天津理工大學(xué)安全綜合傳熱學(xué)第4章

1、第四章第四章 輻射換熱輻射換熱u 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念u 熱輻射的基本定律熱輻射的基本定律u 實(shí)際物體的輻射實(shí)際物體的輻射第第4-1節(jié)節(jié) 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念l 熱輻射的本質(zhì)熱輻射的本質(zhì) 在物體內(nèi)，在物體內(nèi)，當(dāng)原子內(nèi)部的電子受激和振動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生交替變當(dāng)原子內(nèi)部的電子受激和振動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生交替變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，發(fā)出的磁波向空間傳播，這就是輻射。化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，發(fā)出的磁波向空間傳播，這就是輻射。 輻射有一個(gè)重要特點(diǎn)，就是它是輻射有一個(gè)重要特點(diǎn)，就是它是“對(duì)等的對(duì)等的”。不論物體。不論物體( (氣體氣體) )溫度高低都向外輻射，甲物體可以向乙物體輻射，同溫度高低都向外輻射，甲物體可

2、以向乙物體輻射，同時(shí)乙也可向甲輻射。這一點(diǎn)不同于傳導(dǎo)，傳導(dǎo)是單向進(jìn)行的。時(shí)乙也可向甲輻射。這一點(diǎn)不同于傳導(dǎo)，傳導(dǎo)是單向進(jìn)行的。 發(fā)射輻射能是各類物質(zhì)的固有特性。由于激發(fā)的發(fā)射輻射能是各類物質(zhì)的固有特性。由于激發(fā)的原因原因不不同，所產(chǎn)生的電磁波波長(zhǎng)就不同，它們投射到物體上產(chǎn)生的同，所產(chǎn)生的電磁波波長(zhǎng)就不同，它們投射到物體上產(chǎn)生的效應(yīng)也不同。如果是由于自身溫度或熱運(yùn)動(dòng)的原因而激發(fā)的效應(yīng)也不同。如果是由于自身溫度或熱運(yùn)動(dòng)的原因而激發(fā)的電磁波傳播，就稱為熱輻射。電磁波傳播，就稱為熱輻射。 各類電磁波的波長(zhǎng)分布如圖各類電磁波的波長(zhǎng)分布如圖4-1。波長(zhǎng)波長(zhǎng)=0.380.76m的電磁波屬可見光，的電磁波屬可

3、見光，波長(zhǎng)波長(zhǎng)1000m的電磁波是無線電波。的電磁波是無線電波。 熱輻射的熱輻射的波長(zhǎng)波長(zhǎng)主要集中在主要集中在=0.11000m的的范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，其其中包括可見光線，部分紫外線和部分紅外線，它們投射到物中包括可見光線，部分紫外線和部分紅外線，它們投射到物體上能產(chǎn)生熱效應(yīng)。體上能產(chǎn)生熱效應(yīng)。圖圖 4-1 電磁波波譜電磁波波譜l 熱輻射的特點(diǎn)熱輻射的特點(diǎn) 熱射線的本質(zhì)決定了熱輻射過程有以下特點(diǎn)：熱射線的本質(zhì)決定了熱輻射過程有以下特點(diǎn)： 1、它不依靠物質(zhì)的接觸而進(jìn)行熱量傳遞它不依靠物質(zhì)的接觸而進(jìn)行熱量傳遞 導(dǎo)熱和對(duì)流換熱都必須有冷熱物體直接接觸或通過中間導(dǎo)熱和對(duì)流換熱都必須有冷熱物體直接接觸或通過

4、中間介質(zhì)相接觸才能進(jìn)行。介質(zhì)相接觸才能進(jìn)行。 2、輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化 即物體的部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁波能發(fā)射出去，當(dāng)其輻射即物體的部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁波能發(fā)射出去，當(dāng)其輻射到另一物體表面而被吸收時(shí)，電磁能到另一物體表面而被吸收時(shí)，電磁能又又轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 3、一切物體只要溫度大于絕對(duì)零度，都不斷地發(fā)射熱射線一切物體只要溫度大于絕對(duì)零度，都不斷地發(fā)射熱射線 即使各物體的溫度相同，輻射換熱仍在不斷進(jìn)行，只是即使各物體的溫度相同，輻射換熱仍在不斷進(jìn)行，只是每一物體輻射出去的能量等于吸收的能量，處于動(dòng)態(tài)平衡。每一物體輻射出去的能量等于吸收的能量

