東南大學(xué)傳熱學(xué)課件第七章第三四節(jié)

第三節(jié)實(shí)際固體和

液體的輻射特性在這一節(jié)里，我們將把實(shí)際物體的輻射特性與黑體進(jìn)行比較，從輻射總能量按波長和方向的分布的規(guī)律動身，分別引動身射率、光譜放射率及定向放射率幾個概念，并探討其特點(diǎn)。實(shí)際物體光譜輻射力的特征實(shí)際物體的光譜輻射力往往隨波長作不規(guī)則的變更。實(shí)際物體的輻射力就等于光譜輻射力曲線與橫坐標(biāo)軸圍成的面積。實(shí)際物體的輻射力小于同溫度下黑體的輻射力。實(shí)際物體的放射率定義：實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比稱為實(shí)際物體的放射率，習(xí)慣上稱為黑度，記為實(shí)際物體的光譜放射率定義：物體某一特定波長下的光譜輻射力與同溫度、同波長條件下黑體的光譜輻射力之比，稱為物體的光譜放射率，記為光譜輻射力有時也稱為單色黑度。實(shí)際物體輻射力的計(jì)算當(dāng)已知實(shí)際物體的黑度時，其輻射力可按下面的公式計(jì)算試驗(yàn)探討發(fā)覺，實(shí)際物體的輻射力并不嚴(yán)格地同熱力學(xué)溫度的四次方成正比，但要對不同物體接受不同方次的規(guī)律來計(jì)算，在好用上很不便利。所以，在工程計(jì)算中仍認(rèn)為一切實(shí)際物體的輻射力都與熱力學(xué)溫度的四次方成正比，而把由此引起的修正包括到用試驗(yàn)方法確定的放射率中去。由于這個緣由，放射率還與溫度有依靠關(guān)系。實(shí)際物體的定向放射率定義：實(shí)際物體在某方向的輻射強(qiáng)度與同溫度、同方向黑體的輻射強(qiáng)度之比，稱為實(shí)際物體的定向放射率，記為定向放射率也被稱為定向黑度。實(shí)際物體的輻射不符合蘭貝特定律，即實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度在各個方向是不同的。金屬材料定向黑度與方向的關(guān)系金屬導(dǎo)體定向黑度的特點(diǎn)在表面的法線方向旁邊，定向黑度較?。粡姆ň€方向起先，在確定的角度內(nèi)，定向黑度都比較小，且保持不變；到達(dá)確定的角度之后，隨著角度的增加，定向黑度也急劇地增加；在接近表面切線方向旁邊的微小角度內(nèi)，定向黑度又有減小。非導(dǎo)體材料的定向黑度與方向的關(guān)系非導(dǎo)電體材料定向黑度的特點(diǎn)從法線方向起先，在確定的角度內(nèi)，定向黑度較大，且保持不變；當(dāng)角度大于確定的角度之后，隨著角度的增加，定向黑度明顯地減小，直到表面切線方向時，減為零。不同材料的輻射特性對金屬輻射而言，角度較大時輻射的能量較多；而角度較小時輻射的能量相對較少。對于非導(dǎo)體材料，角度較小時輻射的能量較多；而角度較大時輻射的能量較少。實(shí)際物體的平均黑度

與定向黑度的關(guān)系盡管實(shí)際物體的定向放射率有上述變更，但并不顯著地影響在半球空間的平均值。大量試驗(yàn)表明，物體的半球平均放射率與法向放射率的比值，對于高度拋光的金屬表面約為1.20，對其他具有光滑表面的物體約為0.95，對粗糙表面的物體約為0.98。因此往往不考慮的變更微小環(huán)節(jié)，而近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料也聽從蘭貝特定律。我們稱聽從蘭貝特定律的表面為漫射表面（即各個方向定向黑度相等的表面）。黑度可認(rèn)為是物性參數(shù)實(shí)際物體的放射率只取決于物體的種類、物體的表面溫度及其物體的表面狀況，而與外界因素?zé)o關(guān)，這說明物體的放射率只與自身的性能有關(guān)，因此可以被認(rèn)為是物性參數(shù)。影響物體放射率的主要因素物質(zhì)的種類。例如，常溫下白色大理石的放射率為0.95，而鍍鋅鐵皮的放射率只有0.23。物質(zhì)的表面溫度。例如，嚴(yán)峻氧化的鋁表面50℃時其放射率為0.2，而500℃時為0.3。物體的表面狀況。例如，在常溫下無光澤黃銅的放射率為0.22，而磨光后黃銅的放射率是0.05。說明，同一材料，高度磨光表面的放射率很小，而粗糙表面和受氧化作用后的表面放射率常常為磨光表面的數(shù)倍。第四節(jié)實(shí)際物體的吸取比

