热辐射基本定律及物体的辐射特性.

本章要点：1。着重掌握热辐射的基本概念2。着重掌握角系数的基本概念2。着重掌握热辐射的基本定律3。着重掌握辐射换热相关分析与基本计算本章难点：热辐射的基本概念和基本定律的理解和消化本章主要内容：第一节热辐射的基本概念第二节热辐射的基本定律第三节物体间的辐射换热第四节太阳辐射第十七章辐射换热我们知道，作为热量传递的一种重要方式---热辐射在过程的机理上与导热、对流换热是根本不同的。在导热与对流换热部分，我们研究的是由于物体的宏现运动和微观粒子的热运动所造成的能量转移，而在热辐射中我们所关心的是由于物质的电磁运动所引起的热能的传递，因而其研究方法与思路都与手段及外流换热部分的讨论有很大的区别.第一节热辐射的基本概念1.热辐射的本质(1)定义：由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。(2)特点：a任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b可以在真空中传播,本质:（不必借助于介质）热能---辐射能---热能；c物体的绝对温度T越高，则辐射能力就越强。d有实际意义的热射线波长在0.1---100μm（3）电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图7-1所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1-100μm。电磁波的传播速度：C=fλ式中：f—频率，s-1;λ—波长，μm电磁辐射波谱图1辐射换热是指物体之间相互辐射和换热的总效果。当物体与环境处于热平衡时，其表面上的热辐射仍在不停进行，但其辐射换热量等于零。微波炉是利用远红外线来加热物体的。远红外线可以穿透塑料、玻璃及陶瓷制品，但却会被像水那样具有极性分子的物体吸收，在物体内部产生内热源，从而使物体比较均匀地得到加热。各类食品中的主要成分是水，因而远红外线加热是一种比较理想的加热手段。当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，也发生吸收、反射和穿透现象。如图在外界投射到物体表面上的总能量Q中，一部分被物体吸收，另一部分被物体反射，其余部分穿透过物体。按照能量守恒定律有如图7-2所示。11QQQQQQQQQQ二.物体的吸收率、反射率和穿透率QQQ图2物体对热辐射的吸收反射和穿透可以认为固体和液体不允许热辐射穿透，于是=0，对于固体和液体，上式简化为。辐射能投射到气体上时，情况与投射到固体或液体上不同。气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反射比＝0，即。黑体白体透明体（先解决黑体的辐射问题，因为简单，再将实际物体与黑体进行比较后修正，最后来解决实际问题。）111111黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。图3黑体模型黑体概念：反射又分镜反射和漫反射两种当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时，形成漫反射。一般工程材料的表面都形成漫反射。图4镜反射图5漫反射1。辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。(W/m2)；2。单色辐射力Eλ：特定波长：单色辐射力单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。(W/m3)；热辐射能量的表示方法三、辐射力与单色辐射力E、Eλ关系:显然，E和Eλ之间具有如下关系：dEE0黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为Ebλ第二节热辐射的基本定律1)(512TcbecE式中，λ—波长，m；T—黑体温度，K；c1—第一辐射常数，3.742×10-16Wm2；c2—第二辐射常数，1.4388×10-2WK；一、Planck普朗克定律(第一个定律)：根据量子理论而得到的普朗克定律它揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律或者说它给出了黑体光谱辐射力与波长和温度的依变关系，具体函数形式。右图所示就是按普朗克定律描绘出的不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化情况。),(TfEb图63)/(51,0/12mWeCETC图7Planck定律的图示上图是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。λm与T的关系由Wien维恩位移定律给出KmTm3108976.2二、维恩位移定律：维恩总结出：在一定温度下，对应于最大单色辐射力的波长λ，与该黑体热力学温度T成正比。三、Stefan-Boltzmann定律（第二定律）：（斯蒂芬-波尔兹曼）40)(51012TdecdEETcbb式中，σ=5.67×10-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。21dEEbb黑体辐射函数黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力，如图7-7所示：图8特定波长区段内的黑体辐射力黑体辐射函数:2211212121()40400(0)(0)2111()()bbbbbbbbEdFEdTEdEdEdTFFfTfT定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)，如图7-8和7-9所示：ddsindd2rAc立体角图9立体角定义图图10计算微元立体角的几何关系定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图7-10。