第7章 熱輻射基礎(chǔ)理論

1、2022-3-712022-3-71第第7 7章章 熱輻射基礎(chǔ)理論熱輻射基礎(chǔ)理論能源與機械工程學(xué)院能源與機械工程學(xué)院School of Energy & Mechanical Engineering蔡蔡 杰杰傳熱學(xué)傳熱學(xué)Heat Transfer7.1 熱輻射的基本概念7.2 黑體輻射的基本性質(zhì)7.3 實際物體的輻射和吸收7.1 7.1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念7.1.1 7.1.1 熱輻射的本質(zhì)熱輻射的本質(zhì) 熱輻射: 由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射.構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子因振蕩和躍遷而發(fā)射輻射能電磁波譜: 熱輻射是電磁輻射(電磁波)的一種 m 1000.1 m 1000 m 100076

2、.0, x, m 38.0 104 m 0.7638.03熱射線無線電波紅外線射線等射線紫外線可見光熱輻射具有一般輻射現(xiàn)象的共性.以光速傳播:m ; 1/s s/m 103 ,cc 8波長頻率電磁波的傳播速度輻射的本質(zhì): 既有波動性,又有粒子性.熱輻射的特點熱輻射的特點:不依靠物質(zhì)接觸進行傳熱;輻射過程伴隨能量形式的轉(zhuǎn)化;1. 一切溫度高于0 K的物體都會不停地發(fā)射熱射線.7.1.27.1.2輻射能的吸收、反射和透過輻射能的吸收、反射和透過 圖6-2 射線被吸收、反射和透 過的示意圖ARDQQQQ1ARDQQQQQQ,ARDQQQARDQQQ，1ARDA、R、D分別稱為物體的吸收率、反射率和穿

3、透率與物體的性質(zhì)、溫度、表面狀況有關(guān)與投射能量的波長分布有關(guān)鏡面反射和漫反射:鏡面反射: 反射角等于入射角 光滑的金屬表面, 玻璃, 塑料等漫反射: 被反射的輻射能(均勻)分布在各個方向上。 粗糙的金屬表面近于漫射面絕對透明體： D1、能讓投射到它上面的輻射能全部透過雙原子氣體，如氧氣、氮氣及空氣等，對熱射線就是近似透明體 絕對白體：R1，簡稱白體，能反射投射到其表面上的全部熱射線絕對黑體：A1，簡稱黑體，能吸收投射到其上的全部輻射能。在輻射換熱理論中，黑體占有重要地位，熱輻射的基本定律是在黑體的基礎(chǔ)上得出的。 絕對黑體模型:注意:黑色的物體不同于黑體, 白色的物體不同于白體.顏色對可見光而言

4、；白體、黑體、透明體對全波長而言.白顏色物體(反射可見光呈白色)不一定是白體;黑顏色物體不一定是黑體.7.2 7.2 黑體輻射的基本性質(zhì)黑體輻射的基本性質(zhì)1. 總輻射力E 單位： W/m2單位時間內(nèi)物體單位表面積向半球空間的一切方向發(fā)射的包含全部波長的輻射能 2. 單色輻射力 單位： W/m2單位時間內(nèi)物體單位表面積向半球空間的一切方向發(fā)射的某一波長的輻射能E3. 方向輻射力 單位： 單位時間內(nèi)物體單位表面積向半球空間的某一方向在單位立體角內(nèi)所發(fā)射的一切波長的輻射能 E2W/(msr)7.2.1 7.2.1 幾個重要的輻射參數(shù)幾個重要的輻射參數(shù)圖7-5 立體角的定義立體角：半球表面上被立體角切

5、割的面積除以半徑的平方單位：sr（球面度） 2=f/rddrdrrdrdfdsinsin22有關(guān)輻射力的定義間的關(guān)系式 dEEd0EE dddEE20202sinddEdEE輻射強度：輻射強度：單位時間內(nèi)在某一方向上,物體單位可見輻射面積在單位立體角內(nèi)輻射的一切波長的能量cosdQIdFd W/(m2sr) 圖7-6 輻射強度定義7.2.2 7.2.2 普朗克定律普朗克定律 黑體的單色輻射力和溫度、波長（1901年）251,/()1bCTCEeW/m2 :波長（m）；T:為黑體的絕對溫度（K）； C1 常數(shù)，為3.74310-16 Wm2； C2 常數(shù)，為 1.438710-2 mK。圖6-7

6、 黑體E和波長、溫度的關(guān)系用一條曲線來表示普朗克定律 將上式兩端均除以T5，得2,1/()55()() (-1)bCTECfTTTe圖7-8 黑體單色輻射力與T的函數(shù)關(guān)系7.2.37.2.3維恩定律維恩定律 對應(yīng)于最大單色輻射力的波長與物體的絕對溫度間的關(guān)系稱為維恩位移定律3108976. 2TmmK 圖7-7 黑體E和波長、溫度的關(guān)系鋼錠加溫時：黑紅白波長測溫7.2.4 7.2.4 斯蒂芬玻爾茲曼定律斯蒂芬玻爾茲曼定律黑體的總輻射力 2-5421,0/()00W/m-1bbCTCEEddTe-82405.6697 10W/(mK )黑體輻射常數(shù) 420()W/m100bTEC或2405.66

