正系数，即发射率、光谱发射率()和方向发射率()。它们的表达式和物理意义如下：实际物体的辐射力与黑体的辐射力之比为3360，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：输入辐射：单位时间投射到单位表面积上的总辐射能量，7.4.1实际物体的吸收率，7.4辐射能的吸收与实际物体辐射的关系， 吸收率：物体对输入辐射的吸收率，通常用物体的实际吸收率来表示，它不仅与物体本身的情况有关，还取决于投射辐射的特性。 物体本身的状况：材料的种类、

13、物体的温度和表面状况。1.光谱吸收率：物体在特定波长吸收的辐射能量的百分比称为光谱吸收率，也称为单色吸收率。光谱吸收率随波长的变化反映了真实物体的选择性吸收特性。物体的光谱吸收率随波长而变化，这称为物体的吸收选择性。2.对实际物体的吸收是有选择性的。工程应用：塑料薄膜温室，温室，焊接，生活中的例子：颜色。根据以前的定义，物体的吸收率不仅与其表面性质的温度有关，而且还与输入辐射的能量分布有关。如果下标1和下标2分别代表研究对象和产生输入辐射的对象，则对象1的吸收率为：3。由于实际物体的吸收选择性，很难计算辐射传热。如果输入辐射来自黑体，abo7.4.2灰体的概念及其工程应用，介绍的意义：无论输入

14、辐射的分布是什么，它都是恒定的，即一个物体的吸收率只取决于它自身的情况，与外界情况无关。像黑色的身体，灰色的身体也是一个理想的对象。工业中常见的热辐射的主要波长范围在红外范围内(主要在0.76到10微米之间)。在这个范围内，大多数工程材料作为灰处理所引起的误差是可以容忍的。这种简化处理给辐射传热分析带来了极大的方便。发射辐射和吸收辐射之间的关系：最简单的推导是两个无限平板之间的热力学平衡方法。如图所示，板1是黑体，板2是任意物体。参数分别是Eb、T1和E、T2。当系统处于热平衡时，吸收率和发射率之间的关系存在基尔霍夫定律。在热平衡条件下，任何物体的辐射与其对黑体辐射的吸收率之比总是等于相同温度

15、下黑体的辐射力。当系统处于T1=T2状态，即热平衡条件下，q=0时，当这个关系推广到任何物体时，可以写成如下关系：在热平衡中，任何物体对黑体辐射输入的吸收率等于该物体的发射率。基尔霍夫定律的数学表达式之一，基尔霍夫定律的数学表达式之一，它表明物体的吸收率及其在热力学平衡状态下的发射率。但是，该公式有以下局限性：整个系统处于热平衡状态；投影辐射源必须是相同温度下的黑体。弥漫的灰体，灰体的吸收率与波长无关，在一定温度下是常数；物体的发射率是一个物理参数，与环境条件无关。假设在一定温度下，根据基尔霍夫定律(t) (t)，一个灰色物体和一个黑体处于热平衡状态；改变灰体的环境，使其接收的辐射不是来自相同

16、温度的黑体辐射，而是保持自身温度不变；应该还有(T)(T)。因此，表面上一定有一些带有漫射的灰。对于灰色物体，无论输入辐射是否来自黑体，也无论它是否处于热平衡状态，在相同温度下，它的吸收率总是等于发射率。在未来的讨论中，除非另有说明，假设辐射表面具有漫射灰色表面。为了将基尔霍夫定律应用到实际工程中，人们研究和推导了各种适用条件，并形成了不同层次的定律表达式。表8-2基尔霍夫定律的不同表述，例如，在北方深秋的清晨，树叶上经常结霜。树叶的哪边结霜了？为什么？树叶的上表面会结霜。因为在清晨，上表面面向空间，下表面面向地面。当空间表面温度低于0时，地球表面温度一般在0以上。与树叶的下表面相比，树叶的上表面需要向空间辐射更多的能量，因此树叶的下表面温度较高，而上表面温度较低，可能低于零，因此容易结霜。在图中所示