第五章热辐射的基本概念及基本定律

2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律1§5-1热辐射的本质和辐射换热特点§5-2热辐射表面的一般性质§5-3辐射力和有效辐射§5-4黑体辐射基本定律§5-5灰体和基尔霍夫定律§5-6气体辐射§5-7太阳辐射第五章热辐射基本概念及基本定律2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律21.理解热辐射的本质和特点以及吸收比、反射比、穿透比、黑体、透明体、灰体、漫射体、辐射力、有效辐射等概念。2.掌握热辐射的基本定律及黑体辐射函数表的应用。3.理解实际物体的辐射特性及其黑度、吸收比的确定方法。4．掌握气体辐射的特点，了解太阳辐射的特点。基本要求2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律3第一节热辐射的本质和辐射换热特点辐射:物体以电磁波的形式释放能量的现象。热辐射:物体由于热的原因发生的辐射现象。热辐射是大部分物体固有的属性，物体之间可以依靠热辐射进行辐射换热。辐射能依靠电磁波在真空或介质中传播，传播速度等于光速。c=λν2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律4电磁波波谱：热射线包括:可见光:λ=0.38～0.76μm部分紫外线:λ＜0.38μm部分红外线:λ＞0.76μmλ=0.1～100μm2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律5工程上，辐射物体温度一般在2000K以下，热辐射主要集中于红外线区域。辐射体温度不同，辐射能量的强度不同，辐射光的颜色也不同。在工程技术中，常常可根据灼热物体的颜色来近似估计物体的温度。例如，金属工件的加热。2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律6发光颜色与对应温度的关系2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律7辐射换热的特点：（1）辐射换热与导热和对流换热不同，发生辐射换热时不需要存在任何形式的中间介质。即使在真空中热辐射也可以进行。辐射换热:当物体温度不同时，物体之间通过热射线的相互辐射和吸收，进行能量交换的现象。2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律8（3）辐射换热量与两个物体热力学温度的四次方之差成正比。导热量或对流换热量只与物体温度的一次方之差成正比两个物体的温度差对于辐射换热量的影响更强烈。（2）在辐射换热过程中，不仅有能量的交换，而且还有能量形式的转化。吸收热辐射时：辐射能内热能发射热辐射时：内热能辐射能2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律9（4）物体间辐射换热时进行的能量传递是双向的。大部分温度高于0K的物体都具有发射热辐射的能力，温度愈高，发射和吸收热辐射的能力愈强。即使两个物体温度相同，辐射换热也在不断进行，只是处于热动平衡状态，净辐射换热量为零。高温物体低温物体2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律10辐射换热的主要影响因素（1）物体本身的温度、表面辐射特性；（2）物体的大小、几何形状及相对位置。返回2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律11第二节热辐射表面的一般性质热辐射线落到表面上会发生反射、吸收和透射现象。当辐射能量为G的热射线落到物体表面时，Gα部分被物体吸收，Gρ部分被物体反射,Gτ部分则透过物体。根据能量守恒原理：G=Gα+Gρ+Gτ2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律12α—物体的吸收比，表示物体所吸收的能量占投入辐射能量的份额；ρ—物体的反射比，表示物体所反射的能量占投入辐射能量的份额；τ—物体的透射比，表示物体所穿透的能量占投入辐射能量的份额。1GGGGGGGGGGGG,,1定义：2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律13对于某一波长射线（单色射线）上式仍然成立。1单色透射比单色吸收比单色反射比2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律14固体和液体：由于分子排列紧密，只要稍具厚度，热射线就不能穿透（τ=0）。1气体：几乎对热射线不反射（ρ=0）。1可见，吸收能力大的气体，其穿透能力就小，反之亦然。可见，对固体和液体而言，吸收能力大的物体其反射能力就小，反之亦然。2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律15几种假想物理模型:黑体：α=1的物体能够吸收外来投入辐射所有方向全波长的辐射能。镜体：ρ=1且为镜反射的物体。白体：ρ=1且为漫反射的物体。透热体:τ=1的物体。2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律16例：煤烟、炭黑、粗糙的钢板等，吸收比α=0.9～0.95以上，近于黑体。磨光的纯金反射比ρ≈0.98，近似于白体。纯净的空气对于热射线基本上不吸收也不反射，τ≈1，认为是透热体。2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律17镜反射：物体表面平整光滑反射遵循几何光学规律，反射角等于入射角的反射。漫反射：物体表面粗糙反射向不同方向且在各个方向均匀分布时的反射。一般工程材料都形成漫反射。(a)镜反射(b)漫反射2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律18注意：1.有些物体对热射线的透过具有选择性。例如玻璃,对于波长λ＞4μm的红外线是不透明的,而对于可见光和紫外线则是透热体。2.对热射线而言的黑白概念与日常的不同(对热射线而言的黑白概念是对整个热射线范围而言的，可见光只是其中的一部分)。2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律19例如白布与黑布对于工业温度下的红外辐射其特性几乎相同,吸收比很高,区别仅表现在白布对太阳辐射的吸收比很低,而黑布则相反。白雪的吸收比高达0.985,近似于黑体。对于工业高温下的热辐射来说,对射线的吸收和反射有重大影响的是表面的粗糙程度,而不是表面的颜色。返回2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律20第三节辐射力和有效辐射一、辐射力辐射力E：物体在单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的全波长辐射能的总和,单位为W/m2。