傳熱學-第8章

1、 主要從宏觀的角度介紹熱輻射的基本概念、基本定律。8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念8-2 黑體熱輻射的基本定律8-3 固體和液體的輻射特性8-4 實際物體對輻射能的吸收與輻射的關(guān)系8-5 太陽與環(huán)境輻射 第8章 熱輻射基本定律和輻射特性 熱輻射在機理上與導熱、對流有根本的不同。熱輻射在機理上與導熱、對流有根本的不同。 導熱與對流是由于物質(zhì)微觀粒子的熱運量和導熱與對流是由于物質(zhì)微觀粒子的熱運量和物體的宏觀運動所造成的能量轉(zhuǎn)移。物體的宏觀運動所造成的能量轉(zhuǎn)移。 熱輻射是由于物質(zhì)的熱輻射是由于物質(zhì)的電磁運動電磁運動所引起的能量所引起的能量的傳遞。（分子和原子振動的結(jié)果。）的傳遞。（分子和原子振動的結(jié)果。

2、）8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念 1、熱輻射的定義及區(qū)別導熱對流的特點8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念 特點：在傳遞過程中不需要任何介質(zhì)；熱輻射過程中不僅有熱量的轉(zhuǎn)移過程，而且還有能量形式的轉(zhuǎn)換；任何物質(zhì)，只要TK，均可輻射熱量；輻射傳熱，是指物體間相互輻射和吸收的總效果。熱平衡時，物體表面的熱輻射仍在不停的進行，其凈的輻射傳熱量等于零。1、熱輻射的定義及區(qū)別導熱對流的特點微粒性：發(fā)射和吸收時光子光子能量E波動性：傳播時電磁波波長或頻率f特性：8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念 2、從電磁波的角度描述熱輻射的特性電磁波，符合波粒二象性特點。電磁波的速率、波長和頻率存在關(guān)系： c= f 電磁輻射波譜：輻射線

3、名稱宇宙射線伽馬射線倫琴射線紫外線可見光紅外線無線電波波長/m 110-7 110-110-5 110-5210-2 210-20.38 0.380.76 0.761103 110321010 熱射線注：固體液體的光譜連續(xù)；氣體光譜不連續(xù)8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念 2、從電磁波的角度描述熱輻射的特性8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念 2、從電磁波的角度描述熱輻射的特性 理論上熱輻射的波長范圍從零到無窮大，但在日常生活和工業(yè)上常見的溫度范圍內(nèi)，熱輻射的波長主要在0.1m至100m之間,包括部分紫外線、可見光和部分紅外線三個波段 。 輻射換熱的主要影響因素：（1）物體本身的溫度、表面輻射特性； （2）

4、物體的大小、幾何形狀及相對位置。 8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念 2、從電磁波的角度描述熱輻射的特性 當熱輻射的能量投射到物體表面上時，會當熱輻射的能量投射到物體表面上時，會發(fā)生發(fā)生吸收吸收、反射反射和和穿透穿透現(xiàn)象。若外界單位時間現(xiàn)象。若外界單位時間投射到單位物體表面上的總能量為投射到單位物體表面上的總能量為Q（即（即投入投入輻射輻射），被物體吸收部分為），被物體吸收部分為Q ，被物體反射部，被物體反射部分為分為Q ，穿透物體部分為，穿透物體部分為Q 。按能量守恒定律。按能量守恒定律有：有： 8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念 2、從電磁波的角度描述熱輻射的特性QQQQ 反射輻射能: Q W 吸收輻

5、射能: Q W 透射輻射能: Q W吸收比: QQ 反射比:QQ透射比: QQ18-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念 2、從電磁波的角度描述熱輻射的特性如果投入輻射是某一波長的輻射能Q ，則 QQQQQQ光譜吸收比 光譜反射比 光譜透射比 100Q dQ d00Q dQ d00Q dQ d 與 的關(guān)系：, 8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念 2、從電磁波的角度描述熱輻射的特性（1）對于固體和液體：）對于固體和液體：當熱輻射投射到固體當熱輻射投射到固體或液體表面時，一部分被反射，其余部分在很或液體表面時，一部分被反射，其余部分在很薄的表面層內(nèi)就吸收完了，所以可以把它們的薄的表面層內(nèi)就吸收完了，所以可以把它們的

