熱輻射和輻射換熱.ppt

1、第八章 熱輻射和輻射換熱,熱輻射和輻射換熱應(yīng)用: 1.井噴點(diǎn)燃時(shí)涉及到熱輻射的計(jì)算； 2.輻射采暖，輻射干燥； 3.輻射原理測(cè)定物體溫度; 4.研究設(shè)計(jì)太陽能熱水器，太陽能電池，太陽能發(fā)電站和太陽能冷卻機(jī)； 5.利用熱輻射性質(zhì)，為高速飛行器表面散熱提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和依據(jù)；,本章中將闡述熱輻射的本質(zhì)、特征，以及有關(guān)的基本概念和基本規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析輻射換熱的計(jì)算和輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)求解法。 本專業(yè)主要介紹熱輻射的本質(zhì)、特征，以及有關(guān)的基本概念和基本規(guī)律，對(duì)后半部分內(nèi)容不做要求。,8-1 熱輻射的基本概念,一、輻射和熱輻射 輻射：從宏觀的角度、輻射是連續(xù)的電磁波傳遞能量的過程；從微觀的角度，輻射

2、是不連續(xù)的量子傳遞能量的過程。因此，物體向外界以電磁波的形式發(fā)射攜帶能量的量子的過程稱為輻射。 輻射能：通過輻射所傳遞的能量稱為輻射能(也把輻射這個(gè)術(shù)語用來表明輻射能本身)。 熱輻射：通常把物質(zhì)由于自身與溫度有關(guān)的原因而激發(fā)產(chǎn)生的電磁波傳播稱為熱輻射。,任何物體在絕對(duì)零度以上都能發(fā)射出電磁波。 物質(zhì)可對(duì)外發(fā)射從零到無窮大的任何波長(zhǎng)的電磁波，激發(fā)方式不同，所產(chǎn)生的電磁波波長(zhǎng)就不相同，它們投射到物體上產(chǎn)生的效應(yīng)也不同。 熱射線：0.1m100m； 可見光：0.38m0.76m,熱輻射是電磁波多種輻射形式的一種，所有電磁輻射都以光速進(jìn)行傳播，其值等于輻射波長(zhǎng)與頻率的乘積： c (8-1) 式中 c

3、光速； 波長(zhǎng)； 頻率。 熱輻射的傳播是以不連續(xù)的量子形式進(jìn)行的，每個(gè)量子的能量為： Eh (8-2) 式中 h 普朗克常數(shù)，其值為6.625610-34JS。,輻射換熱：物體之間相互輻射和相互吸收過程的總效果，稱為輻射換熱。 特點(diǎn)： 1、不依靠物體間相互接觸而進(jìn)行熱量傳遞，只要彼此可見的物體就能互相進(jìn)行熱輻射。 2、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)化為輻射能發(fā)射出去，當(dāng)射及另一物體表面而被吸收時(shí)，輻射能又轉(zhuǎn)化為該物體的內(nèi)能。 3、輻射換熱過程中，高溫物體向低溫物體輻射能量的同時(shí)，低溫物體也向高溫物體輻射能量，熱輻射是雙向的。能量最終由高溫物體傳向低溫物體。,二、輻射能的

4、吸收、反射和透射,各種輻射射線都是電磁波，因而它們之間并無絕對(duì)的對(duì)立，可見光與不可見的熱射線也無本質(zhì)的區(qū)別。當(dāng)熱輻線投射到物體上時(shí)，和可見光一樣也有吸收，反射和透射現(xiàn)象發(fā)生。,根據(jù)能量守恒原則： GGGG G/GG/GG/G1 其中：G/G、G/G、G/G 分別稱為該物體對(duì)投射輻射的 吸收率，反射率和透射率,依次用符號(hào)、表示，即有： 1 (8-3a),單色輻射：在某個(gè)特定波長(zhǎng)下的輻射稱為單色輻射，如果投射能量是單色輻射，上述關(guān)系也同樣適用。 (8-3b) 式中:、分別為單色吸收率、單色反射率和單色透射率。 、和、是物體表面的輻射特性，和物體的性質(zhì)，溫度及表面狀況有關(guān)。、還和投射能量的波長(zhǎng)分布有