與基爾霍夫定律本節(jié)主要介紹實(shí)際物體的吸取特性，以及吸取特性與放射特性的關(guān)系。在吸取特性中主要探討其主要影響因素及在特定條件下的計(jì)算。介紹灰體的概念。介紹物體的吸取比與放射率之間的關(guān)系，即基爾霍夫定律。給出基爾霍夫定律的適用條件。相關(guān)概念投入輻射：單位時間內(nèi)從外界輻射到單位表面積上的總輻射能稱為投入輻射。選擇性吸?。簩ν饨鐏淼牟煌ㄩL的投入輻射，其吸取比不同，這叫作選擇性吸取。吸取比：物體對投入輻射所吸取的百分?jǐn)?shù)稱為吸取比。光譜吸取比：物體對某一特定波長的輻射能所吸取的百分?jǐn)?shù)稱為光譜吸取比，也稱為單色吸取比。實(shí)際物體的吸取比定義：物體對投入輻射所吸取的百分?jǐn)?shù)稱為吸取比，通常用表示。實(shí)際物體的光譜吸取比定義：物體對某一特定波長的輻射能所吸取的百分?jǐn)?shù)稱為光譜吸取比，也稱為單色吸取比，用符號表示。實(shí)際物體吸取比的特點(diǎn)實(shí)際物體的吸取比取決于兩方面的因素：1.吸取物體本身的狀況：所謂物體本身的狀況，是指物體的種類、物體的溫度及物體的表面狀況等；2.放射輻射能的物體的狀況：包括放射物體的種類、溫度和表面狀況等。由此可見，物體的吸取比比起放射率來要更加困難。金屬導(dǎo)體的光譜吸取比與波長的關(guān)系非導(dǎo)體材料光譜吸取比與波長的關(guān)系選擇性吸取物體的光譜吸取比隨波長而變更的特性稱為物體的吸取具有選擇性。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常常利用這種選擇性來達(dá)到確定的目的。如（1）暖房（2）有色眼鏡（3）不同的顏色等暖房原理暖房是用玻璃或塑料制成的。當(dāng)太陽光照射到玻璃上時，由于玻璃對波長小于的輻射能吸取比很小，從而使大部分太陽能可以進(jìn)入暖房。但暖房中的植物由于溫度較低，其輻射能絕大部分位于波長大于的紅外范圍內(nèi)，而玻璃對于波長大于的輻射能的吸取比很大，從而阻擋了輻射能向暖房外的散失。這樣對暖房而言，進(jìn)入的熱量多于出去的熱量，所以暖房內(nèi)的溫度較室外的溫度要高，所以稱之為暖房。為什么會有各種不同的顏色世上萬物呈現(xiàn)不同顏色的主要緣由也在于物體選擇性的吸取與輻射。當(dāng)陽光照射到一個物體表面上時，假如該物體能夠幾乎全部吸取各種可見光，它就呈現(xiàn)黑色；假如幾乎全部反射可見光，它就呈白色；假如幾乎勻整地吸取各種可見光并勻整地反射各種可見光，它就呈灰色；假如只反射了一種波長的可見光而幾乎全部吸取了其他可見光，則它就呈現(xiàn)被反射的這種可見光的顏色。實(shí)際物體吸取比的計(jì)算要計(jì)算1物體的吸取比，假設(shè)2為投射物體，則對黑體投入輻射的吸取比假如投入輻射來自黑體，則物體的吸取比可以表示成此時，只要知道物體的光譜吸取比與溫度的關(guān)系，則可求得物體的吸取比。物體表面對黑體輻射的

