工程熱力學與傳熱學16)熱輻射與輻射換熱

1、 第第十六十六章章 熱輻射和輻射換熱熱輻射和輻射換熱 第一節(jié)第一節(jié) 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念 一、輻射和熱輻射一、輻射和熱輻射輻射：輻射：從宏觀的角度、輻射是從宏觀的角度、輻射是連續(xù)的電磁波連續(xù)的電磁波傳遞能量的過程；從微觀的角度，輻射是傳遞能量的過程；從微觀的角度，輻射是不不連續(xù)的量子連續(xù)的量子傳遞能量的過程。因此，物體向傳遞能量的過程。因此，物體向外界外界以電磁波的形式以電磁波的形式發(fā)射發(fā)射攜帶能量的量子攜帶能量的量子的的過程稱為輻射過程稱為輻射。輻射能：輻射能：通過輻射所傳遞的能量稱為通過輻射所傳遞的能量稱為輻射能輻射能( (也把輻射這個術語用也把輻射這個術語用來表明輻射能本身來

2、表明輻射能本身)。熱輻射：熱輻射：通常把物質(zhì)由于自身通常把物質(zhì)由于自身與溫度有關的與溫度有關的原因原因而激發(fā)產(chǎn)生的電磁波傳播稱為而激發(fā)產(chǎn)生的電磁波傳播稱為熱輻射熱輻射。 p任何物體在絕對零度以上都能發(fā)射出電磁波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)射物質(zhì)可對外發(fā)射從零到無窮大從零到無窮大的任何波長的電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)生的效應也不同。不相同，它們投射到物體上產(chǎn)生的效應也不同。p熱射線：熱射線：0.1m100m0.1m100m； 可見光：可見光：0.38m0.76m0.38m0.

3、76mp熱輻射是電磁波多種輻射形式的一種，所有電熱輻射是電磁波多種輻射形式的一種，所有電磁輻射都以磁輻射都以光速光速進行傳播，其值進行傳播，其值等于輻射波長等于輻射波長與頻率的乘積與頻率的乘積： c c ( (1616-1) -1) 式中式中 c c 光速；光速； 波長；波長； 頻率。頻率。p熱輻射的傳播是以不連續(xù)的量子形式進行的，熱輻射的傳播是以不連續(xù)的量子形式進行的，每個量子的能量每個量子的能量為：為： E Ehh ( (1616-2)-2)式中式中 h 普朗克常數(shù)，其值為普朗克常數(shù)，其值為6.625610-34JS。 p輻射換熱：輻射換熱：物體之間相互輻物體之間相互輻射和相互吸收過程的總

4、射和相互吸收過程的總效果，稱為輻射換熱。效果，稱為輻射換熱。p特點特點：1 1、不依靠物體間相互接觸不依靠物體間相互接觸而進行熱量傳遞，只要彼此而進行熱量傳遞，只要彼此可見的物體就能互相進行熱輻射?？梢姷奈矬w就能互相進行熱輻射。2 2、輻射換熱過程伴隨著、輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉化能量形式的兩次轉化，即物體，即物體的部分內(nèi)能轉化為輻射能發(fā)射出去，當射及另一物體的部分內(nèi)能轉化為輻射能發(fā)射出去，當射及另一物體表面而被吸收時，輻射能又轉化為該物體的內(nèi)能。表面而被吸收時，輻射能又轉化為該物體的內(nèi)能。3 3、輻射換熱過程中，高溫物體向低溫物體輻射能量的、輻射換熱過程中，高溫物體向低溫物體輻射能

5、量的同時，低溫物體也向高溫物體輻射能量，同時，低溫物體也向高溫物體輻射能量，熱輻射是雙熱輻射是雙向的向的。能量最終由高溫物體傳向低溫物體。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不可見的熱射線也無本質(zhì)的區(qū)別。當質(zhì)的區(qū)別。當熱輻線投射到物體上時，和可見光一熱輻線投射到物體上時，和可見光一樣也有樣也有吸收，反射和透射吸收，反射和透射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)象發(fā)生。生。 p 根據(jù)能量守恒原則：根據(jù)能量守恒原則： GGGG G/G

