傳熱學(xué)第七章－熱輻射基本定律－ppt課件

1、7-3實踐固體和液體的輻射特性實踐固體和液體的輻射特性 1 實踐物體的輻射黑度發(fā)射率 實踐物體外表的熱輻射實踐物體外表的熱輻射性能均弱于黑體外表。性能均弱于黑體外表。實踐物體的光譜輻射力實踐物體的光譜輻射力往往隨波長作不規(guī)那么往往隨波長作不規(guī)那么的變化。的變化。圖為同溫度下黑體輻射和實踐物體輻射的單色輻射圖為同溫度下黑體輻射和實踐物體輻射的單色輻射力隨溫度變化的曲線。力隨溫度變化的曲線。黑體黑體 E 實踐物實踐物體體實踐物體外表的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值，實踐物體外表的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值，稱為黑度發(fā)射率。稱為黑度發(fā)射率。 總發(fā)射率bEE黑度僅僅與物體外表本身的輻射特性相關(guān)

2、，也就是黑度僅僅與物體外表本身的輻射特性相關(guān)，也就是與物體的種類相關(guān)、它的外表特征相關(guān)以及和物體與物體的種類相關(guān)、它的外表特征相關(guān)以及和物體的溫度相關(guān)，而與物體外部的情況無關(guān)。的溫度相關(guān)，而與物體外部的情況無關(guān)。 bEE)(40)(TdEEEbb 單色發(fā)射率單色發(fā)射率 定義實踐外表的單色輻射力與同溫度下黑體外表的定義實踐外表的單色輻射力與同溫度下黑體外表的單色輻射力之比，即單色輻射力之比，即發(fā)射率與單色發(fā)射率之間的關(guān)系為發(fā)射率與單色發(fā)射率之間的關(guān)系為 方定向發(fā)射率方定向發(fā)射率 物體外表在某方向上的方向輻射力與同溫度黑體輻物體外表在某方向上的方向輻射力與同溫度黑體輻射在該方向上的方向輻射力之比。

3、亦可表示為物體射在該方向上的方向輻射力之比。亦可表示為物體在某方向上的輻射強度與同溫度黑體輻射在該方向在某方向上的輻射強度與同溫度黑體輻射在該方向上的輻射強度之比，即上的輻射強度之比，即bbbIIIIEEcoscos假照實踐物體的方向輻射力遵守蘭貝特定律，該物假照實踐物體的方向輻射力遵守蘭貝特定律，該物體外表稱為漫射外表。黑體外表就是漫射外表。體外表稱為漫射外表。黑體外表就是漫射外表。假照實踐物體是漫射外表，那么其方向輻射率應(yīng)等假照實踐物體是漫射外表，那么其方向輻射率應(yīng)等于常數(shù)，而與角度無關(guān)?，F(xiàn)實上實踐物體不是漫發(fā)于常數(shù)，而與角度無關(guān)?，F(xiàn)實上實踐物體不是漫發(fā)射體，即輻射強度在空間各個方向的分布

4、不遵照蘭射體，即輻射強度在空間各個方向的分布不遵照蘭貝特定律，是方向角的函數(shù)。貝特定律，是方向角的函數(shù)。 對于非金屬外表在很大對于非金屬外表在很大范圍內(nèi)方向黑度為一個范圍內(nèi)方向黑度為一個常數(shù)值，表現(xiàn)出等強輻常數(shù)值，表現(xiàn)出等強輻射的特征，而在射的特征，而在60之后之后方向黑度急劇減小方向黑度急劇減小 對于金屬外表在一個小的對于金屬外表在一個小的角范圍內(nèi)亦有等強輻射的角范圍內(nèi)亦有等強輻射的特征，方向黑度可視為不變，然后隨著特征，方向黑度可視為不變，然后隨著角增大而急角增大而急劇增大，直到劇增大，直到接近接近90才有減小。才有減小。 單色方向發(fā)射率單色方向發(fā)射率 ,bEE 幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的