dcosd),(d),(AL定向辐射强度L(,)：四、Lambert兰贝特定律(黑体辐射的第三个基本定律)cosdd),(dLA它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变化，见图，因此，Lambert定律也称为余弦定律。上式表明，单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同方向单位立体角内的能量的数值不等，其执正比于该方向与辐射面发线方向夹角的余弦，所以兰贝特定律又称为余弦定律。余弦定律表明，黑体的辐射能在空间不同方向的分布不均匀：法线方向最大，切线方向为零。理论上可以证明，黑体辐射的定向辐射强度与方向无关，即常量LL)(定向强度与方向无关的规律即为兰贝特定律。图10定向辐射强度的定义图图11Lambert定律图示LLEdcos2沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:第三节实际固体和液体的辐射特性发射率前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；因此，定义了发射率(也称为黑度)：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:4TEEEb上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。WavelengthDirection(anglefromthesurfacenormal)因此，我们需要定义方向光谱发射率，对于某一指定的方向(,)和波长T,T,θ,,T,θ,,εblackbody,emittedactual,θ,LL四、兰贝特定律(Lambert’slaw)1、立体角(solidangle)：球面上的给定面积对球心所张的球面角，它的大小用该面积除以球面半径的平方来计算。单位用符号sr（球面度）表示。2rdadsrrasrra2,21,222、可见面积：沿P方向发射的辐射能，dA的可见面积就是其在与P垂直方向的投影面积。ndApn方向：可见面积为dAp方向：可见面积为dA·cos=90，可见面积为03、定向辐射强度(directionalradiationintensity)：单位时间内与发射方向垂直的单位可见面积在单位立体角内所发射的辐射能。coscos222rdadAQdddAQdIdadAdadAp)/(2srmW物体表面在半球空间各方向上，如定向辐射强度均相等，即Ip,1=Ip,2=---=In则该物体表面称为漫辐射表面，只有绝对黑体表面才是是漫辐射表面。兰贝特定律：绝对黑体表面沿半球空间各方向上，定向辐射强度均相等。0IIpcos0,02IdAdQddadA022cosIrdadAQdIdadAp单位时间内，黑体表面积沿半球空间不同方向在单位立体角内所发射的辐射能是不同的。对于黑体黑体微元面积dA向半球空间发射的辐射能量dQ0,dA黑体辐射力等于其定向辐射强度I0的倍。dAIdddAIddAIdQdA020200200,0cossincos0,00IdAdQEdA总结：黑体辐射能量按波长分布服从普朗克定律，按空间分布服从兰贝特定律，辐射力的大小由斯蒂芬－波尔兹曼定律确定。维恩位移定律揭示了最大单色辐射力的分布规律。五、基尔霍夫定律（Kirchhoff’slaw)物体辐射力与吸收率的联系。表面2辐射换热收支差额：0AEEq热平衡时T=T0，q=0AEEAEE00或基尔霍夫定律：任何物体的辐射力与吸收率的比值恒等于同温度下的绝对黑体的辐射力，而与物体的性质无关。0332211.......EAEAEAE对任何物体1、基尔霍夫定律的数学表达式：A1，所以，在任何温度下，各种物体中以绝对黑体的辐射力为最大。物体的辐射力越大，它的吸收率也越大。2、黑度(blacknessoremissivity)：实际物体的辐射力E与同温度下绝对黑体的辐射力E0之比称为“黑度”。0EE在温度相等的热平衡条件下，物体的黑度恒等于它的吸收率，即A黑度表明物体辐射力接近黑体辐射力的程度，是分析和计算辐射换热的一个重要参数。同一物体的黑度随本身的温度和表面状态而不同。单色黑度：物体的单色辐射力Eλ与同温度下绝对黑体的单色辐射力E0,λ之比，即：AEE,03、灰体（graybody)：如在所有波长下，物体的单色辐射力Eλ与同温度、同波长下绝对黑体的单色辐射力E0,λ之比为定值，这样的物体称为“灰体”。实际物体称为灰体的单色黑度。定值,0EE其值与波长无关，且小于1。灰体的性质：灰体1、灰体的辐射光谱是连续的，而且曲线与同温度下绝对黑体的光谱曲线相似。2、灰体的吸收率等于其黑度，与投射无关。大多数工程材料在热射线范围内可被视为灰体。斯蒂芬－波尔兹曼定律也适用于灰体：24400/100100mWTCTCEE00ACCC为灰体的辐射系数任何物体的辐射力恒小于同温度下黑体的辐射力。第三节物体间的辐射换热一、黑体间的辐射换热角系数(anglefactor)：表面1发射的辐射能落在表面2上的百分数，用X1,2表示，X1,2称为表面1对表面2的角系数。X2,1称为表面2对表面1角系数。1、2两表面间的辐射换热量Q1,2为1,222,02,111,02,1XAEXAEQ1,222,11XAXA温度相等的热平衡条件下：2,01,02,1,0EEQ两表面在辐射换热时其角系数具有相对性。同样适用于不等温灰体表面间的辐射换热计算。)(2,01,02,111,222,02,111,02,1EEXAXAEXAEQ2,112.01,02,11XAEEQ2,111XA两表面辐射换热的空间热阻三个黑体表面组成的封闭空腔的辐射换热：13,12,11,1XXX封闭空腔内的角系数具有完整性。若平面1为平面或凸面时X1,1＝0二、灰体间的辐射换热和有效辐射投射辐射：投射到表面1上的外来辐射。1G吸收辐射：被表面1吸收的部分。11G反射辐射：被表面1反射的部分。11)1(G本身辐射：表面1的辐射力。1,011EE2111,011111/)1()1(mWGEGEJ有效辐射：表面1的本身辐射和反射辐射的总和。1J表面1与外界的辐射换热量Q1：2111,011111/)1()1(mWGEGEJWAGAJQ1