5、，處于動(dòng)態(tài)平衡。l 吸收、反射與透射吸收、反射與透射 與可見光一樣，當(dāng)熱輻射能投射到實(shí)際物體表面上時(shí)，與可見光一樣，當(dāng)熱輻射能投射到實(shí)際物體表面上時(shí)，將有一部分被物體表面吸收，有一部分被物體反射，其將有一部分被物體表面吸收，有一部分被物體反射，其余部分透過物體，如動(dòng)畫余部分透過物體，如動(dòng)畫4 4-1所示。所示。動(dòng)畫動(dòng)畫 4-1 物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透 單位時(shí)間內(nèi)投射到單位面積物體表面上的全波長(zhǎng)范圍單位時(shí)間內(nèi)投射到單位面積物體表面上的全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能稱為內(nèi)的輻射能稱為投入輻射投入輻射，用，用 q q 來表示。其中被物體吸收、來表示。其中被物體吸收、反射和

6、透射的部分分別為反射和透射的部分分別為 q q 、q q 和和 q q，所占的份額分別，所占的份額分別為：為： = q= q/q /q ； = q= q/q /q ； = q= q/q /q ；、分別為物體對(duì)投射輻射能的吸收比、分別為物體對(duì)投射輻射能的吸收比、反射比反射比與與透射比。透射比。 據(jù)能量守恒定律，據(jù)能量守恒定律，q = qq = q + q + q + q + q （式（式5-15-1） 則，則， += 1 += 1 （式（式5-25-2）（1）如果吸收比）如果吸收比= 1，則表明該物體能吸收全波長(zhǎng)域的，則表明該物體能吸收全波長(zhǎng)域的所有輻射能，稱為絕對(duì)黑體。它吸收熱輻射的能力最強(qiáng)。

7、所有輻射能，稱為絕對(duì)黑體。它吸收熱輻射的能力最強(qiáng)。（2）如果）如果= 1= 1，則表明該物體能反射所有投射來的輻射，則表明該物體能反射所有投射來的輻射能，稱為絕對(duì)白體，簡(jiǎn)稱白體。能，稱為絕對(duì)白體，簡(jiǎn)稱白體。（3 3）如果）如果= 1= 1，則表明該物體能全部透過投射來的輻射，則表明該物體能全部透過投射來的輻射能，稱為絕對(duì)透明體，簡(jiǎn)稱透明體。能，稱為絕對(duì)透明體，簡(jiǎn)稱透明體。v黑體黑體 = 1= 1的物體稱為黑體，黑體是一種的物體稱為黑體，黑體是一種理想物體，在自然界是不存在的，不過理想物體，在自然界是不存在的，不過有有些物質(zhì)很接近黑體，如瀝青（些物質(zhì)很接近黑體，如瀝青（=0.98）雪和霜（雪和霜

8、（=0.97）等。也可制造出接近）等。也可制造出接近于黑體的模型，如圖于黑體的模型，如圖4-2。 人工黑體模型：一個(gè)內(nèi)表面吸收比較高的空腔，空腔的壁面上有一個(gè)人工黑體模型：一個(gè)內(nèi)表面吸收比較高的空腔，空腔的壁面上有一個(gè)小孔。只要小孔的尺寸與空腔相比足夠小，則從小孔進(jìn)入空腔的輻射能小孔。只要小孔的尺寸與空腔相比足夠小，則從小孔進(jìn)入空腔的輻射能經(jīng)過空腔壁面的多次吸收和反射后，幾乎全部被吸收，相當(dāng)于小孔的吸經(jīng)過空腔壁面的多次吸收和反射后，幾乎全部被吸收，相當(dāng)于小孔的吸收比接近于收比接近于1，即接近于黑體。，即接近于黑體。 黑體研究的重要意義：由于實(shí)際物體的熱輻射特性和規(guī)律非常復(fù)雜，黑體研究的重要意義

9、：由于實(shí)際物體的熱輻射特性和規(guī)律非常復(fù)雜，所以人們首先研究黑體輻射的性質(zhì)和規(guī)律，把實(shí)際物體的輻射特性與之所以人們首先研究黑體輻射的性質(zhì)和規(guī)律，把實(shí)際物體的輻射特性與之比較，找出與黑體輻射的區(qū)別，再將黑體輻射的規(guī)律進(jìn)行修正后用于實(shí)比較，找出與黑體輻射的區(qū)別，再將黑體輻射的規(guī)律進(jìn)行修正后用于實(shí)際物體。際物體。圖圖 4-2 人工黑體模型人工黑體模型 反射比反射比 = 1 的物體稱為鏡體（或白體）。拋光的的物體稱為鏡體（或白體）。拋光的金屬表面接近白體（金屬表面接近白體（ = 0.97） 透射比透射比 = 1 的物體稱之為絕對(duì)透明體。鏡體、絕的物體稱之為絕對(duì)透明體。鏡體、絕對(duì)透明體與黑體一樣，都是一種