5、定向發(fā)射率幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率 實踐物體的輻射力實踐物體的輻射力 實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實踐物體的輻射力并不嚴(yán)厲地同熱力學(xué)實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實踐物體的輻射力并不嚴(yán)厲地同熱力學(xué)溫度的四次方成正比，但工程計算中仍以為一真實踐物溫度的四次方成正比，但工程計算中仍以為一真實踐物體的輻射力都與熱力學(xué)溫度的四次方成正比，而把由此體的輻射力都與熱力學(xué)溫度的四次方成正比，而把由此引起的修正包括到用實驗方法確定的發(fā)射率中。引起的修正包括到用實驗方法確定的發(fā)射率中。 dETEEbb0414TEEb即即例例7-4：試計算溫度處于：試計算溫度處于1400的碳化硅涂料外的碳化硅涂料外表的輻射力。表的輻射力。解：由表

6、解：由表72查得當(dāng)查得當(dāng)10101400時，碳化硅時，碳化硅 的的 n =0.820.92，故可取對應(yīng)，故可取對應(yīng)1400的的 n為為0.92，即，即 = n =0.92，輻射力為：，輻射力為： 23444240W/m10409K1002731400KmW67. 592. 0100TcE例例7-5：實驗測得：實驗測得2500K鎢鎢絲的法向單色發(fā)射率如下絲的法向單色發(fā)射率如下圖，計算其輻射力及發(fā)光圖，計算其輻射力及發(fā)光效率。效率。 解：解：dEEbb0)(1)20(2)20(12220111bbbbbFFdEdEEK5000K2500m10261mT 0.450.450.10.1 / / mm1

7、 2 31 2 3由于由于設(shè)鎢絲為漫射外表設(shè)鎢絲為漫射外表 由表由表7-1查得查得:6341. 0)20(bF322. 0 )6341. 01 (1 . 06341. 045. 025442W/m1013. 7100K2500kmW67. 5322. 0bEE2計算可見光范圍的輻射能，取可見光波計算可見光范圍的輻射能，取可見光波長為長為0.380.76 mK950K2500m38. 001mmTK1900K2500m76. 002mmT由表由表7-1查得查得:0523. 0,0003. 0)76. 00()38. 00(bbFF那么，可見光范圍的輻射能為那么，可見光范圍的輻射能為：24442W

8、/m1018. 5100K2500KmW67. 545. 0)0003. 00523. 0(E%27. 7W/m1013. 7W/m1018. 52524EE發(fā)光效率為發(fā)光效率為:可見發(fā)光效率很低?？梢姲l(fā)光效率很低。7-4 實踐物體的吸收比與基爾霍夫定實踐物體的吸收比與基爾霍夫定律律 1 1、黑體的吸收特性、黑體的吸收特性 吸收比是表示物體吸收入射輻射的才干。吸收比是表示物體吸收入射輻射的才干。吸收比可劃分為以下四種：吸收比可劃分為以下四種： 對來自一切方向和所與波長的入射輻射的吸收比，稱對來自一切方向和所與波長的入射輻射的吸收比，稱之為總吸收比之為總吸收比(簡稱吸收比簡稱吸收比)，用，用 b

9、表示；表示； 對來自一切方向的某一波長的入射輻射的吸收比，稱對來自一切方向的某一波長的入射輻射的吸收比，稱之為單色吸收比，用之為單色吸收比，用 b 表示；表示； 對來自某一方向的一切波長的入射輻射的吸收比，稱對來自某一方向的一切波長的入射輻射的吸收比，稱之為方向吸收比，用之為方向吸收比，用 b 表示；表示； 對來自某一方向某一波長的入射輻射的吸收比，稱之對來自某一方向某一波長的入射輻射的吸收比，稱之為單色方向吸收比，用為單色方向吸收比，用 b , 表示；表示；黑體是理想的吸收體，它對一切波長和一切方向入射黑體是理想的吸收體，它對一切波長和一切方向入射輻射的吸收比均等于輻射的吸收比均等于1 1。

