8传热学-第八章.

1第八章热辐射基本定律和辐射特性能源工程系黄金2§8-1热辐射现象的基本概念（1）辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式（2）热辐射：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；（因热的原因而发出辐射能的现象）（3）辐射传热：物体间靠热辐射进行的热量传递过程，辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递。（4）热辐射的特点：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。1.热辐射的定义及区别于导热对流的特点其中，与热传导和热对流的主要区别是b和c32.从电磁波谱的角度描述热辐射的特性电磁辐射包含了多种形式，如图所示，理论上热辐射的波长范围从零到无穷大，但在日常生活和工业上常见的温度范围内，热辐射的波长主要在0.1m至100m之间,包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段。2.1传播速率与波长、频率间的关系电磁波的传播速度：c=fλ=λ/T式中：f—频率，s-1;λ—波长，μm2.2电磁波的波谱4射线10-4m红外线：0.76103m无线电波：106m微波：103106m可见光：0.380.76m紫外线：10-20.38mX射线：10-410-2m工业上有实际意义的热辐射区域5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，如图所示。11QQQQQQQQQQ2.3物体表面对热辐射的作用物体对热辐射的吸收反射和穿透Q－单位时间内投射到物体表面上的全波长范围内的辐射能。QQ吸收比QQQQ反射比透射比6对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：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镜反射漫反射73.黑体模型及其重要性黑体：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长。即吸收比等于1的物体（绝对黑体，简称黑体，blackbody）重要性：研究黑体的意义在于，在黑体辐射的基础上，把实际物体的辐射和黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的修正系数黑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。黑体模型（动画）8§8-2黑体热辐射的基本定律基本定律Stefan-Boltzmann定律（辐射能与温度的关系）Planck定律（辐射能波长分布的规律）Lambert定律（辐射能按空间方向的分布规律）1斯忒藩—玻耳兹曼定律（四次方定律）44b0100TETC4TA式中=5.67×10-8W/(m2K4)，称为斯忒藩—玻耳兹曼常数，又称为黑体辐射常数。C0=5.67W/(m2K4)，称为黑体辐射系数。944b0100TETC4TAAEb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)；黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb102普朗克定律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；描述辐射能按波长分布的规律光谱辐射力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～W/m2·μm)；黑体的光谱辐射力为Ebλ11bλE/μm黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系（1）黑体的光谱辐射力随着波长的增加，先是增大，然后又减小。温度愈高，同一波长下的光谱辐射力愈大.（2）随着温度的增高，曲线的峰值（最大光谱辐射力）向左移动，即移向较短波长12维恩（Wien）位移定律max2897.6mK2900mKT太阳表面温度约为5800K，由上式可求得max0.5m，位于可见光范围内。对于2000K温度下黑体,可求得max1.45m，位于红外线范围内。峰值波长与温度T成反比的规律称为维恩（Wien）位移定律40)(51012TdecdEETcbbE和Eλ关系（普朗克定律与斯忒藩—玻耳兹曼定律的关系）斯忒藩—玻耳兹曼定律表达式可直接由普朗克定律导出13黑体辐射函数（黑体辐射能按波段的分布）)()(11)(0/5140)0(2TfTdeTcTdEFTcbbdEEbb0)0(从0到某个波长的波段的黑体辐射能这份能量在黑体辐射力中所占的百分数为：可查表f(T)称为黑体辐射函数，表示温度为T的黑体所发射的辐射能中在波段（0～）内的辐射能所占的百分数。14)()(1112)0()0(00440)(1212212121TfTfFFdEdETdETdEdEFbbbbbbbb这特定波段范围内黑体的辐射能在黑体辐射力中所占的百分数为：黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力2121)(dEEbb1516太阳表面温度约5800K，可见光占太阳辐射能的份额约为44.6%例题试求温度为3000K和5000K时的黑体辐射中可见光所占的份额。解：可见光的波长范围是从0.38μm到0.76μm，对于3000K的黑体其λT值分别为1140和2280可从表中查得Fb(0-λ1)和Fb(0-λ2)分别为0.14%和11.5%。