10、理想物體，自然界中并對(duì)透明體與黑體一樣，都是一種理想物體，自然界中并不存在。不存在。 另外，不能憑物體顏色的黑白來判斷它對(duì)熱輻射另外，不能憑物體顏色的黑白來判斷它對(duì)熱輻射吸收比的大小。例如，白雪對(duì)紅外線的吸收比高達(dá)吸收比的大小。例如，白雪對(duì)紅外線的吸收比高達(dá)0.97；白布和黑布對(duì)可見光的吸收比差別很大，但對(duì)；白布和黑布對(duì)可見光的吸收比差別很大，但對(duì)紅外線的吸收比基本相同紅外線的吸收比基本相同.l 鏡反射與漫反射鏡反射與漫反射 物體表面對(duì)熱輻射的反射有兩種現(xiàn)象：鏡反射與漫反物體表面對(duì)熱輻射的反射有兩種現(xiàn)象：鏡反射與漫反射。鏡反射的特點(diǎn)是反射角等于入射角，如動(dòng)畫射。鏡反射的特點(diǎn)是反射角等于入射角，

11、如動(dòng)畫4-2所示所示 漫反射時(shí)被反射的輻射能在物體表面上方空間各個(gè)方漫反射時(shí)被反射的輻射能在物體表面上方空間各個(gè)方向上均勻分布，如動(dòng)畫向上均勻分布，如動(dòng)畫4-3所示。所示。動(dòng)畫動(dòng)畫 4-2 鏡反射鏡反射動(dòng)畫動(dòng)畫 4-3 漫反射漫反射1、鏡反射、漫反射的條件：、鏡反射、漫反射的條件： 取決于物體表面的粗糙程度和投射輻射能的波長(zhǎng)。取決于物體表面的粗糙程度和投射輻射能的波長(zhǎng)。 當(dāng)物體表面粗糙度當(dāng)物體表面粗糙度投投時(shí)，產(chǎn)生鏡反射，例如高度拋時(shí)，產(chǎn)生鏡反射，例如高度拋光的金屬表面就會(huì)產(chǎn)生鏡反射；光的金屬表面就會(huì)產(chǎn)生鏡反射； 當(dāng)物體表面粗糙度當(dāng)物體表面粗糙度投投時(shí)，產(chǎn)生漫反射。時(shí)，產(chǎn)生漫反射。2、 之間的

12、關(guān)系之間的關(guān)系 一般固體、液體都是不透明體，即一般固體、液體都是不透明體，即 = 0，則式則式4-2 可簡(jiǎn)化為：可簡(jiǎn)化為： += 1 = 1 （式（式4-34-3） 可見，固體和液體材料如果吸收能力大，則反射能力可見，固體和液體材料如果吸收能力大，則反射能力小，反之，吸收能力小，則反射能力大。小，反之，吸收能力小，則反射能力大。 氣體對(duì)輻射能幾乎沒有反射能力，即氣體對(duì)輻射能幾乎沒有反射能力，即= 0= 0，則式則式4-24-2簡(jiǎn)化為：簡(jiǎn)化為： + = 1 = 1 （式（式4-44-4） 可見，透射性好的氣體吸收能力差，透射性差的氣體可見，透射性好的氣體吸收能力差，透射性差的氣體吸收能力好。吸收

13、能力好。平面角的度量：所對(duì)的弧長(zhǎng)平面角的度量：所對(duì)的弧長(zhǎng)s除以半徑除以半徑r，即，即 = s/r （式（式4-5）立體角的度量：半球表面上立體角的度量：半球表面上被立體角所切割的面積被立體角所切割的面積da2除除以半徑的平方以半徑的平方r2, 即，即， （式（式4-6）第第4-2節(jié)節(jié) 輻射基本定律輻射基本定律l 輻射能量與輻射力輻射能量與輻射力1 1、輻射能量的表示方法：方向角和立體角、輻射能量的表示方法：方向角和立體角 輻射能是按空間方向分布的，在不同方向上有不同的數(shù)值；輻射能是按空間方向分布的，在不同方向上有不同的數(shù)值； 輻射能又是按波長(zhǎng)分布的，不同波長(zhǎng)具有不同的能量。輻射能又是按波長(zhǎng)分布

