傳輸原理教案()傳熱

1、1 本章概括：本章概括： 1. 熱輻射熱輻射是物體因本身的溫度，以電磁波的形式是物體因本身的溫度，以電磁波的形式向外界發(fā)射能量的現(xiàn)象，是熱量傳遞的三種基本方式向外界發(fā)射能量的現(xiàn)象，是熱量傳遞的三種基本方式之一。之一。 2. 研究熱輻射的意義：研究熱輻射的意義：在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的許多傳在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的許多傳熱過程中，熱過程中，輻射換熱輻射換熱起著重要的，甚至是主導(dǎo)的作用，起著重要的，甚至是主導(dǎo)的作用，需要進(jìn)行準(zhǔn)確的輻射換熱計(jì)算。需要進(jìn)行準(zhǔn)確的輻射換熱計(jì)算。 3. 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容：（1）輻射概念；基本定律；輻射概念；基本定律；（2）黑體；實(shí)際物體輻射換熱計(jì)算方法；）黑體；實(shí)際物體輻射換熱計(jì)

2、算方法； （3）氣體）氣體輻射特點(diǎn)。輻射特點(diǎn)。 第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 21. 熱輻射的本質(zhì)熱輻射的本質(zhì)（1）輻射輻射物體中分子（原子）受激發(fā)而以電磁波的形式釋物體中分子（原子）受激發(fā)而以電磁波的形式釋放能量的現(xiàn)象，稱為輻射。電磁波攜帶的能量放能量的現(xiàn)象，稱為輻射。電磁波攜帶的能量稱為稱為輻射能輻射能。（2）任何物體任何物體都都隨時(shí)隨時(shí)向周圍空間向周圍空間發(fā)射電磁波發(fā)射電磁波，因熱的原因因熱的原因，以，以電磁波方式釋放能量，即熱輻射。電磁波方式釋放能量，即熱輻射。（3）只要）只要物體溫度高于絕對(duì)零度物體溫度高于絕對(duì)零度，就會(huì)產(chǎn)生熱輻射。以熱輻射，就會(huì)產(chǎn)生熱輻射。以熱輻射的

3、方式進(jìn)行物體間的熱量傳遞，稱為的方式進(jìn)行物體間的熱量傳遞，稱為輻射換熱輻射換熱。（4）輻射換熱中伴隨能量轉(zhuǎn)換輻射換熱中伴隨能量轉(zhuǎn)換：物質(zhì)受熱激發(fā)起原子的復(fù)雜運(yùn)：物質(zhì)受熱激發(fā)起原子的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而向外以電磁波的形式發(fā)射并傳播的能量。接受這種動(dòng)，進(jìn)而向外以電磁波的形式發(fā)射并傳播的能量。接受這種電磁波的物體又將吸收的電磁波的物體又將吸收的輻射能轉(zhuǎn)變成熱能輻射能轉(zhuǎn)變成熱能。第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.1 10.1 32. 輻射換熱與導(dǎo)熱、對(duì)流換熱有本質(zhì)的區(qū)別：輻射換熱與導(dǎo)熱、對(duì)流換熱有本質(zhì)的區(qū)別： （1）熱輻射所發(fā)射的輻射能熱輻射所發(fā)射的輻射能取決于物體的溫度取決于物體的溫度，

4、溫度越高，輻射越強(qiáng)。溫度越高，輻射越強(qiáng)。（2）熱輻射不依賴于物質(zhì)的媒介作用，是一種熱輻射不依賴于物質(zhì)的媒介作用，是一種非非接觸的傳熱方式接觸的傳熱方式，因此熱輻射是，因此熱輻射是真空中唯一的傳遞真空中唯一的傳遞熱量的方式熱量的方式。第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.1 42000K以下，熱輻射波長(zhǎng)一般位于0.38100 m，其中大部分位于0.7620 m熱射線熱射線：能被物體吸收而轉(zhuǎn)變成熱能的輻射線稱作能被物體吸收而轉(zhuǎn)變成熱能的輻射線稱作熱射線熱射線。熱射線包括紫外線紫外線，可見光可見光和和紅外線紅外線三個(gè)波段?？梢姽? 0.4 0.78 m （m微米，10-6米）紫外線:

