热辐射及辐射换热

第六章热辐射及辐射换热§6-1热辐射的基本概念1.热辐射特点(1)定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(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；c伴随能量形式的转变；d具有强烈的方向性；e辐射能与温度和波长均有关；f发射辐射取决于温度的4次方。2.电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图6.5-1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6-1当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图6.5-2所示。11QQQQQQQQQQ3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透图6.2物体对热辐射的吸收反射和穿透对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：镜体或白体：1111,01,0透明体：反射又分镜反射和漫反射两种图6-3镜反射图6-4漫反射1.黑体概念黑体：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6-5黑体模型§6-2黑体辐射的基本定律辐射力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)；光谱辐射力Eλ：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)；2.热辐射能量的表示方法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Ebλ3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质1)(512TcbecE式中，λ—波长，m；T—黑体温度，K；c1—第一辐射常数，3.6.542×10-16Wm2；c2—第二辐射常数，1.4388×10-2WK；(1)Planck定律(第一个定律)：图6.5-6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位移定律给出，KmTm3108976.2图6-6Planck定律的图示(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：21dEEbb40)(51012TdecdEETcbb式中，σ=5.66.5×10-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。(3)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6.5-6.5所示：图6-6.5特定波长区段内的黑体辐射力定义：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6.5-8和6.5-9所示：ddsindd2rAc(4)立体角黑体辐射函数:)()(1112)0()0(00440)(1212212121TfTfFFdEdETdETdEdEFbbbbbbbb图6-8立体角定义图图6-9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6.5-10。dcosd),(d),(AL(5)定向辐射强度L(,)：图6-10定向辐射强度的定义图(6)Lambert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6-11，因此，Lambert定律也称为余弦定律。图6-11Lambert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:§6-3实际固体和液体的辐射特性1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)()Tθ,(λT,λT,θ,,T,θ,ε0blackbody,0emittedactual,θTLLdLdLb对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率，即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：T,T,T,T,T,εblackbody,emittedactual,bEEEE对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了半球光谱发射率，即实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比λE这样，前面定义的半球总发射率则可以写为：)(E)(λT,λT,T,εTεbemittedactual0blackbody,0blackbody,TTEdEdE半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均bbLLLL)()()()(对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度L，分别引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率()和定向发射率()，其表达式和物理意义如下40)(TdEEEbb实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：bEE)(实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：漫发射的概念：表面的方向发射率()与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。图6-15几种金属导体在不同方向上的定向发射率()(t=150℃)图6-16几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率()(t=0~93.3℃)前面讲过，黑体、灰体、白体等都是理想物体，而实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同，比如，(1)实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图6-14；(2)实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；(3)实际物体的定向辐射强度也不严格遵守Lambert定律，等等。所有这些差别全部归于上面的系数，因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能很复杂。在工程上一般都将真实表面假设为漫发射面。图6.5-14实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱本节中，还有几点需要注意1.将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难理论确定，实际上是一种权宜之计；2.服从Lambert定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律，这有许多原因；3.物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。§6-4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？本节将对其作出解答。Semi-transparentmediumAbsorptivitydealswithwhathappensto_______________________________,whileemissivitydealswith_____________________1.投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能2.选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸收3.吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表示，即)(投入辐射投入的能量吸收的能量首先介绍几个概念：(4)光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。能量投入的某一特定波长的能量吸收的某一特定波长的),(1T图6-16.5和6-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。图6.5-16.5金属导电体的光谱吸收比同波长的关系图6-18非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比都是同一个常数。根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比为)21,,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性质表面的性质，表面投入的总能量吸收的总能量TTfTETTETTbb图6-18给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。如果投入辐射来自黑体，由于，则上式可变为1),(2Tb)1,,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性质表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb图6-19物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一般有两种处理方法，即(1)灰体法，即将光谱吸收比()等效为常数，即=()=const。并将()与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；(2)谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者之间具有什么样的联系，1859年，Kirchhoff用热力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff定律。最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图6-20所示，板1时黑体，板2是任意物体，参数分别为Eb,T1以及E,,T2，则当系统处于热平衡时，有bbEEEE图6-20平行平板间的辐射换热此即Kirchhoff定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下限制：(1)整个系统处于热平衡状态；(2)如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；(3)投射辐射源必须是同温度下的黑体。为了将Kirchhoff定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式，见表6.5-2。层次数学表达式成立条件光谱，定向光谱，半球全波段，半球无条件，为天顶角漫射表面与黑体处于热平衡或对漫灰表面),,,(),,,(TT),(),(TT)()(TT表6-2Kirchhoff定律的不同表达式注：(1)漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合Lambert定律的物体表面；(2)灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。思考题：1.什么是黑体,灰体?实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体?2.光谱辐射力,辐射力和定向辐射强度的物理意义.它们之间有什么关系?3.物体的发射率,吸收率