6、G/GG/G1 其中：其中：G G/G/G、G G/G/G、G G/G/G分別稱為該物體對投射輻射的分別稱為該物體對投射輻射的吸收率，反射率和透射率吸收率，反射率和透射率p 依次用符號依次用符號、表示，即有：表示，即有： 1 1 (16-3a) p單色輻射：單色輻射：在某個特定波長下的輻射稱為在某個特定波長下的輻射稱為單色單色輻射輻射，如果投射能量是單色輻射，上述關系也，如果投射能量是單色輻射，上述關系也同樣適用。同樣適用。 ( (1616-3b)-3b)式中式中:、分別為分別為單色吸收率、單色單色吸收率、單色反射率和單色透射率反射率和單色透射率。p 、和和、是是物體表面的物體表面的輻射特性，

7、輻射特性，與與物體的性質(zhì)物體的性質(zhì)、溫度及表面溫度及表面狀況有狀況有關關。、還和投射能量的波長分布有關。還和投射能量的波長分布有關。 p 固體和液體固體和液體不允許熱輻射透過。透射不允許熱輻射透過。透射率率，即，即。即：。即：吸收能力大吸收能力大的物體其反射本領就小的物體其反射本領就??；反之吸收能力；反之吸收能力小的物體其反射本領就大小的物體其反射本領就大。p 氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，可氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，可認為認為反射率反射率，即，即。顯。顯然，吸收性大的氣體，其穿透性就差。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。多原子氣體才具有吸收能力。p 固體和液體固

8、體和液體物體表面狀況物體表面狀況對這些特性對這些特性的影響是至關重要的。的影響是至關重要的。輻射能投射到物體表面后的反射現(xiàn)象，也和輻射能投射到物體表面后的反射現(xiàn)象，也和可見光一樣有可見光一樣有鏡面反射和漫反射鏡面反射和漫反射兩種情況。兩種情況。當表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于投射當表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于投射輻射的波長時，形成鏡面反射，此時入射角輻射的波長時，形成鏡面反射，此時入射角等于反射角。當表面不平整尺寸（表面粗糙等于反射角。當表面不平整尺寸（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射后沿各個方向均勻分布、形成漫反

9、射。一布、形成漫反射。一般工程材料的表面大都形成漫反射。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自然界所有物體的吸收率，反射率，反射率和和透射率透射率的數(shù)值都在的數(shù)值都在 0 0到到1 1 的范圍內(nèi)變化，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，可以從別。為了使問題簡化，可以從理想物體理想物體入入手進行研究。手進行研究。黑體黑體：如如果果物體能全部吸收外來輻射物體能全部吸收外來輻射線，則稱為黑體，即線，則稱為黑體，即；白體白體：如如果果物體全部反射外來射線，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，則

10、不論鏡面反射或漫反射均稱為白體，即即；透透明體明體：如如果果物體能被外來射線所全物體能被外來射線所全部透射，則稱為透部透射，則稱為透明體，明體，即即。自然界中并不存在絕對的黑體、白體和透明體，自然界中并不存在絕對的黑體、白體和透明體，它們只是實際物體熱輻射性能的它們只是實際物體熱輻射性能的理想模型理想模型。但。但也存在接近理想模型的實際物體，如吸收力很也存在接近理想模型的實際物體，如吸收力很強的煤煙炱和黑絲絨等，強的煤煙炱和黑絲絨等，0.970.97；高度磨；高度磨光光的純金的純金. .p黑體、白體和透明體都是對黑體、白體和透明體都是對全波長全波長射線而言的。射線而言的。p不能按物體的顏色來判

11、斷（不能按物體的顏色來判斷（可見光只是全波長可見光只是全波長射線中的一小部分）射線中的一小部分），白顏色的，白顏色的的物體不一定的物體不一定是白體。例如雪對可見光吸收率很小，但對全是白體。例如雪對可見光吸收率很小，但對全波長射線其吸收率波長射線其吸收率0.980.98，非常接近黑體；，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，線的吸收率基本相同，普通玻璃能透過可見光，對對3m3m的紅外線幾乎是不透明體。的紅外線幾乎是不透明體。p因此，因此，物體對外來輻射的吸收和反射能力是和物體對外來輻射的吸收和反射能