5、關(guān)。,固體和液體不允許熱輻射透過。透射率，即。即：吸收能力大的物體其反射本領(lǐng)就?。环粗漳芰π〉奈矬w其反射本領(lǐng)就大。 氣體對(duì)輻射能幾乎沒有反射能力，可認(rèn)為反射率，即。顯然，吸收性大的氣體，其穿透性就差。多原子氣體才具有吸收能力。 固體和液體物體表面狀況對(duì)這些特性的影響是至關(guān)重要的。,輻射能投射到物體表面后的反射現(xiàn)象，也和可見光一樣有鏡面反射和漫反射兩種情況。當(dāng)表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于投射輻射的波長(zhǎng)時(shí)，形成鏡面反射，此時(shí)入射角等于反射角。當(dāng)表面不平整尺寸（表面粗糙度）大于投射輻射的波長(zhǎng)時(shí)，入射射線被反射后沿各個(gè)方向均勻分布、形成漫反射。一般工程材料的表面大都形成漫反射。,自然界所有物體

6、的吸收率，反射率和透射率的數(shù)值都在 0到1 的范圍內(nèi)變化，每個(gè)量的數(shù)值又因具體條件不同而千差萬別。為了使問題簡(jiǎn)化，可以從理想物體入手進(jìn)行研究。,黑體：如物體能全部吸收外來輻射線，則稱為黑體，即； 白體：如物體全部反射外來射線，則不論鏡面反射或漫反射均稱為白體，即； 透明體：如物體能被外來射線所全部透射，則稱為透明體，即。 自然界中并不存在絕對(duì)的黑體、白體和透明體，它們只是實(shí)際物體熱輻射性能的理想模型。但也存在接近理想模型的實(shí)際物體，如吸收力很強(qiáng)的煤煙炱和黑絲絨等，0.97；高度磨光的純金.,黑體、白體和透明體都是對(duì)全波長(zhǎng)射線而言的。 不能按物體的顏色來判斷（可見光只是全波長(zhǎng)射線中的一小部分），

7、白顏色的的物體不一定是白體。例如雪對(duì)可見光吸收率很小，但對(duì)全波長(zhǎng)射線其吸收率0.98，非常接近黑體；白布和黑布對(duì)可見光的吸收率不同，但對(duì)紅外線的吸收率基本相同，普通玻璃能透過可見光，對(duì)3m的紅外線幾乎是不透明體。 因此，物體對(duì)外來輻射的吸收和反射能力是和物體的性質(zhì)、表面狀況、所處溫度和發(fā)射物體的溫度有關(guān)。,三、輻射強(qiáng)度和輻射力,輻射強(qiáng)度是物體表面朝向某給定方向，對(duì)垂直于該方向的單位面積，在單位時(shí)間單位立體角內(nèi)所發(fā)射全波長(zhǎng)的能量，用符號(hào)表示，它的單位是W(mSr)。Sr是立體角的單位稱為球面度。 若輻射強(qiáng)度僅指某波長(zhǎng)下波長(zhǎng)間隔d范圍內(nèi)所發(fā)射的能量，則稱為單色輻射強(qiáng)度，用符號(hào)I表示，單位是W(mm

8、Sr),輻射力是物體參與輻射的單位表面積在單位時(shí)間內(nèi)向半球空間輻射出去的0波長(zhǎng)范圍內(nèi)的總能量，用符號(hào)E表示，單位是Wm。 單色輻射力指若輻射力僅指某波長(zhǎng)下波長(zhǎng)間隔d范圍內(nèi)所發(fā)射的能量。用符號(hào)E表示，單位是W(mm)，,8-2 熱輻射基本定律,黑體作為理想輻射體，能夠吸收來自半球各個(gè)方向各種波長(zhǎng)的全部能量。黑體吸收率最大，輻射力亦最強(qiáng)，是一個(gè)理想化的物體。此后凡與黑體輻射有關(guān)的物理量，均以右下角標(biāo)“b”表示。,一、普朗克定律(黑體輻射按波長(zhǎng)分布的規(guī)律),普朗克定律即黑體單色輻射力Eb與波長(zhǎng)和物體表面絕對(duì)溫度T之間的函數(shù)關(guān)系式： (8-9) 其中：C1=3.743108 wm4/m2 C2=1.4