14、的，不同波長(zhǎng)具有不同的能量。 圖圖 4-3 立體角立體角221rdad2 2、輻射強(qiáng)度：、輻射強(qiáng)度：i(i(單位：?jiǎn)挝唬簑/mw/m2 2sr)sr) 定義：物體表面在某輻射方向上的單位投影面積，在定義：物體表面在某輻射方向上的單位投影面積，在單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)發(fā)射的全波域的能量，稱為輻單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)發(fā)射的全波域的能量，稱為輻射強(qiáng)度或定向輻射強(qiáng)度。射強(qiáng)度或定向輻射強(qiáng)度。表達(dá)式為：表達(dá)式為：圖圖 4-4 輻射強(qiáng)度的定義輻射強(qiáng)度的定義單色輻射強(qiáng)度（單色輻射強(qiáng)度（i i）：）： 輻射波長(zhǎng)輻射波長(zhǎng)在在dd范范圍內(nèi)發(fā)射的能量。圍內(nèi)發(fā)射的能量。表達(dá)式為表達(dá)式為: : （式（式4-8） （式（式

15、4-9）（式（式4-7） ddii0 diicos1112daddqi 3 3、輻射力：、輻射力： e（單位：?jiǎn)挝唬簑/m2 ） 定義：在單位時(shí)間內(nèi)，每單位面積的物體表面發(fā)射定義：在單位時(shí)間內(nèi)，每單位面積的物體表面發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能總和稱為該物體表面的的全部波長(zhǎng)的輻射能總和稱為該物體表面的輻射力輻射力。e 與與 i 的關(guān)系：的關(guān)系： （式（式4-10）單色輻射力（單色輻射力（ e ） （式（式4-11）定向輻射力（定向輻射力（ e ） （式（式4-12） ddeeie coscosiel 熱輻射的基本定律熱輻射的基本定律1、普朗克定律、普朗克定律 1900年，普朗克（年，普朗克（m.pla

16、nckm.planck）根據(jù)量子理論，揭示）根據(jù)量子理論，揭示了黑體單色輻射力了黑體單色輻射力 與與t t、之間的函數(shù)關(guān)系，稱為普之間的函數(shù)關(guān)系，稱為普朗克定律，朗克定律，即：即：（式（式4-13）1251tcbece be2、 隨隨t、變化的規(guī)律變化的規(guī)律 黑體輻射力相當(dāng)于絕對(duì)溫度黑體輻射力相當(dāng)于絕對(duì)溫度t曲線下的面積，由圖可知：曲線下的面積，由圖可知：（1） 黑體的輻射力隨著波長(zhǎng)的增加，先增大，后減小。黑體的輻射力隨著波長(zhǎng)的增加，先增大，后減小。（2） 隨著溫度的升高，隨著溫度的升高，t曲線下的面積增大，黑體輻射力增強(qiáng)，曲線下的面積增大，黑體輻射力增強(qiáng)，而且而且 所對(duì)應(yīng)的所對(duì)應(yīng)的 ，也隨著

17、，也隨著t t 的增加，曲線峰值向左移動(dòng)，的增加，曲線峰值向左移動(dòng)，移向較短的移向較短的， t t與與的關(guān)系：的關(guān)系： （式（式4-144-14） 表明表明 與與 t t 成反比例規(guī)律，成反比例規(guī)律，稱為維恩位移定律。稱為維恩位移定律。kmtm 6 .2897maxemax max 圖圖 4-3be2、斯特藩、斯特藩-波爾茲曼定律（四次方定律）波爾茲曼定律（四次方定律）（1）表達(dá)式）表達(dá)式 該定律主要用于確定黑體的輻射力，由普朗克表達(dá)式積該定律主要用于確定黑體的輻射力，由普朗克表達(dá)式積分而來，即分而來，即 積分后，得積分后，得 或或 其中，其中， b 黑體輻射常數(shù)，黑體輻射常數(shù)，5.6710-

