第六章工程传热学

华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/161第六章热辐射基础§6-1热辐射的基本概念§6-2黑体辐射和吸收的基本性质§6-3实际物体的辐射和吸收华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/162§6-1热辐射的基本概念热辐射在机理上与导热、对流有根本的不同。导热与对流是由于物质微观粒子的热运动和物体的宏观运动所造成的能量转移。热辐射是由于物质的电磁运动所引起的能量的传递。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/163辐射是电磁波传递能量的现象。电磁辐射的波长范围很广，从长达数百米的无线电波到小于10-14米的宇宙射线。由于热的原因而产生的电磁辐射称为热辐射。10-510-410-310-210-1110102103104105/m可见光X射线射线紫外线红外线无线电波热辐射0华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/164在工业上所遇到的温度范围内（2000K以下），最感兴趣的是波长约从0.38μm到0.76μm的可见光和波长从可见光谱的红端之外延伸到1000μm的红外线。有时以波长25μm为界，又将红外线区分为近红外区和远红外区。10-510-410-310-210-1110102103104105/m可见光X射线射线紫外线红外线无线电波热辐射0华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/165只要物体的温度高于0K，物体总是不断地把热能变化辐射能，向外发出热辐射。同时，物体也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。一个物体如果与另一个物体相互能够看得见，那么它们之间就会发生辐射热交换。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/166当热辐射的能量投射到物体表面上时，会发生吸收、反射和穿透现象。若外界投射到物体表面上的总能量为Q，一部分Q被物体吸收，一部分Q被物体反射，一部分Q穿透物体。按能量守恒定律有：QQQQQQQQ或1QQQQQQ华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/167各部分百分数Q/Q、Q/Q、Q/Q分别称为该物体对投入辐射的吸收比、反射比和透射比，记为、和。于是1实际上，当辐射能进入固体或液体表面后，在一个极短的距离内就吸收完了。故对于固体和液体有1因而对固体和液体，吸收能力大的物体其反射本领就小。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/168由于热射线不能穿过固体和液体，于是可以把它们的吸收和反射视为一个表面过程，它们自身辐射也应在表面完成。因此，固体和液体上的热辐射是表面辐射。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，故有1气体对热射线的吸收和穿透是在空间中进行的，其自身的辐射也是在空间中完成的。因此，气体的热辐射是容积辐射。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/169由于不同物体的吸收比、反射比和透射比因具体条件不同差别很大，给热辐射的计算带来很大困难。为了使问题简化，我们定义了一些理想物体。对于透射比τ=1的物体称为透明体。反射比ρ=1物体称为白体（具有漫反射的表面）或镜体（具有镜反射的表面）。物体表面是漫反射还是镜反射，这要取决于物体表面相对于辐射波长的表面粗糙程度。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1610当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角等于反射角。高度磨光的金属板会形成镜面反射。当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时形成漫反射。这时从某一方向投射到物体表面上的辐射向空间各方向反射出去。121=2华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1611吸收比=1的物体，称为绝对黑体，简称黑体；尽管自然界并不存在黑体，用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。选用吸收比小于1的材料制造一个空腔，并在空腔壁面上开一个小孔，再设法使空腔壁面保持均匀的温度。这时空腔上的小孔就具有黑体辐射的特性。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1612若小孔占内壁面积小于0.6%，当内壁吸收比为0.6时，小孔的吸收比可大于0.996。黑体将所有投射在它上面的一切波长和所有方向上的辐射能全部吸收，在所有物体之中，它吸收热辐射的能力最强。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1613§6-2黑体辐射和吸收的基本性质1辐射力①总辐射力辐射力也称全色辐射力，其定义为单位时间单位辐射面积向半球空间辐射出去的一切波长的辐射能量。dAdQEE为辐射力，其单位为W/m2；dQ为微元面积dA向半球空间辐射出去的总辐射能。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1614②单色辐射力单色辐射力被定义为单位时间单位辐射面积向半球空间辐射出去的某一波长范围的辐射能量，用来描述辐射能量随波长的分布特征。