12、力是和物體的性質(zhì)、表面狀況、所處溫度和物體的性質(zhì)、表面狀況、所處溫度和發(fā)射物體發(fā)射物體的溫度有關的溫度有關。 三、輻射強度和輻射力三、輻射強度和輻射力 輻射強度輻射強度是物體表面朝向某給定方向，對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，用符號立體角內(nèi)所發(fā)射全波長的能量，用符號表表示，它的單位是示，它的單位是W(mSr)。SrSr是立體角的是立體角的單位稱單位稱為球面度。為球面度。 若輻射強度僅指某波長若輻射強度僅指某波長下波長間隔下波長間隔dd范圍范圍內(nèi)所發(fā)射的能量，則稱為內(nèi)所發(fā)射的能量，則稱為單色輻射

13、強度單色輻射強度，用符用符號號I表示，單位是表示，單位是W(mmSr) ddIIdII或0p輻射力輻射力是物體參與輻射的單位表面積在單位是物體參與輻射的單位表面積在單位時間內(nèi)向時間內(nèi)向半球空間半球空間輻射出去的輻射出去的0 0波長范圍波長范圍內(nèi)的總能量，用符號內(nèi)的總能量，用符號E E表示表示，單位是，單位是W Wm m。p單色輻射力單色輻射力指若輻射力僅指某波長指若輻射力僅指某波長下波長下波長間隔間隔dd范圍內(nèi)所發(fā)射的能量。用符號范圍內(nèi)所發(fā)射的能量。用符號E E表表示，單位是示，單位是W(mm)， ddEEdEE或0第二節(jié)第二節(jié) 熱輻射基本定律熱輻射基本定律 黑體作為理想輻射體，能夠吸收來自半

14、球各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。個方向各種波長的全部能量。黑體吸收率最黑體吸收率最大，輻射力亦最強大，輻射力亦最強，是一個理想化的物體。，是一個理想化的物體。 此后凡與黑體輻射此后凡與黑體輻射有關的物理量，均以右下有關的物理量，均以右下角標角標“b”表示。表示。一、普朗克定律一、普朗克定律( (黑體輻射按波長分布的規(guī)律黑體輻射按波長分布的規(guī)律) ) 普朗克定律即普朗克定律即黑體單色輻射力黑體單色輻射力E Ebb與與波長波長和物和物體表面體表面絕對溫度絕對溫度T T之間的函數(shù)關系式：之間的函數(shù)關系式： ( (1616-9)-9)其中：其中：C1=3.74310

15、8 wm4/m2 C2=1.4387104 m K)./( 12)/(512mmWeCETcb 維恩位移定律維恩位移定律 德國物理學家維恩在德國物理學家維恩在18961896年用經(jīng)典熱力學年用經(jīng)典熱力學方法確定了方法確定了E Ebb為最大值時為最大值時的波長的波長maxmax與與溫溫度度T T之間的關系：之間的關系： maxT2897.6mK (16-10)二、斯蒂芬二、斯蒂芬玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律 上式說明：黑體的單位表面積上在單位上式說明：黑體的單位表面積上在單位時間內(nèi)發(fā)出的時間內(nèi)發(fā)出的( (包括全波長范圍的包括全波長范圍的) )熱輻射總熱輻射總能量，和它的能量，和它的絕對溫度四次方成正

16、比絕對溫度四次方成正比。這就。這就是斯蒂芬是斯蒂芬-玻爾茲曼定律，亦稱玻爾茲曼定律，亦稱四次方定律四次方定律。 2440)/(510/)100(12mWTcTdeCdEEbbTcbb p波段輻射力波段輻射力: :波段區(qū)間的輻射能。波段區(qū)間的輻射能。 ( (1616-12a)-12a)pF Fb(b(）: :波段輻射力占同溫度下黑波段輻射力占同溫度下黑體輻射力體輻射力E Eb b的百分數(shù)。的百分數(shù)。 ( (1616-12b)-12b) dEEbb 2121 )(11)10()20()21()10()20(122121)21(400440 bbbbbbbbbbbbbbFFTEFFdEdETdETd

17、EdEF)()1()(2515TfeTcTETcb ()(0)(0)1221()(0)(0)12214()TTTTbbbbbbbFFFETFF例例8-2 8-2 試求當溫度為試求當溫度為2000K2000K時黑體最大的單色輻時黑體最大的單色輻射力所對應的波長；此射力所對應的波長；此時可見光與紅外線在總輻時可見光與紅外線在總輻射中所占份額各為多少射中所占份額各為多少?解：應用式解：應用式( (1616-10)-10)，該黑體最大的輻射力所對，該黑體最大的輻射力所對應的波長應的波長max為：為： max2897.6/20001.4488m 可見光的波長范圍為可見光的波長范圍為0.380.380.7

18、6m0.76m，紅外線波，紅外線波長范圍為長范圍為0.760.761000m1000m可分別算出各波長下的可分別算出各波長下的值并由表值并由表8-18-1查出對應的查出對應的Fb(0T) 值。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紅外線在總輻射中所占的份額 Fb(0.76 1000) 0.0160.