18、8 w/m2k4 cb 黑體輻射系數(shù)，黑體輻射系數(shù)， 5.67 w/m2k4表明黑體輻射力僅與溫度有關(guān)，與表明黑體輻射力僅與溫度有關(guān)，與 t4 成正比。成正比。（式（式4-15）（式（式4-16） decetcb051124tebb 4100tcebb（2）黑體輻射函數(shù)）黑體輻射函數(shù) 工程上，為確定某波段的輻射能，常把波段內(nèi)的輻射能表工程上，為確定某波段的輻射能，常把波段內(nèi)的輻射能表示為占同溫度下黑體輻射力示為占同溫度下黑體輻射力 eb 的百分?jǐn)?shù)，稱為黑體輻射函數(shù)。的百分?jǐn)?shù)，稱為黑體輻射函數(shù)。 例如（例如（0-1）波段內(nèi)的輻射能占溫度為）波段內(nèi)的輻射能占溫度為t的黑體輻射力的百的黑體輻射力的百

19、分?jǐn)?shù)為分?jǐn)?shù)為4 40 0t tc c2 25 51 10 0d d1 1e ec cd d1 11 1t te ee ea ab bb b- -0 0b b1 1t （0-2）波段內(nèi)的輻射能占溫度為）波段內(nèi)的輻射能占溫度為t的黑體輻射力的百分?jǐn)?shù)為：的黑體輻射力的百分?jǐn)?shù)為：4 40 0t tc c2 25 51 1b b0 0b b) )- -( (0 0d d1 1e ec cd d2 22 22 2t te ee ea at tb b則（則（1-2）波段的輻射能占溫度為）波段的輻射能占溫度為t的黑體輻射力的百分?jǐn)?shù)為：的黑體輻射力的百分?jǐn)?shù)為：) )- -( (0 0) )- -( (0 0)

20、)( (1 12 22 21 1b bb bb ba aa aa ab bb bb bb be ea aa ae e) )- -( (0 0) )- -( (0 0 ) )( (1 12 22 21 1根據(jù)（根據(jù)（t）, 查表可確定查表可確定 和和（式（式5-17）) )- -( (0 01 1b ba a)2 2- -( (0 0b ba a3、蘭貝特定律、蘭貝特定律 黑體的輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)，即在半球空間各個(gè)方向上黑體的輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)，即在半球空間各個(gè)方向上的輻射強(qiáng)度都相等。的輻射強(qiáng)度都相等。（式（式4-18）（式（式4-19）c co os sc co os sn ne ei ie

21、en n2 21 1i ii ii i第第4-34-3節(jié)節(jié) 實(shí)際物體的輻射實(shí)際物體的輻射l 實(shí)際物體的輻射與吸收特性實(shí)際物體的輻射與吸收特性輻射及吸收特性：輻射及吸收特性： 實(shí)際物體的輻射力比黑體的要小，而且隨著實(shí)際物體的輻射力比黑體的要小，而且隨著不規(guī)則的變化，不規(guī)則的變化，其變化規(guī)律完全不同于黑體和灰體。如圖其變化規(guī)律完全不同于黑體和灰體。如圖4-4。實(shí)際物體的輻射力不嚴(yán)格遵守溫度的四次方定律實(shí)際物體的輻射力不嚴(yán)格遵守溫度的四次方定律; 輻射能在空間的分布不嚴(yán)格遵守蘭貝特定律，在各個(gè)方向上不輻射能在空間的分布不嚴(yán)格遵守蘭貝特定律，在各個(gè)方向上不完全相等。完全相等。4100tceebb圖圖

22、4-4 實(shí)際物體、灰體與黑體的單色輻射力和吸收率實(shí)際物體、灰體與黑體的單色輻射力和吸收率l 基爾霍夫定律基爾霍夫定律1 1、表達(dá)式的推導(dǎo)過程、表達(dá)式的推導(dǎo)過程2 2、表達(dá)式、表達(dá)式 （式（式4-194-19） 在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和它的吸收率的比在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和它的吸收率的比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力。值，恒等于同溫度下黑體的輻射力。基爾霍夫定律確定了實(shí)際物體的輻射和吸收率之間的聯(lián)系?；鶢柣舴蚨纱_定了實(shí)際物體的輻射和吸收率之間的聯(lián)系。 與物體發(fā)射率的定義式相比較，可以得到基爾霍夫定律與物體發(fā)射率的定義式相比較，可以得到基爾霍夫定律的另一表達(dá)式：的另一表達(dá)式： = = （式（式4-204-20） 該式表明該式表明, ,在溫度平衡的條件下在溫度平衡的條件下, ,實(shí)際物體的吸收率等于實(shí)際物體的吸收率等于其發(fā)射率其發(fā)射率, ,或物體的輻射能力