6、吸收和反射視為一個表面過程，因此吸收和反射視為一個表面過程，因此固體和液固體和液體的熱輻射是表面輻射體的熱輻射是表面輻射。 由于熱射線不能穿過由于熱射線不能穿過固體和液體，因此可認為固體和液體，因此可認為透射比透射比 =0。1固、液體：固、液體：吸收能力大的物體其反射本領(lǐng)就小吸收能力大的物體其反射本領(lǐng)就小。 8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念 2、從電磁波的角度描述熱輻射的特性（2）對于氣體：）對于氣體：當熱輻射投射到氣體時，當熱輻射投射到氣體時，氣氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，可認為體對輻射能幾乎沒有反射能力，可認為反射反射比比 =0。氣體對熱射線的吸收和穿透是在空間氣體對熱射線的吸收和穿透是在空

7、間中進行的，其自身的輻射也是在空間中完成中進行的，其自身的輻射也是在空間中完成的。因此的。因此氣體的熱輻射是容積輻射氣體的熱輻射是容積輻射，其表面，其表面狀況則無關(guān)緊要。狀況則無關(guān)緊要。 18-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念 2、從電磁波的角度描述熱輻射的特性8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念 2、從電磁波的角度描述熱輻射的特性由于不同物體的吸收比、反射比和透射比因具由于不同物體的吸收比、反射比和透射比因具體條件不同差別很大，給熱輻射的計算帶來很體條件不同差別很大，給熱輻射的計算帶來很大困難。為使問題簡化，定義一些理想物體：大困難。為使問題簡化，定義一些理想物體：透射比透射比= 1的物體稱為的物體稱為透明

8、體透明體。實際中完全。實際中完全的透明體是不存在的，但在一定條件下，如玻的透明體是不存在的，但在一定條件下，如玻璃材料對于可見光，或空氣對于紅外線，都可璃材料對于可見光，或空氣對于紅外線，都可視為透明體。視為透明體。8-1 熱輻射現(xiàn)象的基本概念 2、從電磁波的角度描述熱輻射的特性反射比反射比= 1物體稱為物體稱為白體白體（具有漫反射的表（具有漫反射的表面）或面）或鏡體鏡體（具有鏡反射的表面）。（具有鏡反射的表面）。物體表面是漫反射還是鏡反射，這要物體表面是漫反射還是鏡反射，這要取決于物取決于物體表面相對于輻射波長的表面粗糙程度體表面相對于輻射波長的表面粗糙程度。當表面的不平整尺寸當表面的不平整

9、尺寸遠小于遠小于投投入輻射的波長時，形成入輻射的波長時，形成鏡面反射鏡面反射，此時入射角等于反射角。此時入射角等于反射角。鏡反射表鏡反射表面的自身輻射也是鏡發(fā)射的面的自身輻射也是鏡發(fā)射的。高度。高度磨光的金屬板會形成鏡反射。磨光的金屬板會形成鏡反射。 1 2 1= 22021-11-315當表面的不平整尺寸與投入輻當表面的不平整尺寸與投入輻射的波長射的波長同一量級同一量級時，形成時，形成漫反射漫反射。這時從某一方向投射到物體表面上這時從某一方向投射到物體表面上的輻射向空間各方向反射出去。的輻射向空間各方向反射出去。漫漫反射表面的自身輻射也是漫發(fā)射的反射表面的自身輻射也是漫發(fā)射的。對全波長范圍的