5、10-2 0.4 m紅外線: 0.8 50 m第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.1 53 吸收率，反射率，穿透率吸收率，反射率，穿透率 ) 110(1QQQQQQQQQQQQ設(shè)輻射到物體表面的總能量設(shè)輻射到物體表面的總能量 Q，其中：物體吸收Q, 反射Q, 穿透Q， 則有：Q= Q+Q+Q 即：令 則則 + + = 1(吸收率吸收率)(反射率反射率)(穿透率穿透率)第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.1 6第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.1 （1）固體、液體在其表面下固體、液體在其表面下1m（微米）（微米）1mm之間可以將輻射之間可以將輻射

6、能吸收完畢，并且轉(zhuǎn)化為熱能。能吸收完畢，并且轉(zhuǎn)化為熱能。（2）實(shí)際材料的厚度一般實(shí)際材料的厚度一般 遠(yuǎn)大于此，可以認(rèn)為固液體不能透過熱遠(yuǎn)大于此，可以認(rèn)為固液體不能透過熱輻射，輻射，熱輻射全部被吸收或者反射，穿透率熱輻射全部被吸收或者反射，穿透率=0，即，即 + = 1（3）對(duì)固體和液體的輻射、吸收、反射特性的影響因素：）對(duì)固體和液體的輻射、吸收、反射特性的影響因素：物體表物體表面材料的性質(zhì)、表面狀態(tài)、覆蓋層厚度、溫度等。面材料的性質(zhì)、表面狀態(tài)、覆蓋層厚度、溫度等。 熱輻射波長(zhǎng)熱輻射波長(zhǎng)與與表面不平整尺寸表面不平整尺寸時(shí)，屬于漫反射時(shí)，屬于漫反射。 時(shí)，屬于鏡面反射時(shí)，屬于鏡面反射。注意幾點(diǎn)：注

7、意幾點(diǎn)：7第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.2 10.2 1. 黑體黑體吸收率吸收率1 的物體叫的物體叫 絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱黑體黑體。反射率反射率1 的物體叫的物體叫 鏡體鏡體。（漫反射，絕對(duì)白體）。（漫反射，絕對(duì)白體）穿透率穿透率1 的物體叫的物體叫 絕對(duì)透明體絕對(duì)透明體，簡(jiǎn)稱為，簡(jiǎn)稱為 “透明體透明體”。黑體是理想態(tài)黑體是理想態(tài)，自然界中沒有天然黑體，人工可制造接近于黑，自然界中沒有天然黑體，人工可制造接近于黑體的模型。體的模型。2. 輻射力輻射力 (E) （又叫（又叫 “輻射照度輻射照度”）單位時(shí)間內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)，單位表面積單位表面積向向表面半球空間所有方向表

8、面半球空間所有方向發(fā)射的發(fā)射的全全部波長(zhǎng)的總輻射能部波長(zhǎng)的總輻射能。（量剛：。（量剛：W/m2）3. 黑度黑度（發(fā)射率）（發(fā)射率） 令黑體輻射力令黑體輻射力Eb， 實(shí)際物體輻射力實(shí)際物體輻射力E Eb 稱物體的黑度稱物體的黑度（發(fā)射率）。（發(fā)射率）。0 18第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.3 10.3 普郎克定律表明：普郎克定律表明：黑體輻射能黑體輻射能按照波按照波長(zhǎng)的分布規(guī)律。或者說黑體單色輻射長(zhǎng)的分布規(guī)律?；蛘哒f黑體單色輻射力力Eb隨隨波長(zhǎng)波長(zhǎng)和和溫度溫度而變化的函數(shù)。而變化的函數(shù)。C1 3.74310-6C2 1.438710-2 （10-8）觀察上圖：每條曲線下的面

9、積表示觀察上圖：每條曲線下的面積表示某個(gè)溫度下某個(gè)溫度下黑體的輻射力。黑體的輻射力。輻射力輻射力 Eb 隨黑體溫度的升高而增大。隨黑體溫度的升高而增大。5221bhC k TEhce0bbEE d某溫度下：0bbEE d黑體輻射能與波長(zhǎng)、黑體輻射能與波長(zhǎng)、溫度的關(guān)系依據(jù)溫度的關(guān)系依據(jù)10-8式繪制而成。式繪制而成。9利用利用Wien位移定律，測(cè)得黑體表面位移定律，測(cè)得黑體表面最大的單色輻射力波長(zhǎng)最大的單色輻射力波長(zhǎng) m時(shí)，時(shí)，就可以由之就可以由之估算出表面溫度估算出表面溫度。二、維恩（二、維恩（Wien）位移定律）位移定律（1963年維恩根據(jù)年維恩根據(jù)普郎克定律普郎克定律10-8式式取極值得到

