傳熱學(xué)第八章-熱輻射基本定律和輻射特性

第八章熱輻射基本定律和輻射特性傳熱學(xué)HeatTransfer8-1熱輻射的基本概念熱輻射：由物體內(nèi)部微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量；輻射傳熱：物體間通過(guò)相互熱輻射與吸收傳遞熱量的過(guò)程。熱輻射的特點(diǎn)：

任何物體，只要溫度高于0K，就會(huì)不停地向周?chē)臻g發(fā)出熱輻射；

無(wú)需介質(zhì)，可以在真空中傳播。輻射傳熱與導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱的區(qū)別（回憶：thebarnisonfire!）

無(wú)需任何的介質(zhì)；伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變（發(fā)射時(shí)熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠埽諘r(shí)輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?；輻射能力正比于熱力學(xué)溫度的四次方；

發(fā)射和吸收不僅與自身的溫度和表面狀況相關(guān)，還取決于波長(zhǎng)和方向；輻射傳熱量是物體間相互輻射與吸收的動(dòng)態(tài)平衡(當(dāng)物體間處于熱平衡時(shí)，凈輻射換熱量等于零，但是相互間的輻射與吸收仍在進(jìn)行)。注意熱輻射與輻射傳熱的概念區(qū)別傳熱學(xué)HeatTransfer8-1熱輻射的基本概念電磁波：交變電磁場(chǎng)在空間的傳播。與彈性介質(zhì)中的機(jī)械波不同，電磁波的傳播不需要介質(zhì)，且傳播速度等于光速。

電磁波傳播速度、頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系：c=fλ真空c＝3×108m/s電磁波頻譜：High-energyphysicist/nuclearengineerThermalengineerElectricalengineer計(jì)及太陽(yáng)輻射（5800K）的熱射線(xiàn):λ＝0.1～100μm工業(yè)領(lǐng)域溫度范圍（<2000K）的熱射線(xiàn):λ＝0.76～20μm可見(jiàn)光（λ＝0.38～0.76μm）紅外線(xiàn)（λ＝0.76～1000μm）微波（λ＝1mm～1m）傳熱學(xué)HeatTransfer8-1熱輻射的基本概念物體對(duì)熱輻射的吸收、反射與穿透：可見(jiàn)光、聲波、熱射線(xiàn)式中α、ρ和τ分別為吸收比、反射比和穿透比黑體：α＝1鏡體（白體）：ρ＝1透明體：τ＝1對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于不含顆粒的氣體：輻射表面的狀況影響大輻射表面的狀況影響小，容器的形狀影響大理想輻射體能量守恒傳熱學(xué)HeatTransfer8-1熱輻射的基本概念物體對(duì)熱輻射的吸收、反射與穿透：鏡面反射（表面粗糙度<波長(zhǎng)）漫反射（表面粗糙度>波長(zhǎng)）輻射表面的狀況對(duì)固體、液體輻射能的反射一般工程材料表面均為漫反射傳熱學(xué)HeatTransfer8-1熱輻射的基本概念熱輻射的基本屬性：發(fā)射和吸收不僅與自身的溫度和表面狀況相關(guān)，還取決于波長(zhǎng)和方向頻譜分布特性方向性分布特性傳熱學(xué)HeatTransfer8-2黑體熱輻射基本定律黑體：吸收比α＝1，能夠全部吸收各種波長(zhǎng)熱輻射能的理想物體。在相同溫度的物體中，黑體的輻射能力最大。輻射換熱的基本研究方法：將真實(shí)物體的輻射與黑體進(jìn)行比較和修正，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得修正系數(shù)，從而獲得真實(shí)物體的熱輻射規(guī)律。

黑體模型內(nèi)壁吸收比0.6時(shí)，如果小孔與內(nèi)壁面積比小于0.6％，則該模型的吸收比>0.996，近似為黑體傳熱學(xué)HeatTransfer熱輻射的能量表示參數(shù)：輻射力E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。(W/m2)；（亦稱(chēng)為半球輻射力，注意單位）光譜輻射力Eλ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)(包含某一給定波長(zhǎng))，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。(W/m3)；（亦稱(chēng)為半球光譜輻射力）輻射力是光譜輻射力曲線(xiàn)下的總面積黑體一般采用下標(biāo)b表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的光譜輻射力為Ebλ黑體輻射三大定律：普朗克定律、斯忒潘-玻耳茲曼定律、蘭貝特定律8-2黑體熱輻射基本定律一定溫度下單位面積黑體輻射的總能量＝？總能量中各個(gè)波段的能量分別占多少比例？輻射能在空間是如何分布的？傳熱學(xué)HeatTransfer普朗克定律：揭示了黑體輻射能的光譜特性，即黑體的光譜輻射力Ebλ隨波長(zhǎng)和溫度變化的規(guī)律。Ebλ＝f（λ,T）

λ—波長(zhǎng)，m；T—黑體溫度，K；c1

—第一輻射常數(shù)，3.7419×10-16Wm2；

c2—第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2mK；8-2黑體熱輻射基本定律傳熱學(xué)HeatTransfer普朗克定律：揭示了黑體輻射能的光譜特性，即黑體的光譜輻射力Ebλ隨波長(zhǎng)和溫度變化的規(guī)律。溫度越高，黑體的光譜輻射力越大；一定溫度下，黑體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)的增加而“先增后減”。對(duì)應(yīng)黑體最大光譜輻射力的波長(zhǎng)λm與溫度的關(guān)系（維恩位移定律）：8-2黑體熱輻射基本定律Thesunemitsapproximatelyasablackbodyat5800K,themaximumemissionisinthevisiblespectralregion.Atungstenfilamentlampoperatingat2900Kemitswhitelight,butmostoftheemissionremainsintheinfraredregion.Theluminousefficiencyispoor.