10、于是對黑體有：。于是對黑體有： 1,bbbb2 2、 實踐物體的吸收實踐物體的吸收- -灰體灰體 實踐物體外表對熱輻射的吸收是針對投入輻射而言實踐物體外表對熱輻射的吸收是針對投入輻射而言的。實踐物體對入射輻射吸收的百分?jǐn)?shù)稱之為該物的。實踐物體對入射輻射吸收的百分?jǐn)?shù)稱之為該物體的吸收比。體的吸收比。 物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)定義物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)定義為光譜吸收比，記為為光譜吸收比，記為 ( )。輻射源溫度對吸收比的影響是由于實踐物體的單色輻射源溫度對吸收比的影響是由于實踐物體的單色吸收比不等于常數(shù)的緣故。吸收比不等于常數(shù)的緣故。 物體外表的吸收特性不僅僅與物

11、體的物質(zhì)構(gòu)造、外物體外表的吸收特性不僅僅與物體的物質(zhì)構(gòu)造、外表特征以及溫度情況有關(guān)，而且還與投入輻射的輻表特征以及溫度情況有關(guān)，而且還與投入輻射的輻射能隨波長和溫度的變化親密相關(guān)。射能隨波長和溫度的變化親密相關(guān)。 物體的光譜吸收比隨波長變化的特性物體的光譜吸收比隨波長變化的特性 稱為光譜吸收稱為光譜吸收的選擇性，該性質(zhì)在工農(nóng)業(yè)上得到廣泛運用。的選擇性，該性質(zhì)在工農(nóng)業(yè)上得到廣泛運用。假定投入輻射來自黑體外表假定投入輻射來自黑體外表2，那么吸收外表，那么吸收外表1對其對其的吸收比可以定義為：的吸收比可以定義為： )()()()()()(420021020211TdTETdTEdTETbbb為物體外

12、表對黑體輻射的單色吸收比光譜吸為物體外表對黑體輻射的單色吸收比光譜吸收比收比),(1T實驗得出的一些資料對黑體輻射的單色吸收比隨黑體溫實驗得出的一些資料對黑體輻射的單色吸收比隨黑體溫度的變化關(guān)系見以下圖度的變化關(guān)系見以下圖 假設(shè)投入輻射不是來自黑體，那么必需研討物體外假設(shè)投入輻射不是來自黑體，那么必需研討物體外表單色吸收率隨投入輻射波長變化的規(guī)律。表單色吸收率隨投入輻射波長變化的規(guī)律。 假設(shè)物體外表的單色吸收比為常數(shù)假設(shè)物體外表的單色吸收比為常數(shù) ，即，即.const)()()()()()(420021020211TdTETdTEdTETbbb那么它的吸收比也就為常數(shù)那么它的吸收比也就為常數(shù)

13、。熱輻射分析中，把單色光譜吸收比與波長無關(guān)熱輻射分析中，把單色光譜吸收比與波長無關(guān)的物體定義為灰體。的物體定義為灰體。 灰體也是一種理想的輻射外表，實踐外表在一定條件灰體也是一種理想的輻射外表，實踐外表在一定條件下可以以為具有灰體的特性。下可以以為具有灰體的特性?；殷w是從物體外表對投入輻射的吸收特性上去定義的，灰體是從物體外表對投入輻射的吸收特性上去定義的，假設(shè)再在其發(fā)射特性上給予等強輻射的假設(shè)，即以為假設(shè)再在其發(fā)射特性上給予等強輻射的假設(shè)，即以為是漫射外表，也就是漫射灰外表，簡稱漫灰外表。是漫射外表，也就是漫射灰外表，簡稱漫灰外表。漫射灰外表的定向發(fā)射率和定向吸收比與方向無關(guān)，漫射灰外表的定