Eλ为物体表面的单色辐射力；dQλ为微元面积dA向半球空间辐射出去的某一波长的辐射能；λ为热射线的波长，单位为μm。dAdQddAdQE2辐射力和单色辐射力之间的关系:0dEE华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1615③方向辐射力方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在半球空间中的分布特征，其定义为单位时间单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。dω为微元立体角dAdQdE2华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1616立体角是用来衡量空间中的面相对于某一点所张开的空间角度的大小，如图c所示，其定义为：2rdfddf为空间中的微元面积，r为该面积与发射点之间的距离。dAdAdAdfrdφdQdQλ（a）微元表面总辐射（b）微元表面单色辐射（c）微元表面方向辐射华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1617在球坐标系中，如图所示，按几何关系有其单位为W/(m2Sr)，Sr为球面度,是立体角的单位。dθdφdfφθn球坐标系中的立体角rrdrddfsinddrdfdsin2＝dAddQdEsin2由于半球面积为2πr2,故半球面对球心所张开的立体角ω=2π[Sr]。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1618④辐射强度由于处于不同的空间位置所能看见的辐射面积是变化的，也就是随着φ角的增大，辐射面积在该方向上的可见面积（投影面积）就越小。dAcosφdAφndω辐射强度的定义图定义辐射强度，用以表示单位时间在某一辐射方向上的单位可见辐射面积向该方向单位立体角内辐射的所有波长的辐射能。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1619dAcosφdAφndω辐射强度的定义图dAdQdIcos2＝单位为W/(m2Sr)，式中为给定方向上的可见辐射面积，也就是垂直于该方向的流通面积。dAcos辐射强度与方向辐射力的关系:cosIE与辐射力之间的关系:2020sincosddIE＝华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/16202黑体辐射的基本定律①普朗克定律普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分布规律，给出了黑体的单色辐射力与热力学温度T、波长之间的函数关系，由量子理论得到的数学表达式为：c1为第一辐射常数，c1=3.74210-16W·m2；c2为第二辐射常数，c2=1.438810-2m·K1)(512TcbecE华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1621图中给出了在温度为参变量下的单色辐射力随波长变化的一组曲线。单色辐射力随着波长的增加而增加，达到某一最大值后又随着波长的增加而慢慢减小。在同一波长下黑体温度越高，对应的单色辐射力越大。T1T2T1T2dE华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1622λEbλ0T1T2T3T5黑体单色辐射力随波长和温度变化T4意味着随着温度的升高黑体辐射能的分布在向波长短的方向集中，也就是高温辐射中短波热射线含量大而长波热射线含量相对少。②维恩定律华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1623Eb最大处的波长m也随温度不同而变化。令0bEKm109.2Km108976.233Tm可见m与T成反比，T越高，则m越小，这一规律为维恩（Wien）位移定律，历史上先发现的是维恩位移定律。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1624例6-1：试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长m。解：按Km109.23Tm计算：当T=2000K时，m1045.1K2000Km109.263m当T=5800K时，m105.0K5800Km109.263m可见工业上一般高温辐射（2000K内），黑体最大光谱辐射力的波长位于红外线区段，而太阳辐射（5800K）对应的最大光谱辐射的波长则位于可见光区段。华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1625③斯忒芬－波尔兹曼定律在黑体辐射的研究中，斯忒芬（Stefan）于1879年由实验确定黑体的辐射力与热力学温度之间的关系，其后由波尔兹曼（Boltzmann）于1884年从热力学关系式导出。Eb为黑体的辐射力（W/m2）；T为黑体的绝对温度（K）；σ0为斯忒芬－波尔兹曼常数，其值为5.67×10-8[W/(m2K4)]。400/510b12TdeCdEETCb华中科技大学热科学与工程实验室HUSTLabofThermalScience&Engineering2020/4/1626例6-2：一黑体置于室温为27℃的厂房中，试求在热平衡条件下黑体表面的辐射力。如果将黑体加热到327℃，它的辐射力又是多少？解：在热平衡条件下，黑体温度与室温相同，辐射力为：244424101W/m45