熱輻射和輻射換熱.ppt

第八章 熱輻射和輻射換熱 熱輻射和輻射換熱應(yīng)用: 1.井噴點(diǎn)燃時涉及到熱輻射的計算； 2.輻射采暖，輻射干燥； 3.輻射原理測定物體溫度; 4.研究設(shè)計太陽能熱水器，太陽能電池，太 陽能發(fā)電站和太陽能冷卻機(jī)； 5.利用熱輻射性質(zhì)，為高速飛行器表面散熱 提供設(shè)計數(shù)據(jù)和依據(jù)； 本章中將闡述熱輻射的本質(zhì)、特征 ，以及有關(guān)的基本概念和基本規(guī)律 ，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析輻射換 熱的計算和輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)求解法 。 本專業(yè)主要介紹熱輻射的本質(zhì)、特 征，以及有關(guān)的基本概念和基本規(guī) 律，對后半部分內(nèi)容不做要求。 8-1 熱輻射的基本概念 一、輻射和熱輻射 輻射：從宏觀的角度、輻射是連續(xù)的電磁波 傳遞能量的過程；從微觀的角度，輻射是不 連續(xù)的量子傳遞能量的過程。因此，物體向 外界以電磁波的形式發(fā)射攜帶能量的量子的 過程稱為輻射。 輻射能：通過輻射所傳遞的能量稱為輻射能 (也把輻射這個術(shù)語用來表明輻射能本身)。 熱輻熱輻 射：通常把物質(zhì)質(zhì)由于自身與溫度有關(guān) 的原因而激發(fā)產(chǎn)發(fā)產(chǎn) 生的電電磁波傳傳播稱為為熱輻熱輻 射。 p任何物體在絕對零度以上都能發(fā)射出電磁波。 p物質(zhì)可對外發(fā)射從零到無窮大的任何波長的電 磁波，激發(fā)方式不同，所產(chǎn)生的電磁波波長就 不相同，它們投射到物體上產(chǎn)生的效應(yīng)也不同 。 p熱射線：0.1m100m； 可見光：0.38m0.76m p熱輻射是電磁波多種輻射形式的一種，所有電 磁輻射都以光速進(jìn)行傳播，其值等于輻射波長 與頻率的乘積： c (8-1) 式中 c 光速； 波長； 頻率。 p熱輻射的傳播是以不連續(xù)的量子形式進(jìn)行的， 每個量子的能量為： Eh (8-2) 式中 h 普朗克常數(shù)，其值為6.625610-34JS。 p輻射換熱：物體之間相互輻射和相互吸收過程的總 效果，稱為輻射換熱。 p特點(diǎn)： 1、不依靠物體間相互接觸而進(jìn)行熱量傳遞，只要彼此 可見的物體就能互相進(jìn)行熱輻射。 2、輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化，即物體 的部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為輻射能發(fā)射出去，當(dāng)射及另一物體 表面而被吸收時，輻射能又轉(zhuǎn)化為該物體的內(nèi)能。 3、輻射換熱過程中，高溫物體向低溫物體輻射能量的 同時，低溫物體也向高溫物體輻射能量，熱輻射是雙 向的。能量最終由高溫物體傳向低溫物體。 二、輻射能的吸收、反射和透射 各種輻射射線都是電磁波，因而 它們之間并無絕對的對立，可見光與 不可見的熱射線也無本質(zhì)的區(qū)別。當(dāng) 熱輻線投射到物體上時，和可見光一 樣也有吸收，反射和透射現(xiàn)象發(fā) 生。 p 根據(jù)能量守恒原則： GGGG G/GG/GG/G1 其中：G/G、G/G、G/G 分別稱為該物體對投射輻射的 吸收率，反射率和透射率 p 依次用符號、表示，即有： 1 (8-3a) p單色輻射：在某個特定波長下的輻射稱為單色 輻射，如果投射能量是單色輻射，上述關(guān)系也 同樣適用。 (8-3b) 式中:、分別為單色吸收率、單色 反射率和單色透射率。 p 、和、是物體表面的 輻射特性，和物體的性質(zhì)，溫度及表面狀況有 關(guān)。、還和投射能量的波長分布有關(guān) 。 p 固體和液體不允許熱輻射透過。透射 率，即。即：吸收能力大 的物體其反射本領(lǐng)就??