10、取極值得到）332.8976 102.9 10 /mTm k黑體輻射中黑體輻射中, 能量最大的波長(zhǎng)能量最大的波長(zhǎng) m與絕對(duì)溫度成反比。與絕對(duì)溫度成反比。例： 太陽輻射m0.5m， T2.910-3 / 0.510-65800K (太陽表面溫度)第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.3 104824, 5.67 10 /bbbETW mK25100.1bbCTCEE dde42400: , C5.67 /100bTORECTWmKC0黑體輻射黑體輻射系數(shù)系數(shù)應(yīng)用：應(yīng)用： 利用利用 Stefan-Boltzman定律，只要知道黑體表面的溫度，定律，只要知道黑體表面的溫度，即可求出黑體

11、在該溫度下的輻射力。即可求出黑體在該溫度下的輻射力。(10-8) 帶入（帶入（10-9）得到：）得到：積分上式得積分上式得 ：第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.3 b斯蒂芬斯蒂芬-玻爾玻爾茲曼常數(shù)茲曼常數(shù)（黑體輻（黑體輻射常數(shù)）射常數(shù)）11四、四、 基爾霍夫基爾霍夫 (Kirchhoff) 定律定律實(shí)際物體實(shí)際物體1（非黑體）（非黑體） 包在包在黑體大空腔黑體大空腔內(nèi)，內(nèi)，二者處于熱二者處于熱平衡平衡。對(duì)于非黑體物。對(duì)于非黑體物1，黑體投來的輻射為，黑體投來的輻射為Eb，非黑體，非黑體吸收率為吸收率為 ，非黑體，非黑體吸收了吸收了 Eb，非黑體輻射出，非黑體輻射出E1。兩。兩

12、者達(dá)到平衡。者達(dá)到平衡。由1的任意性，得：312123.bEEEEE基爾霍夫基爾霍夫 (Kirchhoff) 定律的結(jié)論：定律的結(jié)論： 體系處于熱平衡時(shí)，任何物體的體系處于熱平衡時(shí)，任何物體的輻射力輻射力E 和和 吸收率吸收率 的的 比值比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力恒等于同溫度下黑體的輻射力。與物性無關(guān)，而僅僅取。與物性無關(guān)，而僅僅取決于溫度。決于溫度。（10-13）（基爾霍夫定律表達(dá)式）（基爾霍夫定律表達(dá)式）第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.3 112基爾霍夫基爾霍夫 (Kirchhoff) 定律的定律的推論：推論：1. 物體的發(fā)射力和吸收率成正比。吸收力越大則輻射力也

13、越物體的發(fā)射力和吸收率成正比。吸收力越大則輻射力也越大。（反之亦然）大。（反之亦然） 2. 相同溫度下，黑體輻射力最強(qiáng)。相同溫度下，黑體輻射力最強(qiáng)。bE, =EbEE又因所以吸收率所以吸收率 黑度黑度 熱平衡時(shí)熱平衡時(shí)，物體對(duì)黑體輻射的，物體對(duì)黑體輻射的吸收率吸收率等于同溫度下該物體的等于同溫度下該物體的黑度黑度。312123.bEEEEE（10-13 基爾霍夫定律）基爾霍夫定律）第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.3 13五、五、 蘭貝特蘭貝特(Lambert)定律定律-黑體輻射能在空間的分布黑體輻射能在空間的分布（1） 定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度 Ip （輻射強(qiáng)度）（輻射強(qiáng)度