19、984 98.4顯然，在這樣的溫度下，可見光輻射顯然，在這樣的溫度下，可見光輻射所占份額是微不足道的。所占份額是微不足道的。四、克?；舴蚨伤?、克?；舴蚨?黑度黑度 ：把實際物體的輻射力把實際物體的輻射力E E與同溫度下黑與同溫度下黑體的輻射力體的輻射力E Eb b之比稱為該物體的黑度，用符號之比稱為該物體的黑度，用符號表表示：示： E/b (16-18a)單色黑度單色黑度 ：是實際物體的單色輻射力與同是實際物體的單色輻射力與同溫度下黑體的單色輻射力之比溫度下黑體的單色輻射力之比。E/b或或EEb(16-18b)與與的關系為的關系為 ： 00 dEdEEEbbb灰體灰體是指物體的單色輻射是指

20、物體的單色輻射率即率即黑黑度與波長無關度與波長無關的物體。的物體?；殷w的輻射力遵循斯蒂芬灰體的輻射力遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律 EEbbT (16-19a) cb（T/100)4 (16-19b) 實際物體的輻射力并非嚴格遵守四次方定實際物體的輻射力并非嚴格遵守四次方定律律，但工程上為方便仍用式，但工程上為方便仍用式( (1616-19)-19)來計算，來計算，所引起的誤差都歸到實際物質(zhì)的黑度中去所引起的誤差都歸到實際物質(zhì)的黑度中去修正。此外，自然界中并無絕對灰體，它修正。此外，自然界中并無絕對灰體，它僅僅作為一種假想物體。實際物體在紅外波作為一種假想物體。實際物體在紅外波長范圍內(nèi)，

21、可以近似地看作是灰體。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數(shù)是該物物體對于投射能量吸收的百分數(shù)是該物體的吸收率體的吸收率，實際物體的吸收率既決，實際物體的吸收率既決定于投入射線定于投入射線的方向和波長，又決定于的方向和波長，又決定于物體本身的材料、表面溫度及表面狀況。物體本身的材料、表面溫度及表面狀況。引入灰體概念后，認為引入灰體概念后，認為灰體的灰體的吸收率和吸收率和單色吸收率都與波長無關單色吸收率都與波長無關，大小僅取決，大小僅取決于吸收表面的狀況。于吸收表面的狀況。實際物體在吸收與輻射之間內(nèi)在聯(lián)系實際物體在吸收與輻射之間內(nèi)在聯(lián)系p 克?；舴蚪沂玖伺c周圍環(huán)境處于克希

22、霍夫揭示了與周圍環(huán)境處于熱平熱平衡狀態(tài)衡狀態(tài)下下實際物體的黑度與吸收率實際物體的黑度與吸收率之間的之間的關系。關系。有兩塊有兩塊相距很近相距很近而而面積又很大面積又很大的的平行平板。設平板平行平板。設平板I I為黑體表面，為黑體表面，其輻射力為其輻射力為E Eb b，吸收率，吸收率b b，表面溫度表面溫度T T；平板；平板為非黑體為非黑體表面，其輻射力為表面，其輻射力為E E，吸收率為，吸收率為，黑度為，黑度為，表面溫度，表面溫度T T，分析兩平板在單位時間，單位分析兩平板在單位時間，單位面積上的能量收支。面積上的能量收支。 板板的能量收支為的能量收支為 qEb qEb當系統(tǒng)處于熱平衡時當系統(tǒng)處于熱平衡時T，q，則，則 Eb 或或 E/b 推廣到任意物體：推廣到任意物體： E E/E E/E/E/b b ( (1616- -21) 21) 即即克?；舴蚨傻臄?shù)學表達式克?；舴蚨傻臄?shù)學表達式，它說明，它說明任何物體的輻射力與其吸收率之比恒等于同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溫度下黑體的輻