；反之吸收能力 小的物體其反射本領(lǐng)就大。 p 氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，可 認(rèn)為反射率，即。顯 然，吸收性大的氣體，其穿透性就差。 多原子氣體才具有吸收能力。 p 固體和液體物體表面狀況對這些特性 的影響是至關(guān)重要的。 輻射能投射到物體表面后的反射現(xiàn)象，也和 可見光一樣有鏡面反射和漫反射兩種情況。 當(dāng)表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于投射 輻射的波長時，形成鏡面反射，此時入射角 等于反射角。當(dāng)表面不平整尺寸（表面粗糙 度）大于投射輻射的波長時，入射射線被反 射后沿各個方向均勻分布、形成漫反射。一 般工程材料的表面大都形成漫反射。 自然界所有物體的吸收率，反射率和 透射率的數(shù)值都在 0到1 的范圍內(nèi)變化 ，每個量的數(shù)值又因具體條件不同而千差 萬別。為了使問題簡化，可以從理想物體 入手進(jìn)行研究。 黑體：如物體能全部吸收外來輻射線，則稱 為黑體，即； 白體：如物體全部反射外來射線，則不論鏡 面反射或漫反射均稱為白體，即； 透明體：如物體能被外來射線所全部透射， 則稱為透明體，即。 自然界中并不存在絕對的黑體、白體和透明體 ，它們只是實(shí)際物體熱輻射性能的理想模型。 但也存在接近理想模型的實(shí)際物體，如吸收力 很強(qiáng)的煤煙炱和黑絲絨等，0.97；高度磨 光的純金. p黑體、白體和透明體都是對全波長射線而言的 。 p不能按物體的顏色來判斷（可見光只是全波長 射線中的一小部分），白顏色的的物體不一定 是白體。例如雪對可見光吸收率很小，但對全 波長射線其吸收率0.98，非常接近黑體； 白布和黑布對可見光的吸收率不同，但對紅外 線的吸收率基本相同，普通玻璃能透過可見光 ，對3m的紅外線幾乎是不透明體。 p因此，物體對外來輻射的吸收和反射能力是和 物體的性質(zhì)、表面狀況、所處溫度和發(fā)射物體 的溫度有關(guān)。 三、輻射強(qiáng)度和輻射力 輻射強(qiáng)度是物體表面朝向某給定方向，對 垂直于該方向的單位面積，在單位時間單位 立體角內(nèi)所發(fā)射全波長的能量，用符號表 示，它的單位是W(mSr)。Sr是立體角的 單位稱為球面度。 若輻射強(qiáng)度僅指某波長下波長間隔d范圍 內(nèi)所發(fā)射的能量，則稱為單色輻射強(qiáng)度， 用符號I表示，單位是W(mmSr) p輻射力是物體參與輻射的單位表面積在單位 時間內(nèi)向半球空間輻射出去的0波長范圍 內(nèi)的總能量，用符號E表示，單位是Wm。 p單色輻射力指若輻射力僅指某波長下波長 間隔d范圍內(nèi)所發(fā)射的能量。用符號E表示 ，單位是W(mm)， 8-2 熱輻射基本定律 黑體作為理想輻射體，能夠吸收來自半球各 個方向各種波長的全部能量。黑體吸收率最 大，輻射力亦最強(qiáng)，是一個理想化的物體。 此后凡與黑體輻射有關(guān)的物理量，均以右下 角標(biāo)“b”表示。 一、普朗克定律 (黑體輻射按波長分布的規(guī)律) 普朗克定律即黑體單色輻射力Eb與波長和物 體表面絕對溫度T之間的函數(shù)關(guān)系式： (8-9) 其中：C1=3.743108 wm4/m2 C2=1.4387104 m K 維恩位移定律 德國物理學(xué)家維恩在1896年用經(jīng)典熱力學(xué) 方法確定了Eb為最大值時的波長max與溫 度T之間的關(guān)系： maxT2897.6mK (8-10) 二、斯蒂芬玻爾茲曼定律 上式說明：黑體的單位表面積上在單位 時間內(nèi)發(fā)出的(包括全波長范圍的)熱輻射總能 量，和它的絕對溫度四次方成正比。這就是斯 蒂芬-玻爾茲曼定律，亦稱四次方定律。 p波段輻射力:波段區(qū)間的輻射能。 pFb(）:波段輻射力占同溫度下黑體輻射力Eb 的百分?jǐn)?shù)。 (8-12a) (8-12b) 例8-2 試求當(dāng)溫度為2000K時黑體最大的單色輻 射力所對應(yīng)的波長；此時可見光與紅外線在總輻 射中所占份額各為多少? 解：應(yīng)用式(8-10)，該黑體最大的輻射力所對應(yīng) 的波長max為： max2897.6/20001.4488m 可見光的波長范圍為0.380.76m，紅外線波 長范圍為0.761000m可分別算出各波長下的 值并由表8-1查出對應(yīng)的Fb(0T) 值。 0.38m T760mK F b(00.38)0.1 10-4 0.76m T1520mK Fb(00.76）0.1610-1 1000m T210mK Fb(01000）1.0 可見光在總輻射中所占的份額 Fb(0.380.76) 0.0160.110-40.01599 1.599 紅外線在總輻射中所占的份額 Fb(0.76 1000) 0.0160.984 98.4 顯然，在這樣的溫度下，可見光輻射 所占份額是微不足道的。 四、克?；舴蚨?黑度 ：把實(shí)際物體的輻射力E與同溫度下黑 體的輻射力Eb之比稱為該物體的黑度，用符號表 示： E/b (8-18a) 單單色黑度 ：是實(shí)際實(shí)際 物體的單單色輻輻射力與同 溫度下黑體的單單色輻輻射力之比。 E/b 或EEb (8-18b) 與的關(guān)系為 ： 灰體是指物體的單色輻射率即黑度與波長 無關(guān)的物體。 灰體的輻射力遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律 EEbbT (8-19a) cb（T/100)4 (8-19b) 實(shí)際實(shí)際 物體的輻輻射力并非嚴(yán)嚴(yán)格遵守四次方定 律，但工程上為為方便仍用式(8-19)來計計算 ，所引起的誤誤差都?xì)w歸到實(shí)際實(shí)際 物質(zhì)質(zhì)的黑度中 去修正。此外，自然界中并無絕對絕對 灰體， 它僅僅作為一種假想物體。實(shí)際物體在紅外 波長范圍內(nèi)，可以近似地看作是灰體。 物體對于投射能量吸收的百分?jǐn)?shù)是該物 體的吸收率，實(shí)際物體的吸收率既決 定于投入射線的方向和波長，又決定于 物體本身的材料、表面溫度及表面狀況 。引入灰體概念后，認(rèn)為灰體的吸收率 和單色吸收率都與波長無關(guān)，大小僅取 決于吸收表面的狀況。 實(shí)際物體在吸收與輻射之間內(nèi)在聯(lián)系 p 克?；舴?Kirchhoff)揭示了與周圍 環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)下實(shí)際物體的黑度與 吸收率之間的關(guān)系。 有兩塊相距很近而面積又很大的 平行平板。設(shè)平板I為黑體表面 ，其輻射力為Eb，吸收率b ，表面溫度T；平板為非 黑體表面，其輻射力為E，吸收 率為，黑度為，表面溫度T ，分析兩平板在單位時間，單 位面積上的能量收支。 板的能量收支為 qEb qEb 當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時T，q，則 Eb 或 E/b 推廣到任意物體： E/E/E/b (8- 21) 即克?；舴蚨傻臄?shù)學(xué)表達(dá)式，它說明 任何物體的輻射力與其吸收率之比恒等于同 溫度下黑體的輻射力，并只和溫度有關(guān)。必 須指出，這一關(guān)系是在熱平衡的條件下推導(dǎo) 出來，所以，在實(shí)際物體和黑體構(gòu)成的系統(tǒng) 中只有符合熱平衡條件時應(yīng)用才正確。 據(jù)黑度的概念，克?；舴蚨蛇€可寫作 ： E/b (8-22a) 對于特定波長，同理可有： (8-22b) 這是克?；舴蚨傻挠忠槐磉_(dá)式，它說 明在熱平衡條件下，任意物體的吸收率 等于同溫度下該物體的輻射率(黑度)。 對于灰體，當(dāng)溫度一定時，灰體的吸收率和黑度也 是一定的，即灰體能吸收投射來的各種不同波長的 輻射能；同時灰體向外發(fā)射能量時，其黑度 也不隨波長