14、）在在單位時(shí)間單位時(shí)間、單位可見面積單位可見面積、單位立體角內(nèi)單位立體角內(nèi)，輻射的能量叫，輻射的能量叫做做定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度。Qp 為任意為任意p方向（與法線夾角方向（與法線夾角 ）上輻射的熱流率。上輻射的熱流率。2sFr 是立體角（球面上是立體角（球面上表面積表面積與與球半徑平方球半徑平方之比）。之比）。15)-(10Sr W/mcos2ddFdQIpp第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.3 14（1）可以證明，IpIm =In=I （黑體定向輻射強(qiáng)度）（10-16）即：黑體定向輻射強(qiáng)度在半球的各個(gè)方向上相等。黑體定向輻射強(qiáng)度在半球的各個(gè)方向上相等。Sr W/m cos

15、2ddFdQIpp（10-15）（10-17 余弦定律余弦定律）黑體面積發(fā)生的輻射能，黑體面積發(fā)生的輻射能，落到落到空間不同方向單位立空間不同方向單位立體角中的能量值，與該方向同表面法線之間的夾角體角中的能量值，與該方向同表面法線之間的夾角的余弦的余弦成正比。成正比。（余弦定律）（余弦定律）（2）第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.3 15證明：輻射物體遵守蘭貝特定律時(shí)，證明：輻射物體遵守蘭貝特定律時(shí)，輻射力輻射力是是任何方向上定向輻射強(qiáng)度任何方向上定向輻射強(qiáng)度的的倍倍。（。（ ）底面上底面上微元輻射面微元輻射面dF， 在球面上任意輻射在球面上任意輻射方向方向p，取面積微元，取

16、面積微元dFs，則與發(fā)射方向，則與發(fā)射方向p垂垂直的輻射面面積為直的輻射面面積為dF cos 。立體角。立體角d 。單。單位時(shí)間位時(shí)間dF在在p方向輻射能為方向輻射能為dQp。所以：。所以： cosppdQIIdFd 2sdFdr2cospsdQI dFdFr2cos/psdQIdFdFrcossinpdQIdFd d sinsdFrdrd 圖示：半球的半徑為圖示：半球的半徑為r0, 此半球此半球覆蓋在輻射微元面覆蓋在輻射微元面dF所在的平所在的平面上。面上。第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.3 16單位時(shí)間，dF對(duì)半球表面所有方向的總輻射能為：/2200/2200 = co

17、ssin =pQdQIdFd dIdF 另一方面，QEdF所以，E =I。得出（得出（3）E =I ，符合蘭貝特定律的黑體表面，輻射力符合蘭貝特定律的黑體表面，輻射力 是任意方向上定向輻射強(qiáng)是任意方向上定向輻射強(qiáng) 度的度的 倍倍。第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.3 1710.4.1. 實(shí)際物體的輻射特性實(shí)際物體的輻射特性(1). 實(shí)際物體的輻射與絕對(duì)黑體不同。(2). 黑體的單色輻射力Eb隨波長(zhǎng)連續(xù)光滑地變化。而實(shí)際物體的單色輻射力E隨波長(zhǎng)和溫度發(fā)生不規(guī)則變化。 實(shí)際實(shí)際E 黑體黑體Eb(3). 灰體單色輻射力與同溫度、同波長(zhǎng)下的黑體單色輻射力之比為定值 （灰體單色黑度）。

18、（灰體）：（灰體）：bEE40TEEb實(shí)際物體的輻射力計(jì)算公式 （10-20）第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.4 10.4 0是黑體輻射常數(shù)，是黑體輻射常數(shù)，18實(shí)際物體只是近似符合蘭貝特定律，黑度也隨輻射方向改變 (各方向上定向輻射強(qiáng)度不相等)。bII同溫黑體定向輻射強(qiáng)度實(shí)際物體的黑度與物質(zhì)種類、表面溫度、表面狀況有關(guān)。見P. 224 敘述及表（10-1）定義定向黑度為：定義定向黑度為：物體的定向黑度物體的定向黑度( ) )= 物體在該方向上的物體在該方向上的定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度(I ) / 同溫度下黑體在該方向上的同溫度下黑體在該方向上的定向輻射黑度定向輻射黑度 (