Duringthesteel-makingprocedure,thesurfacecolorofthesteelingotwillvaryfromredtowhitewithincreasingtemperature,Why?傳熱學(xué)HeatTransfer斯忒潘-玻耳茲曼定律：揭示了黑體輻射能的特性，即黑體的輻射力Eb隨波長(zhǎng)和溫度變化的規(guī)律。黑體輻射常數(shù)：σ=5.67×10-8W/(m2K4)特定波段的黑體輻射力：溫度提高一倍，輻射力增加16倍8-2黑體熱輻射基本定律傳熱學(xué)HeatTransfer特定波段的黑體輻射力＝黑體輻射函數(shù)×黑體輻射力σT4黑體輻射函數(shù)：特定波段黑體輻射力與相同溫度下全波段黑體輻射力σT4的百分比。黑體輻射函數(shù)表表8-18-2黑體熱輻射基本定律傳熱學(xué)HeatTransfer立體角：球面面積除以球半徑的平方稱(chēng)為立體角，單位：sr(球面度)，黑體輻射力定義為半球空間的總能量，如何描述半球空間不同方向的輻射能量分布？半球面立體角Ω＝2π（sr）球面微元立體角蘭貝特定律：揭示了黑體輻射能的空間分布特性8-2黑體熱輻射基本定律傳熱學(xué)HeatTransfer定向輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位可見(jiàn)輻射面積輻射的在單位立體角內(nèi)的輻射能量。蘭貝特定律：黑體輻射的定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)。