10、熱輻射能完全鏡反射或漫對全波長范圍的熱輻射能完全鏡反射或漫反射的實際物體不存在，絕大多數(shù)材料在工業(yè)反射的實際物體不存在，絕大多數(shù)材料在工業(yè)溫度范圍（溫度范圍（1400火焰顏色暗紅櫻桃紅橙黃白色熾熱體隨著溫度的升高，熱輻射中可見光中短波的比例不斷增加。8-3 固體和液體的輻射特性bEEb0bE dE8.3.2 實際物體的光譜輻射力光譜發(fā)射率（光譜黑度，單色黑度）： 實際物體的光譜輻射力小于同溫度下的黑體同一波長下的光譜輻射力，兩者之比稱為實際物體的光譜發(fā)射率。光譜發(fā)射率與實際物體發(fā)射率：8-3 固體和液體的輻射特性部分物體的光譜發(fā)射率隨波長的變化8.3.2 實際物體的光譜輻射力8-3 固體和液體

11、的輻射特性8.3.3 實際物體的定向輻射強度 實際物體的輻射按空間方向的分布，不一定符合蘭貝特定律。不同方向上定向輻射強度不同定向發(fā)射率（定向黑度）：為與輻射面法向成 角的方向上的定向輻射強度為同溫度下黑體的定向輻射強度8-3 固體和液體的輻射特性()()黑體黑體漫射體漫射體011 黑體的發(fā)射率=1，在極坐標中，其定向發(fā)射率為半徑為1的半圓。 定向輻射強度隨的分布滿足蘭貝特定律的物體，其定向發(fā)射率在極坐標中為半徑1的半圓，這樣的物體叫漫射體。1、定向發(fā)射率隨角的變化規(guī)律8-3 固體和液體的輻射特性1、定向發(fā)射率隨角的變化規(guī)律 實際物體發(fā)射率 ，是指在整個半球范圍內(nèi)的輻射能與黑體的輻射能之比。根

12、據(jù)能量守恒：22)()(dIdIEEbbb8-3 固體和液體的輻射特性2、定向發(fā)射率 ()與半球平均發(fā)射率 間的關(guān)系nM偏差系數(shù)M：金屬表面1.01.3，高度磨光的表面取上限 非導體0.951.0，粗糙表面取上限8-3 固體和液體的輻射特性2、定向發(fā)射率 ()與半球平均發(fā)射率 間的關(guān)系 從圖中看出，大部分范圍內(nèi)，定向發(fā)射率基本是常數(shù)，可以用其法向的發(fā)射率來近似代替： 實際物體發(fā)射率數(shù)值大小取決于材料的種類、溫度和表面狀況，通常由實驗測定。 絕大多數(shù)實際工程材料來說，可以近似地認為半球總發(fā)射率等于法向發(fā)射率，即n8-3 固體和液體的輻射特性3、影響物體發(fā)射率的因素法向發(fā)射率隨溫度的變化8-3 固

13、體和液體的輻射特性3、影響物體發(fā)射率的因素常用材料表面的法向發(fā)射率 對對實實際際物物體體輻輻射射特特性性的的總總結(jié)結(jié)： 實實際際物物體體單單色色輻輻射射力力與與波波長長有有關(guān)關(guān)； 實實際際物物體體的的輻輻射射按按空空間間分分布布不不遵遵從從蘭蘭貝貝特特定定律律； 黑黑度度與與材材料料種種類類、 表表面面狀狀況況和和溫溫度度有有關(guān)關(guān)， 與與外外界界無無關(guān)關(guān)。 8-3 固體和液體的輻射特性例8-5：試計算溫度處于1400的碳化硅涂料表面的輻射力。解：由表82查得當10101400時，碳化硅 的 n =0.820.92，故可取對應(yīng)1400的 n為0.92，即 = n =0.92，輻射力為： 2344

14、4240W/m10409K1002731400KmW67. 592. 0100TcE例8-6：實驗測得2500K鎢絲的法向單色發(fā)射率如圖所示，計算其輻射力及發(fā)光效率。 解：dEEbb0)(1)20(2)20(12220111bbbbbFFdEdEEK5000K2500m10261mT 0.450.450.10.1 / / mm1 2 31 2 3由于設(shè)鎢絲為漫射表面 （2）計算可見光范圍的輻射能，取可見光波長為0.380.76 mK950K2500m38. 001mmTK1900K2500m76. 002mmTP360表8-1=0.332可見發(fā)光效率很低。由表8-1查得:0523. 0,000