19、I b) 。第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.4 1910.4.2. 實(shí)際物體的吸收特性實(shí)際物體的吸收特性 p225實(shí)際物體的吸收率和發(fā)射率 一樣取決于輻射方向、波長(zhǎng)、物質(zhì)種類、表面溫度及表面狀況等。定義單色吸收率定義單色吸收率 對(duì)某一特定波長(zhǎng)輻射能的吸收率。 P.225（看）圖10-9是一些材料單色吸收率與波長(zhǎng)的關(guān)系。第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.4 20第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.4 灰體灰體：某種物體的輻射光譜是連續(xù)的，并且在任何某種物體的輻射光譜是連續(xù)的，并且在任何溫度下所有各溫度下所有各波長(zhǎng)波長(zhǎng)射線的射線的輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)

20、度與同溫度與同溫度黑體黑體的的相應(yīng)波長(zhǎng)射線的輻射強(qiáng)度之比等于相應(yīng)波長(zhǎng)射線的輻射強(qiáng)度之比等于常數(shù)常數(shù)，那么這種，那么這種物體就叫做物體就叫做理想灰體理想灰體，或，或簡(jiǎn)稱灰體簡(jiǎn)稱灰體。 實(shí)際物體實(shí)際物體在某溫度下的輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系在某溫度下的輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系是不規(guī)則的，因此是不規(guī)則的，因此不是灰體不是灰體。但在工程計(jì)算上為了。但在工程計(jì)算上為了方便起見，方便起見，近似把它們都看作是灰體近似把它們都看作是灰體。 灰體的單色吸收率 const1 (10-22)211. 兩黑體表面任意放置兩黑體表面任意放置條件：表面間介質(zhì)絕對(duì)透明。每個(gè)表面發(fā)射出的能量都每個(gè)表面發(fā)射出的能量都只有一只有一部分可以

21、到達(dá)另一個(gè)表面部分可以到達(dá)另一個(gè)表面，其余，其余部分落到空間去了。部分落到空間去了。第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.5 10.5 22F1向半球空間輻射總能： 111FEQb其中落在F2上： 2, 1Q定義12, 12, 1QQ角系數(shù) （1對(duì)2）則：1112, 1cosddFIdQ2221cosrdFd所以 dQ12 可以寫成：可以寫成：同理有：同理有：根據(jù)（根據(jù)（10-15）dF1 投射到投射到dF2的的dQ12為：為：根據(jù)立體角定義：根據(jù)立體角定義：第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.4 232212112, 1coscosrdFdFEdQb221212

22、1 ,2coscosrdFdFEdQb211F222112, 1coscos dFdFrEQFb 積分：211F222121 ,2coscos dFdFrEQFb 角系數(shù): 1212F2211112, 12, 1coscos1 FbdFdFrFFEQ 1212F2212221 ,21 ,2coscos1 FbdFdFrFFEQ第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.4 241 ,222, 11 FF角系數(shù)的相對(duì)性角系數(shù)的相對(duì)性黑體1，2之間凈輻射換熱熱量：1 ,222, 111 ,22, 12, 1QQQQQ凈1 ,2222, 111FEFEbb)(212, 11bbEEF)(21

23、1 ,22bbEEF(10-27)(1)(11 ,22212, 11212, 1FEEFEEQbbbb凈輻射勢(shì)差空間熱阻Eb1Eb2第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.4 25 角系數(shù)是計(jì)算兩板間凈輻射換熱的一個(gè)重角系數(shù)是計(jì)算兩板間凈輻射換熱的一個(gè)重要概念。確定角系數(shù)的方法有很多，如要概念。確定角系數(shù)的方法有很多，如幾何法幾何法、積分法積分法、代數(shù)法代數(shù)法等。這里用來確定角系數(shù)的方等。這里用來確定角系數(shù)的方法是代數(shù)法。法是代數(shù)法。第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.4 26第二篇第二篇 熱量傳輸熱量傳輸 第第10章章 10.6 是多次吸收和反射的過程是多次吸收和反射的過程27(1)投入輻射投入輻射 :單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi),投射到灰投射到灰體表面上單位面積的總輻射能稱為體表面上單位面積的總輻射能稱為對(duì)該面的對(duì)該面的投入輻射投入輻射 G (W/m2)。(2)吸收輻射吸收輻射: 投入輻射G中，被吸收的部分稱吸收輻射 G (W/m2)。(3)反射輻射反射輻射: 投入輻射G中，被反射回去的部分稱反射輻射 G (W/m2)。(4)有效輻射有效輻射: 表面上單位面積上離開的總輻射能稱有效輻射 J (W/m2)。第二篇第