9、387104 m K,維恩位移定律 德國(guó)物理學(xué)家維恩在1896年用經(jīng)典熱力學(xué)方法確定了Eb為最大值時(shí)的波長(zhǎng)max與溫度T之間的關(guān)系： maxT2897.6mK (8-10),二、斯蒂芬玻爾茲曼定律,上式說明：黑體的單位表面積上在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的(包括全波長(zhǎng)范圍的)熱輻射總能量，和它的絕對(duì)溫度四次方成正比。這就是斯蒂芬-玻爾茲曼定律，亦稱四次方定律。,波段輻射力:波段區(qū)間的輻射能。 Fb(）:波段輻射力占同溫度下黑體輻射力Eb的百分?jǐn)?shù)。 (8-12a) (8-12b),例8-2 試求當(dāng)溫度為2000K時(shí)黑體最大的單色輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；此時(shí)可見光與紅外線在總輻射中所占份額各為多少? 解：應(yīng)用式(

10、8-10)，該黑體最大的輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)max為： max2897.6/20001.4488m 可見光的波長(zhǎng)范圍為0.380.76m，紅外線波長(zhǎng)范圍為0.761000m可分別算出各波長(zhǎng)下的值并由表8-1查出對(duì)應(yīng)的Fb(0T) 值。 0.38m T760mK F b(00.38)0.1 10-4 0.76m T1520mK Fb(00.76）0.1610-1 1000m T210mK Fb(01000）1.0 ,可見光在總輻射中所占的份額 Fb(0.380.76) 0.0160.110-40.01599 1.599 紅外線在總輻射中所占的份額 Fb(0.76 1000) 0.0160.984

11、98.4 顯然，在這樣的溫度下，可見光輻射所占份額是微不足道的。,四、克?；舴蚨?黑度 ：把實(shí)際物體的輻射力E與同溫度下黑體的輻射力Eb之比稱為該物體的黑度，用符號(hào)表示： E/b (8-18a) 單色黑度 ：是實(shí)際物體的單色輻射力與同溫度下黑體的單色輻射力之比。 E/b或EEb(8-18b) 與的關(guān)系為 ：,灰體是指物體的單色輻射率即黑度與波長(zhǎng)無關(guān)的物體。 灰體的輻射力遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律 EEbbT (8-19a) cb（T/100)4 (8-19b) 實(shí)際物體的輻射力并非嚴(yán)格遵守四次方定律，但工程上為方便仍用式(8-19)來計(jì)算，所引起的誤差都?xì)w到實(shí)際物質(zhì)的黑度中去修正。此外，自然界

12、中并無絕對(duì)灰體，它僅作為一種假想物體。實(shí)際物體在紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)，可以近似地看作是灰體。,物體對(duì)于投射能量吸收的百分?jǐn)?shù)是該物體的吸收率，實(shí)際物體的吸收率既決定于投入射線的方向和波長(zhǎng)，又決定于物體本身的材料、表面溫度及表面狀況。引入灰體概念后，認(rèn)為灰體的吸收率和單色吸收率都與波長(zhǎng)無關(guān)，大小僅取決于吸收表面的狀況。,實(shí)際物體在吸收與輻射之間內(nèi)在聯(lián)系,克?；舴?Kirchhoff)揭示了與周圍環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)下實(shí)際物體的黑度與吸收率之間的關(guān)系。,有兩塊相距很近而面積又很大的平行平板。設(shè)平板I為黑體表面，其輻射力為Eb，吸收率b，表面溫度T；平板為非黑體表面，其輻射力為E，吸收率為，黑度為，表面溫度T

13、，分析兩平板在單位時(shí)間，單位面積上的能量收支。 板的能量收支為 qEb,qEb 當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)T，q，則 Eb 或 E/b 推廣到任意物體： E/E/E/b (8-21) 即克希霍夫定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它說明任何物體的輻射力與其吸收率之比恒等于同溫度下黑體的輻射力，并只和溫度有關(guān)。必須指出，這一關(guān)系是在熱平衡的條件下推導(dǎo)出來，所以，在實(shí)際物體和黑體構(gòu)成的系統(tǒng)中只有符合熱平衡條件時(shí)應(yīng)用才正確。,據(jù)黑度的概念，克希霍夫定律還可寫作： E/b (8-22a)對(duì)于特定波長(zhǎng)，同理可有： (8-22b) 這是克?；舴蚨傻挠忠槐磉_(dá)式，它說明在熱平衡條件下，任意物體的吸收率等于同溫度下該物體的輻射率(黑度)。,對(duì)于灰體，當(dāng)溫度一定時(shí)，灰體的吸收率和黑度也是一定的，即灰體能吸收投射來的各種不同波長(zhǎng)的輻射能；同時(shí)灰體向外發(fā)射能量時(shí)，其黑度也不隨波長(zhǎng)改變。根