7、97 W /(mK)C黑體輻射系數(shù) 又稱為輻射的四次方定律 某溫度下黑體發(fā)射的一定波長范圍內(nèi)的輻射能 221121,(-),00-bbbbEEdEdEd引入輻射函數(shù) 22,4010/()50,01/()500/(-1)()()(-1)()bCTbTCTE dCdTeE dCdTfTeT124,(-)210 ()()bEfTfTT 輻射函數(shù)僅為 的函數(shù)。該函數(shù)值列于表中 T7.2.5 7.2.5 蘭貝特定律蘭貝特定律 黑體在任意方向上的輻射強度與方向無關(guān)，都等于它在法線方向上的輻射力I對于服從蘭貝特定律的輻射 ：IcosdQIdFd黑體單位面積發(fā)出的輻射能落在空間不同方向單位立體角中的能量值不等

8、，其數(shù)值正比例于該方向與表面法線之間夾角的余弦值。所以，蘭貝特定律又稱為余弦定律。cosdQIdFd 漫輻射表面:輻射強度在空間各個方向上都相等黑體或具有漫輻射表面的物體，在其法線方向上輻射力最大，在90度方向上最小，為0。對于輻射能按空間方向的分布服從蘭貝特定律的物體，其輻射強度和輻射力間的關(guān)系 222222=00IcosdIcossind dIsincosd dIdQEE dddFd 7.3 7.3 實際物體的輻射和吸收實際物體的輻射和吸收實際物體的輻射和吸收比黑體要復(fù)雜得多，其特性取決于許多因素，如組成、表面粗糙度、溫度、輻射波長等 7.3.1 7.3.1 實際物體的輻射實際物體的輻射

9、圖7-9 實際物體與灰體的單色輻射力黑度（又稱發(fā)射率）：實際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比 1. 黑度2. 單色黑度 3. 方向黑度bEE, bEE,bEE實際物體的輻射力可用下式表示： 4400()100bTEETC實際物體的輻射力并不嚴(yán)格地同絕對溫度的4次方成正比；為工程計算便利，認(rèn)為一切實際物體的輻射力都與絕對溫度的4次方成正比，而把由此引起的修正包括到由實驗方法確定的黑度中去。因此，黑度除了與物體本身性質(zhì)有關(guān)外還與溫度有關(guān)。 如果實際物體的方向輻射力遵守蘭貝特定律的話，該物體表面稱為漫射表面，其方向黑度與角度無關(guān)而等于一常數(shù)。 物體表面的黑度只取決于發(fā)射物體本身，與外界條件并無

10、關(guān)系。表面溫度，表面性質(zhì)、狀況、表面涂層的厚度等都對物體的黑度有很大的影響。物體表面的黑度值一般要由實驗測定。 7.3.2 7.3.2 實際物體的吸收實際物體的吸收吸收率A：實際物體對投入輻射吸收的百分?jǐn)?shù)稱為該物體的吸收率 單色吸收率 ：對某一波長輻射能吸收的百分?jǐn)?shù) A實際物體的吸收特性與其本身性質(zhì)和狀況有關(guān)，與投入輻射的性質(zhì)也有關(guān)物體本身溫度為 ，輻射源溫度為 ，若輻射源為黑體，物體對黑體輻射的總吸收率：1T2T1,21,200402,2012( )()( )()()( ,)bbbA T ET dA T ET dATET dA T T黑體）吸收率是溫度 和 的函數(shù) 1T2T灰體：單色吸收率與

11、波長無關(guān)的物體 AA常數(shù)總吸收率只取決于物體本身的性質(zhì)和狀況而與外界的情況無關(guān)灰體也是一種理想物體。7.3.37.3.3基爾霍夫定律基爾霍夫定律 實際物體的輻射和吸收間的關(guān)系 圖7-10 平行平板的輻射換熱板相距很近，從一塊板發(fā)出的輻射全部落到另一塊板上。板1為黑體表面：E Eb b、T Tb b板2為無透射的任意表面 ：E、A、T兩板間單位面積的輻射換熱量： bqEAE當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時， ,0bTT qbEEA把上述關(guān)系推廣 1212.bEEEEAAA在熱平衡狀態(tài)下，任何實際物體的輻射力和吸收率之比都相同，均等于同溫度下黑體的輻射力 。與黑體熱平衡的條件下才能成立 因為所有實際物體的吸收率總小于1，所以在溫度相同時黑體的輻射力最大。( ,)A T TT黑體） （在熱平衡的條件下，任意物體任意物體對黑體輻射的吸收率恒等于同溫度下該物體的黑度。在溫度相同的前提下，物體的輻射力越大，其吸收率也越大