15、3. 0)76. 00()38. 00(bbFF0.0521則，可見光范圍的輻射能為：24442W/m1018. 5100K2500KmW67. 545. 0)0003. 00523. 0(E0.0521-5.16%27. 7W/m1013. 7W/m1018. 52524EE發(fā)光效率為:5.16 Semi-transparent medium8-4 實際物體對輻射的吸收與輻射的關(guān)系8-4 實際物體對輻射的吸收與輻射的關(guān)系8.4.1 實際物體的吸收比投入輻射： 單位時間內(nèi)從外界投入到物體單位表面上的輻射能吸收比： 物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)稱為該物體的吸收比實際物體吸收比的大小： 取決于兩個

16、方面的因素（吸收物體本身情況+投入輻射特性） 吸收物體本身的情況：物質(zhì)的種類、物體溫度以及表面情況 投入輻射特性：發(fā)射物體的性質(zhì)和溫度單單色色吸吸收收率率物物體體對對投投入入輻輻射射某某一一特特定定波波長長的的輻輻射射能能吸吸收收的的百百分分數(shù)數(shù)。(光譜吸收比光譜吸收比)8-4 實際物體對輻射的吸收與輻射的關(guān)系1. 光譜吸收比 實際物體吸收比，指投入到物體表面上各種不同波長輻射能的總體吸收比，是個平均值表征物體對某一波長輻射能吸收特性的物理量表征物體對某一波長輻射能吸收特性的物理量 顏色對非金屬材料的吸收率有一定的影響，尤其是對可見光的影響顏色對非金屬材料的吸收率有一定的影響，尤其是對可見光的

17、影響較大，對紅外輻射影響較小。較大，對紅外輻射影響較小。如白漆對可見光的吸收率為如白漆對可見光的吸收率為 0.120.12，黑，黑漆對可見光的吸收率為漆對可見光的吸收率為 0.960.96，兩者對紅外線的吸收率均為，兩者對紅外線的吸收率均為 0.90.9。 8-4 實際物體對輻射的吸收與輻射的關(guān)系1. 光譜吸收比8-4 實際物體對輻射的吸收與輻射的關(guān)系選擇性吸收的工程應(yīng)用物體的吸收具有選擇性： 物體的光譜吸收比隨波長變化的這種特性。 1）溫室效應(yīng)植物或蔬菜栽培用的暖房； 2）焊接工人用的眼鏡； 3）世上萬物呈現(xiàn)不同顏色 2. 實際物體的吸收具有選擇性8-4 實際物體對輻射的吸收與輻射的關(guān)系00

18、Q dQ db0b0( , )( ,)( ,)( ,)()TT ET dT ET d選擇性吸收的工程應(yīng)用物體的吸收具有選擇性： 物體的光譜吸收比隨波長變化的這種特性。 1）溫室效應(yīng)植物或蔬菜栽培用的暖房； 2）焊接工人用的眼鏡； 3）世上萬物呈現(xiàn)不同顏色 2. 實際物體的吸收具有選擇性實際物體吸收的選擇性給輻射傳熱的計算造成了很大困難 在工程常見的溫度范圍內(nèi)（ 10 m時, ( ) = 0.8。（非灰體）；爐墻內(nèi)壁接受來自燃燒著的煤層的輻射，煤層溫度為2000K。設(shè)煤層的輻射可作為黑體輻射，爐墻為漫射表面，試計算爐墻發(fā)射率及其對煤層輻射的吸收比。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）按吸收比定義： dTEdTETbb)()(),(20210因為爐墻是漫射的，),(),(TT故有:)(3)(2)0(13211)()()(bbbFFF其中的輻射函數(shù)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這里 (T1) = 0.61，而 (T1, T2)=0.395， 。這是由于在所研究的波長范圍內(nèi)， ( )不是常數(shù)所致。 K20000K20001022mmT查得：9856. 0)0(2F而 太陽直徑約 km（球體輻射源），離地球的平均距離約 km，到達地球的太陽射線近似于平行。 61.392 1081.496 10 天頂角 8-5 太陽與環(huán)境輻射 雖然太陽發(fā)出的能量只有二