吸取比與溫度的關(guān)系光譜吸取比與波長無關(guān)依據(jù)吸取比的計(jì)算式，可以得到下面的計(jì)算結(jié)果灰體定義：我們將光譜吸取比與波長無關(guān)的物體稱為灰體。所以對于灰體其吸取比為常數(shù)。像黑體一樣，灰體也是一種志向物體。工程上通常遇到的熱輻射，其主要波長大多位于紅外范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)大多數(shù)工程材料當(dāng)作灰體來處理所引起的誤差是可以被允許的，而這種簡化處理卻給輻射換熱計(jì)算帶來了極大的便利。實(shí)際物體吸取比的確定由于實(shí)際物體的吸取比遠(yuǎn)比放射率要困難，所以無論是用計(jì)算的方法還是試驗(yàn)的方法都比較難于干脆獲得。那么，實(shí)際物體的吸取比與放射率之間有無關(guān)系呢？假如能夠找到實(shí)際物體的吸取比與放射率之間的關(guān)系，那么就可以通過計(jì)算物體的放射率來確定其吸取比?；鶢柣舴蚨山沂玖藢?shí)際物體的放射率與吸取比之間的關(guān)系?；鶢柣舴蚨傻耐茖?dǎo)假設(shè)表面1是隨意表面，表面2是黑體表面，則隨意表面1的凈輻射換熱量為當(dāng)兩個表面處于熱平衡狀態(tài)時，則基爾霍夫定律的表達(dá)式將上面的關(guān)系式推廣，有依據(jù)黑度的定義，有比較上面兩式，可以得到基爾霍夫定律成立的條件基爾霍夫定律成立的條件即為推到基爾霍夫定律時用到的條件。有兩個條件：（1）輻射物體與吸取物體處于熱平衡狀態(tài)，即具有相同的溫度；（2）放射物體必需為黑體。實(shí)際計(jì)算中基爾霍夫定律適用條件的推導(dǎo)實(shí)際計(jì)算中基爾霍夫定律的適用條件

將灰體表面與黑體表面組成封閉的輻射系統(tǒng)。當(dāng)兩表面處于熱平衡時，對灰體表面而言，其確定滿足基爾霍夫定律，即變更灰體的環(huán)境，將黑體換成不同溫度的隨意物體，但使灰體照舊保持原來的溫度。在此新環(huán)境下，對于灰體表面有新環(huán)境條件下，灰體的吸取比為所以，在新的輻射系統(tǒng)中，有或者寫成重要的結(jié)論上面的關(guān)系式說明，對于灰體表面不論投入輻射是否來自黑體，也不論是否處于熱平衡狀態(tài)，其吸取比恒等于放射率。在工程計(jì)算中，由于大部分表面可以認(rèn)為是灰體表面，所以，這一結(jié)論對輻射換熱的計(jì)算特殊重要。關(guān)于基爾霍夫定律的幾點(diǎn)說明

基爾霍夫定律有幾種不同層次上的表達(dá)式，其適用條件不同，歸納于表7-3。對于大多數(shù)工程計(jì)算，主要應(yīng)用“全波段、半球”這一層次上的表達(dá)式。

基爾霍夫定律的不同表達(dá)式層次數(shù)學(xué)表達(dá)式成立條件光譜、定向無條件，維度角光譜、半球漫射表面全波段、半球與黑體處于平衡或漫灰表面關(guān)于基爾霍夫定律的幾點(diǎn)說明既然實(shí)際物體或多或少都對輻射能的吸取具有選擇性，為什么工程計(jì)算中又可將實(shí)際物體假定為灰體呢？對工程計(jì)算而言，只要在所探討的波長范圍內(nèi)光譜吸取比與基本上與波長無關(guān)，則灰體的假設(shè)即可成立，而不必要求在全波段范圍內(nèi)光譜吸取比均為常數(shù)。在工程常見的溫度范圍（小于2000K）內(nèi)，很多工程材料都具有這一特點(diǎn)。在工程手冊或教材中僅列動身射率之值而不給出吸取比的緣由正在于此。關(guān)于基爾霍夫定律的幾點(diǎn)說明由于在大多數(shù)狀況下物體可作為灰體，則由基爾霍夫定律可知，物體的輻射實(shí)力越大，其吸取實(shí)力也越大。換句話說，擅長輻射的物體必擅長吸取，反之亦然。所以，同溫度下黑體的輻射力最大。關(guān)于基爾霍夫定律的幾點(diǎn)說明當(dāng)探討物體表面對太陽能的吸取時，一般不能把物體作為灰體，即不能把物體在常溫下的放射率作為對太陽能的吸取比。因?yàn)樘栞椛渲锌梢姽庹嫉?/p>