14、向發(fā)射率和定向吸收比與方向無關(guān)，單色發(fā)射率和單色吸收比與波長無關(guān)，所以它對于來單色發(fā)射率和單色吸收比與波長無關(guān)，所以它對于來自任何方向和任何波長的入射輻射的吸收比均為常數(shù)，自任何方向和任何波長的入射輻射的吸收比均為常數(shù)，同時其發(fā)射的輻射也等于對任何方向和任何波長的黑同時其發(fā)射的輻射也等于對任何方向和任何波長的黑體輻射的一個固定份額。體輻射的一個固定份額。 .,const.,const3 實踐物體輻射與吸收之間的關(guān)系基爾霍夫定律假定兩塊平行平板間隔很近，假定兩塊平行平板間隔很近，從一塊板發(fā)出的輻射能全部從一塊板發(fā)出的輻射能全部落到另一塊板上。假設(shè)板落到另一塊板上。假設(shè)板1為黑體外表，板為黑體外表

15、，板2為恣意物為恣意物體的外表。體的外表。兩者的輻射力、吸收比和外兩者的輻射力、吸收比和外表溫度分別為表溫度分別為EbEb、 b(=1)b(=1)、T1T1、E E、 和和T2T2。T1T1T2EEb Eb(1- )Eb板板2發(fā)出的輻射能發(fā)出的輻射能E全部被板全部被板1吸收，而板吸收，而板1發(fā)出的輻發(fā)出的輻射能射能Eb只被板只被板2吸收吸收 Eb ，對板，對板2能量收支為：能量收支為：bEEq0bEEqbEE當(dāng)體系處于熱平衡時當(dāng)體系處于熱平衡時T1=T2，q=0, 所以有所以有bEE或或T1T1T2EEb Eb(1- )Eb即即把這種關(guān)系推行到恣意物體，有把這種關(guān)系推行到恣意物體，有bEEEE

16、.2211上述兩式為基爾霍夫定律的兩種不同數(shù)學(xué)表達。上述兩式為基爾霍夫定律的兩種不同數(shù)學(xué)表達。于是基爾霍夫定律可表達為：在熱平衡條件下，于是基爾霍夫定律可表達為：在熱平衡條件下，任何物體的輻射和它對來自黑體輻射的吸收比的任何物體的輻射和它對來自黑體輻射的吸收比的比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力?；蛘呙璁嫳戎担愕扔谕瑴囟认潞隗w的輻射力?；蛘呙璁嫗椋簾崞胶鈺r恣意物體對黑體投入輻射的吸收比為：熱平衡時恣意物體對黑體投入輻射的吸收比等于同溫度下該物體的發(fā)射率。等于同溫度下該物體的發(fā)射率。基爾霍夫定律是在物體與黑體投入輻射處于熱平衡基爾霍夫定律是在物體與黑體投入輻射處于熱平衡條件下得出的。條件下得出的

17、。實驗闡明，只需外表間存在有實驗闡明，只需外表間存在有輻射，便有輻射，便有,對于漫射外表，由于輻射與對于漫射外表，由于輻射與方向無關(guān)，于是有方向無關(guān)，于是有對于灰體，由于其單色吸收比不隨波長變化，所以對于灰體，由于其單色吸收比不隨波長變化，所以灰體的吸收比等于其發(fā)射率與投射源的溫度無關(guān)，灰體的吸收比等于其發(fā)射率與投射源的溫度無關(guān)，那么不論物體與外界能否處于熱平衡形狀，也不論那么不論物體與外界能否處于熱平衡形狀，也不論投入輻射能否來自黑體，都存在投入輻射能否來自黑體，都存在即：灰體是無條件滿足基爾霍夫定律的。即：灰體是無條件滿足基爾霍夫定律的。 闡明闡明1 1基爾霍夫定律有幾種不同層次上的表達基

