传热学第四版第8章

传热学第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性课件制作：尹华杰8-1热辐射现象的基本概念热辐射的定义及区别于导热对流的特点热辐射定义由于热的原因而产生的电磁波辐射热辐射产生的条件及辐射与吸收的统一性热辐射产生的条件热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。只要物体的温度高于“绝对零度”，物体总是不断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射8-1热辐射现象的基本概念热辐射的定义及区别于导热对流的特点热辐射产生的条件及辐射与吸收的统一性辐射与吸收的统一性物体在辐射的同时，亦不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的热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。当物体与环境处于热平衡时，其表面上的热辐射仍在不停地进行，但其辐射换热量等于零8-1热辐射现象的基本概念热辐射的定义及区别于导热对流的特点热辐射传热与对流、导热传热的区别的两个特点热辐射的能量传递不需要其他介质存在，而且在真空中传递的效率最高在物体发射与吸收辐射能量的过程中发生了电磁能与热能两种能量形式的转换8-1热辐射现象的基本概念从电磁波的角度描述热辐射的特性电磁波的速率、波长和频率的关系c=fλ式中：c—电磁波的传播速率，在真空中c=3×108m/s在大气中的传播速率略低于此值；f—频率，s-1；λ—波长，单位为m，常用单位为μm（微米），1μm=10-6m工业所遇到的温度范围：＜2000K8-1热辐射现象的基本概念电磁波的波谱＜2000K时有实际意义的辐射波长范围是：0.38～100μm多数能量位于红外区段：0.76～20μm可见光区段：0.38～0.76μm，热辐射能量的比重不大8-1热辐射现象的基本概念从电磁波的角度描述热辐射的特性太阳的温度约5800K，主要能量集中在0.2～2μm的波长范围，可见光占有很大比重包括太阳光的热辐射范围：0.1～100μm近红外线：波长＜25μm远红外线：波长＞25μm微波波长在1mm～1m的电磁波可穿透塑料、玻璃及陶瓷制品，会被像水一样的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。微波炉就是这一原理的产品8-1热辐射现象的基本概念从电磁波的角度描述热辐射的特性吸收比、反射比和穿透比的定义热辐射总能量一部分吸收Qα，一部分反射Qρ，一部分穿透Qτ吸收比、反射比和穿透比的定义QQQQ穿透比反射比吸收比11QQQQQQ8-1热辐射现象的基本概念从电磁波的角度描述热辐射的特性固体或液体情况下对固体或液体，辐射能在极短的距离内就被吸收完了，可认为τ=0。金属导体的这一距离为1μm的数量级，大多数非导电材料，这一距离小于1μm气体情况下反射能力很小，可以认为ρ=0镜面反射当表面的粗糙度较小，表面不平整尺寸小于投入辐射的波长时，入射角等于反射角11nθθ8-1热辐射现象的基本概念从电磁波的角度描述热辐射的特性漫反射当表面不平整尺寸大于投入辐射的波长时，从某一方向投射到物体表面的辐射向空间各个方向反射出去。一般工程材料的表面都形成漫反射表面状况的影响对固体和液体，吸收和反射均在表面进行，表面的粗糙度影响很大。而气体的辐射主要是在容积内进行，表面状况无关紧要8-1热辐射现象的基本概念黑体模型及其重要性α=1的物体称为绝对黑体ρ=1的物体称为镜体τ=1的物体称为绝对透明体漫反射的物体称为绝对白体光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体黑体模型带小孔的温度均匀的空腔8-1热辐射现象的基本概念黑体模型及其重要性黑体模型的重要性在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大在研究了黑体辐射的基础上，将其他物体的辐射和黑体比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的修正系数8-2黑体热辐射的基本定律辐射力E单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能的总量。单位是W/m2辐射力表征物体发射辐射能本领的大小光谱辐射力Eλ单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射出去的包含波长为λ的单位波长范围内的辐射能。其单位是W/m3右图给出了光谱辐射力与波长、温度的关系8-2黑体热辐射的基本定律辐射力与光谱辐射力间的关系式黑体辐射力和光谱辐射力的表示黑体辐射力Eb光谱辐射力Ebλ黑体辐射的基本定律普朗克（Planck）定律斯忒藩-玻耳兹曼定律兰贝特（Lambert）定律0dEE8-2黑体热辐射的基本定律普朗克（Planck）定律揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律，它给出了黑体光谱辐射力Ebλ与波长和温度的关系。根据量子理论得到如下数学表达式：Km，；cmW，，K；c，m；T；m，W：EecEbTcb222161351104388.110742.3/12第二辐射常量第一辐射常量温度黑体的热力学波长光谱辐射力式中8-2黑体热辐射的基本定律维恩（Wien）位移定律普朗克定律对λ求导，求其λ的最大值，可得维恩关于光谱辐射力的最大波长λm与温度T之间的关系式：斯忒藩-波耳兹曼定律KmKmTm33109.2108976.2420428404051/67.5/1067.510012KmW，；CKmW，TCETdecdEEbTcobb系数黑体辐射黑体辐射常数或8-2黑体热辐射的基本定律黑体在波长λ1至λ2区段所发射出的辐射能黑体辐射力百分数2121bbbEdEE1212212121000044011bbbbbbbbFFdEdETdETdEdEF8-2黑体热辐射的基本定律黑体辐射函数在给定波段区间,单位时间内黑体单位面积所辐射的能量计算式bbbEFE2121TfTdeTcTdTEdETFTTcTbbb051050401128-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律立体角的量度平面角rsθrs8-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律立体角的量度立体角单位:SrddddrrddArdAdrAcccsinsin228-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律定向辐射强度定义单位时间、单位可见辐射面积辐射出去的落在单位立体角内的辐射能强度单位可见辐射面积从任意方向p看到的辐射面积是正交于的面积pocosdA8-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律定向辐射强度定向辐射强度计算式兰贝特定律（Lambert）黑体的定向辐射强度与方向无关Srm：WddAdI2/cos单位constIIb8-2黑体热辐射的基本定律兰贝特定律符合兰贝特定律的辐射（余弦定律）符合兰贝特定律的辐射力dAddIbcosbbbbIddIddIdIdAdE2/020222cossinsincoscos8-2黑体热辐射的基本定律总结黑体辐射力由斯忒藩-玻耳兹曼定律确定，正比于热力学温度的四次方：Eb=σT4黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律空间方向的分布服从兰贝特定律维恩位移定律描述了黑体单色辐射力有个峰值，与该峰值有对应的波长λm随温度升高λm向波长短的方向移动复习题、习题复习题：1、2、5习题：黑体辐射基本定律：8-1、8-128-3固体和液体的辐射特性实际物体的光谱辐射实际物体的光谱辐射随波长做不规则的变化实际物体的光谱辐射力实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值，称为实际物体的发射率，又称黑度射力同温度下黑体的光谱辐光谱辐射力实际物体的光谱发射率或单色黑度式中bbbb；E；EEE：dETEE0418-3固体和液体的辐射特性实际物体的辐射力实验结果发现，实际物体的辐射力并不严格符合四次方关系。工程中把这一偏差包括到用实验方法确定到发射率中。因此发射率还与温度有关404100TCTEEb8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随θ的变化规律黑体的定向发射率是半径为1的半圆漫射体的定向发射率是半径小于1的半圆bbIIII8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随θ的变化规律金属材料的定向发射率8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随θ的变化规律金属材料的定向发射率8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随θ的变化规律非金属材料的定向发射率8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随θ的变化规律非金属材料的定向发射率8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度定向发射率ε(θ)与半球平均发射率ε间的关系定向发射率ε(θ)与半球发射率ε间的关系法向发射率εn与半球发射率ε间的关系22dIdIEEbbbnM8-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度定向发射率ε(θ)与半球平均发射率ε间的关系物体的半球平均发射率ε与法向发射率εn的比值金属表面M=1.0～1.3（高度磨光的表面取上限）非导体表面M=0.95～1.0（粗糙表面取上限）除高度磨光的表面外，工程计算中一般取M=1.08-3固体和液体的辐射特性实际物体的定向辐射强度漫射表面物体的半球平均发射率基本上不变，符合兰贝特定律。这样的表面称为漫射表面影响物体发射率的因素物质种类、表面温度、表面状况常用材料表面的法向发射率表8-2P369～3708-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系物体的投入辐射单位时间内从外界辐射到物体单位表面积上的能量物体的吸收比物体对投入辐射所吸收的百分数影响实际物体吸收比的两个因素吸收物体本身的情况物质种类、表面温度、表面状况投入辐射的特性8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系实际物体的吸收比光谱吸收比α（λ）物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系实际物体的吸收比物体光谱吸收的选择性物体的光谱吸收比随波长而异的性质选择性与自身表面性质、温度有关，还与发出投入辐射物体的表面性质和温度有关实际物体吸收的选择性对辐射传热计算所造成的困难设物体1为研究的对象，物体2为产生投入辐射的物体的性质表面的性质表面21,,,,,2102202211，TTfdTETdTETTbb8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系实际物体的吸收比投入辐射来自黑体的物体吸收比的性质表面1,,,1,210214020211TTfdTETTdTEdTETbbb8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系灰体的概念及其工程应用光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体在一定温度下：工业上通常遇到的热辐射位于红外线范围内（绝大多数能量位于0.76～10μm之间）。大多数工程材料在此范围内，当作灰体处理引起的误差是可以容许的const8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系吸收比与发射率的关系-基尔霍夫定律实际物体吸收比和发射率间的关系板1为黑体，板2为一般物体，两板间辐射换热的热流密度