I(θ)＝I＝constdΩ立體角內(nèi)的輻射力（定向輻射力）：黑體輻射能的空間分布（定向輻射力）不均勻，在法向最大，切向最小。黑體定向輻射力與定向輻射強(qiáng)度的關(guān)系8-2黑體熱輻射基本定律ABC輻射面積Vs可見(jiàn)輻射面積傳熱學(xué)HeatTransfer半球空間所有波長(zhǎng)輻射能量的總和（半球輻射力E）：遵守蘭貝特定律的黑體輻射，半球輻射力等于定向輻射強(qiáng)度的倍。Planck定律:給出了特定波長(zhǎng)下的輻射力；Stefan-Boltzmann定律:給出了一切波長(zhǎng)下的總輻射力；Lambert定律：描述了輻射能量按空間方向分布的規(guī)律；Wien位移定律：給出了單色輻射力峰值波長(zhǎng)λm與溫度T的關(guān)系8-2黑體熱輻射基本定律傳熱學(xué)HeatTransfer8-3實(shí)際固體和液體的輻射特性由于實(shí)際物體的輻射能力小于同溫度下的黑體，實(shí)際物體引入發(fā)射率（黑度）ε第一章黑體ε＝1實(shí)際物體:(W/m2)(W)MethodologyBlackbodysurfaceemissivityRealsurface傳熱學(xué)HeatTransfer8-3實(shí)際固體和液體的輻射特性EmissionfromRealSurfacevs.BlackbodySpectraldistributionDirectionaldistributionTotal,hemisphere實(shí)際物體的輻射力空間分布不同于黑體，其定向輻射強(qiáng)度與方向有關(guān)。定向發(fā)射率ε(θ)：實(shí)際物體定向輻射強(qiáng)度與同溫度黑體定向輻射強(qiáng)度的比值EmissionfromRealSurfacevs.BlackbodySpectraldistributionDirectionaldistributionTotal,hemisphere光譜發(fā)射率：實(shí)際物體光譜輻射力與同溫度黑體光譜輻射力的比值。傳熱學(xué)HeatTransfer8-3實(shí)際固體和液體的輻射特性EmissionfromRealSurfacevs.BlackbodySpectraldistributionDirectionaldistributionTotal,hemisphere發(fā)射率：實(shí)際物體輻射力與同溫度黑體輻射力的比值。光譜發(fā)射率傳熱學(xué)HeatTransfer8-3實(shí)際固體和液體的輻射特性實(shí)際物體具有漫射表面（滿(mǎn)足蘭貝特定律的表面）時(shí)，一般忽略空間分布的差異，認(rèn)為定向發(fā)射率的半球空間平均值ε＝法向發(fā)射率εn（高度磨光表面除外），直接查表8-2確定。Ib實(shí)際物體黑體漫射體漫射體：定向輻射強(qiáng)度I隨θ的分布滿(mǎn)足蘭貝特定律的物體，I(θ)=const,ε(θ)<1物體表面的發(fā)射率僅與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。由表8-2：對(duì)于同一金屬材料，高度磨光表面發(fā)射率低，粗糙表面或氧化表面發(fā)射率高；非金屬材料表面發(fā)射率較高。傳熱學(xué)HeatTransfer8-4實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系物體輻射換熱熱輻射的發(fā)射熱輻射的吸收發(fā)射率與溫度和表面狀況有關(guān)，與外界條件無(wú)關(guān)，是物性參數(shù)熱輻射的吸收與外界條件有關(guān)！投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能。吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)；選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變化，稱(chēng)為選擇性吸收。光譜吸收比（單色吸收比）：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。傳熱學(xué)HeatTransfer實(shí)際物體光譜吸收比與波長(zhǎng)的關(guān)系利用物體選擇性吸收的特性：暖房、墨鏡、世間萬(wàn)物的不同色彩…注意解釋物體顏色時(shí)：物體可見(jiàn)光波段光譜輻射力與物體選擇性吸收和反射的概念區(qū)別。煉鋼爐中鋼錠呈紅色，常溫下物體呈紅色，兩者的區(qū)別？8-4實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系傳熱學(xué)HeatTransfer利用物體的光譜吸收比和光譜發(fā)射率計(jì)算吸收比：投入輻射源為黑體：復(fù)雜！簡(jiǎn)化？8-4實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系下標(biāo)1：所研究的物體下標(biāo)2：產(chǎn)生投入輻射的物體傳熱學(xué)HeatTransfer實(shí)際物體的選擇性吸收使得計(jì)算十分復(fù)雜簡(jiǎn)化灰體灰體：光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱(chēng)為灰體。不管投入輻射的光譜分布如何，吸收比都保持不變。與黑體類(lèi)似，它也是一種假想的理想物體。對(duì)于大部分工程熱輻射問(wèn)題來(lái)講，溫度范圍300～2000K之間，光譜能量主要在紅外區(qū)域，灰體假設(shè)帶來(lái)的誤差是可以接受的。即對(duì)于大部分紅外波段的工程熱輻射問(wèn)題，可以將物體視為灰體。引入漫射表面（體）的假設(shè)可忽略實(shí)際物體發(fā)射輻射能的空間分布特性，引入灰體的假設(shè)可忽略實(shí)際物體選擇性吸收投入輻射的特性。8-4實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系傳熱學(xué)HeatTransferEmissionfromRealSurfacesAbsorptionbyRealSurfacesEmissionfromRealSurfaceisdirectionaldependentEmissionfromRealSurfaceisdirectionalindependentDiffusesurface(漫射表面)AbsorptionbyRealSurfaceisspectraldependentGraysurface(灰體表面)AbsorptionbyRealSurfaceisspectralindependent8-4實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系關(guān)聯(lián)?傳熱學(xué)HeatTransfer物體輻射換熱熱輻射的發(fā)射熱輻射的吸收基爾霍夫定律基爾霍夫定律：建立了實(shí)際物體輻射力與吸收比的關(guān)聯(lián)。

在熱平衡時(shí)，任意物體對(duì)黑體投入輻射的吸收比等于同溫度下物體的發(fā)射率。注意：實(shí)際物體與黑體間滿(mǎn)足基爾霍夫定律的前提在于處于熱平衡狀態(tài)（T1=T2）8-4實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系傳熱學(xué)HeatTransfer具有漫反射特性的灰體嚴(yán)格滿(mǎn)足基爾霍夫定律說(shuō)明：存在三種表述方式；

“善輻射者必善吸收”？大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域溫度范圍內(nèi)（<2000K）的物體均可視為漫灰體；研究物體表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收時(shí)不適用。漫灰體8-4實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系傳熱學(xué)HeatTransfer研究物體表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收時(shí)不能視為灰體，即因?yàn)榇蠖鄶?shù)的物體對(duì)于太陽(yáng)輻射的可見(jiàn)光的吸收具有較強(qiáng)的選擇性（選擇性吸收）白漆、黑漆常溫下發(fā)射率＝0.9，但是吸收比差異大；太陽(yáng)能集熱器；溫室效應(yīng)：暖房：玻璃對(duì)太陽(yáng)輻射具有強(qiáng)烈的選擇性吸收—大部分太陽(yáng)輻射（0.2～2μm）穿透玻璃，而內(nèi)部的物體熱輻射（≥3μm）穿透率低。

地球：CO2、CFC制冷劑（R12等）對(duì)≥3μm的紅外波段吸收率高，而對(duì)于太陽(yáng)輻射穿透率高—溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)8-4實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收與輻射的關(guān)系傳熱學(xué)HeatTransfer1.到達(dá)大氣層外緣的太陽(yáng)輻射∞5762K的黑體輻射；2.太陽(yáng)常數(shù)Sc＝1370±6W/m2，太陽(yáng)輻射總輻射能＝1.76×1017W。3.太陽(yáng)輻射的光譜特性及其受大氣層的削弱。8-