18、爾霍夫定律有幾種不同層次上的表達式，歸納為下表式，歸納為下表層層 次次數(shù)學(xué)表達式數(shù)學(xué)表達式成立條件成立條件單色，定向單色，定向 ( ( , , , , ,T)= ,T)= ( ( , , , , ,T),T)無條件，無條件，為緯度角為緯度角單色，半球單色，半球 ( ( , T)= , T)= ( ( ,T),T)漫射外表漫射外表全波段，半球全波段，半球 (T)= (T)= (T)(T)與黑體熱平衡或漫射外表與黑體熱平衡或漫射外表2 2對工程計算而言，只需在所研討的波長范圍內(nèi)對工程計算而言，只需在所研討的波長范圍內(nèi)單色吸收率根本上與波長無關(guān)，那么灰體假設(shè)成立。單色吸收率根本上與波長無關(guān)，那么灰體

19、假設(shè)成立。在工程常見的溫度范圍在工程常見的溫度范圍2000K2000K內(nèi)，許多工程資內(nèi)，許多工程資料都具有這一特點。料都具有這一特點。3 3由基爾霍夫定律，物體的輻射力越大，其吸收由基爾霍夫定律，物體的輻射力越大，其吸收才干也就越大，換句話說，擅長輻射的物體必擅長吸才干也就越大，換句話說，擅長輻射的物體必擅長吸收，反之亦然。所以，同溫度下黑體的輻射力最大。收，反之亦然。所以，同溫度下黑體的輻射力最大。4 4當(dāng)研討物體外表對太陽能的吸收時，普通不能當(dāng)研討物體外表對太陽能的吸收時，普通不能把物體作為灰體，即不能把物體在常溫下的發(fā)射率作把物體作為灰體，即不能把物體在常溫下的發(fā)射率作為對太陽能的吸收比

20、。為對太陽能的吸收比。例例7-6：一火床爐墻內(nèi)外表溫度為：一火床爐墻內(nèi)外表溫度為500K，其光，其光譜發(fā)射率可近似地表示為：譜發(fā)射率可近似地表示為：1.5 m時時, ( ) = 0.1; =1.5 10 m時時, ( ) = 0.5; 10 m時時, ( ) = 0.8。非灰體；爐墻內(nèi)壁接受來自熄。非灰體；爐墻內(nèi)壁接受來自熄滅著的煤層的輻射，煤層溫度為滅著的煤層的輻射，煤層溫度為2000K。設(shè)煤。設(shè)煤層的輻射可作為黑體輻射，爐墻為漫射外表，層的輻射可作為黑體輻射，爐墻為漫射外表，試計算爐墻發(fā)射率及其對煤層輻射的吸收比。試計算爐墻發(fā)射率及其對煤層輻射的吸收比。分析：分析：1 dEEdEEdEET

21、bbbbbb22113 ,2,01 ,1)(查表得查表得000. 0)0(1bFK5000K5001012mmT查表得查表得634. 0)0(2bF故故 61. 0)634. 01 (8 . 0634. 05 . 0000. 01 . 0)(1TK750K5005 . 111mmT2按吸收比定義：按吸收比定義： dTEdTETbb)()(),(20210由于爐墻是漫射的，由于爐墻是漫射的，),(),(TT故有故有:)(3)(2)0(13211)()()(bbbFFF其中的輻射函數(shù)是其中的輻射函數(shù)是2000K下的值：下的值：K3000K20005 . 121mmT查表查表7-1得：得：2736. 0)0(1F所以：所以：395. 0 )9856. 01 (8 . 0)2736. 09856. 0(5 . 02736. 01 . 0這里這里 (T1) = 0.61，而，而 (T1, T2)=0.395， 。這是由。這是由于在所研討的波長范圍內(nèi)，于在所研討的波長范圍內(nèi)， ( )不是常數(shù)所致。不是常數(shù)所致。 K20000