一、辐射力二、有效辐射2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律21单色辐射力Eλ:物体在单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的某一波长λ的辐射能,单位为W/m3。根据定义,辐射力与单色辐射力之间的关系为dEE0ddEE2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律22在相同的温度下，以黑体的辐射力Eb最大,则实际物体的辐射力E为E=εEbε—物体的发射率（或黑度）Eb—同温度下黑体的辐射力,W/m22020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律23二、有效辐射一般物体表面不仅由于温度特性本身向外界发出本身辐射,而且对周围物体投射来的投射辐射还有部分反射出去。返回2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律24有效辐射在辐射换热的分析和计算中非常重要。有效辐射J：物体本身辐射与反射辐射之和。J=E+ρGW/m2G—该表面接受到的投入辐射。【例5-1】返回2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律25第四节黑体辐射基本定律一、黑体模型二、普朗克定律三、维恩位移定律四、斯蒂芬—玻尔兹曼定律五、波段辐射力2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律26一、黑体模型一个空腔壁上开有小孔,小孔面积比空腔面积小的多小孔具有黑体性质。一束能量为G的射线通过小孔进入空腔内时,在空腔内壁上经过多次吸收和反射,最终通过小孔离开空腔反射出去的能量几乎为零认为射入的能量全部被空腔吸收。2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律27二、普朗克定律Ebλ—黑体单色辐射力,W/m3λ—波长,mT—黑体热力学温度,Kc1—普朗克第一常数,c1=3.743×10－16W·m2c2—普朗克第二常数,c2=1.439×10－2m·K1/512TcbecE普朗克于1900年据量子理论揭示了黑体在不同温度下单色辐射力与波长的函数关系。2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律28黑体辐射力Ebλ与波长λ、温度T的关系2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律29特点：（1）在一定的温度下，黑体的光谱辐射力在某一波长下具有最大值，黑体辐射随波长连续变化,而且很大或很小时Ebλ均趋于零；（2）在一定的波长下,发射辐射Eb随温度升高而增大；（3）随着温度的升高，Eb取得最大值的波长max减小，即辐射能量向短波区域集中。2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律30三、维恩位移定律从上图可看出在不同的温度下,总有一个最大的黑体单色辐射力Ebλmax存在,且随温度的升高,出现Ebλmax的波长向短波方向移动。维恩（Wien）归纳了出现Ebλmax时对应的波长λmax与温度T的关系。λmaxT=2898(μm·K)≈2.9×10-3(m·K)常数2898(μm·K)也称第三辐射常数。2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律31四、斯蒂芬—玻尔兹曼定律对黑体辐射从普朗克定律积分可得：Eb＝σbT4W/m2σb＝5.67×10－8W/（m2·K4）—黑体辐射常数；T—黑体热力学温度，K。40100TcEbc0＝5.67—黑体辐射系数。上式表明黑体的辐射力与热力学温度的四次方成正比，故又称四次方定律。或写成2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律32五、波段辐射力波段辐射：某一波段内的辐射能量。黑体在某一温度下，λ1-λ2之间的波段辐射（图中阴影面积）占全波辐射能量的份额用表示。21bF2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律3312122100000bbbbbbFFdEdEdEF曲线下总面积阴影面积0212121dEdEEEFbbbbb)()(5040)0()0(TfTTdETdEEEFbTbbbbbb黑体辐射函数2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律34400][1221TFFEbbbb【例5-2】【例5-3】返回为方便，黑体辐射函数已制成表在给定波段λ1～λ2间隔内的辐射力：)()0(TfFb2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律35第五节灰体和基尔霍夫定律一、实际物体的辐射和吸收特性二、灰体三、基尔霍夫定律2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律36一、实际物体的辐射和吸收特性实际物体辐射和吸收大多是在物体的表面进行，具有表面辐射特性，但实际物体的辐射和吸收不同于黑体。下面以黑体辐射规律作为比较的依据来分析实际物体的辐射和吸收特性。2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律371.实际物体的辐射特性同温度下黑体与实际物体单色辐射力的比较同一波长下实际物体的单色辐射力低于黑体的单色辐射力，且辐射曲线并不光滑。2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律38实际物体总黑度：bEE0000)()(dEdEdEdETETEbbbb黑度表征实际物体的辐射力接近同温度下黑体的辐射力的程度。物体表面的黑度是物性参数,其值取决于物体的种类、表面温度和表面状况。具体数值由实验确定,常用工程材料的ε值可查阅资料。实际物体的单色黑度：2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律392、实际物体的吸收特性实际物体吸收特性取决于两方面因素：1.吸收物体本身的材料种类、温度及表面状况。2.发出投射辐射物体的材料种类、温度及表面状况。物体表面总吸收比α和单色吸收比αλ的关系为00dGdGαλ=f（λ）2020/3/27第五章热辐射的基本概念及基本定律40二、灰体灰体：单色吸收比αλ与波长无关的物体不论投入辐射是何种情况，物体的总吸收比α＝αλ＝定值。工业上遇到的热辐射，主要位于红外线范围。一般物体在红外线辐射范围内αλ不随波长作明显变化在热辐射计算中，把工程材料作为灰体对待不会引起太大的误差。这种简化处