于是可见光所占份额为：Fb(λ1-λ2)=Fb(0-λ2)-Fb(0-λ1)=11.5%-0.14%=11.36%。同样的做法可以得出5000K的黑体在可见光范围所占的份额为Fb(λ1-λ2)=Fb(0-λ2)-Fb(0-λ1)=57.0%-11.5%=45.5%。173兰贝特定律（描述辐射能按空间方向的分布规律）3.1立体角定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)，如图所示：ddsindd2rAc计算微元立体角的几何关系类似于弧度（rad）2rAc18dθdφdfrdAcosφdAφφθnndω193.2定向辐射强度I：dAcф称为经度角Θ称为纬度角（1）纬度角相同，微元黑体面积dA向空间不同经度角方向单位立体角中辐射出去的能量是相等的。（对称性）（2）研究黑体在空间不同方向的分布只要查明辐射能按不同纬度角分布的规律。通过实验测定发现，面积dA的黑体微元面积向围绕空间纬度角θ方向的微元立体角dΩ内辐射出去的能量dФ(θ)有cosdd)(dIAIAdcosd)(d20把dAcosθ可以视为从θ方向看过去的面积，称为可见面积。IAdcosd)(d定向辐射强度I：从黑体单位可见面积发射出去的落到空间任意方向的单位立体角中的辐射能量称为定向辐射强度。单位W/m2·sr可见面积示意图213.3兰贝特定律（余弦定律）第一种表达：黑体的定向辐射强度是个常量，与空间方向无关。即从黑体单位可见面积发射出去的落到空间任意方向的单位立体角中的辐射能量是个常量。兰贝特定律说明黑体辐射在半球空间各方向上的分布规律IAdcosd)(d第二种表达：黑体单位面积发射出去的能量在空间的不同方向分布是不均匀的，按空间纬度角θ的余弦规律变化，在垂直于该表面的方向最大，而与该表面平行的方向为零。cos)(dAIdd22沿半球方向积分上式，可获得从单位黑体表面发射出去的落到整个半球空间的能量，即黑体的辐射力3.4兰贝特定律与斯忒藩—玻耳兹曼定律的关系bbbIdIdAdE22cos)(黑体辐射力等于定向辐射强度的π倍23总结：黑体的辐射力由斯忒藩—玻耳兹曼定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方；黑体的辐射能按波长分布的规律服从普朗克定律，而按空间方向的分布规律服从兰贝特定律；黑体的光谱辐射力有一峰值，与此峰值相对应的波长λm由维恩位移定律确定，随着黑体温度的升高，λm向短波方向移动。2324§8-3实际固体和液体的辐射特性4TEEEb1.实际物体的辐射力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实际物体的辐射力可以表示为：404)100(TCTEEb252.实际物体的光谱辐射力bEE)(40)(TdEEEbb实际物体的光谱辐射力往往随波长作不规则的变化。实际物体的光谱辐射力小于同温度下的黑体同一波长的光谱辐射力。把实际物体的光谱辐射力与同温度下黑体的光谱辐射力之比称为光谱发射率（单色黑度）光谱发射率与实际物体的发射率之间有如下关系：263.实际物体的定向辐射强度实际物体的定向辐射强度并不是个常数，在不同方向上有所变化，不尽符合兰贝特定律。3.1定向发射率及其随θ角的变化规律实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比为定向发射率（定向黑度）：bbIIII)()()()(对于黑体，其定向发射率为127显然，对于黑体的定向发射率在极坐标中是一个半径为1的半圆漫射体：表面的定向发射率()与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足兰贝特定律，其定向发射率在极坐标中是半径小于1的半圆。漫射体：定向发射率是一个小于1的常数的物体。漫射体：满足定向辐射强度与方向无关的实际物体。漫射体：满足兰贝特定律的实际物体。这是对大多数实际表面的一种很好的近似。28金属材料，从θ=0开始，在一定角度范围内，ε(θ)可以认为是一个常数，然后随角度θ的增加急剧增加，在接近90度的极小角度又减小直至0。29非导电体，从辐射面法向到60度的范围内，基本不变，之后减小明显。30313.2定向发射率与半球平均发射率之间的关系对于工程材料，无论是金属还是非金属，在半球空间大部分范围内，定向发射率基本是个常数，可以用其法向发射率εn来近似代替。法向发射率：法向方向的定向发射率。工程材料看作漫射体。1MMn但对高度磨光的表面（很低）要区别对待。()εn32333.3影响物体发射率的因素影响物体发射率的因素主要包括：物质的种类、表面温度、表面状况。物质的种类：非金属大于金属表面温度：温度越高，发射率越高表面状况：高度磨光表面小于粗糙表面34bbLLLL)()()()(总结：对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度I，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：35本节中，还有几点需要注意和强调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体。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，看作漫射体；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。36§8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系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___________________________