第六章 热辐射的基本定律

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1、传热学HeatTransfer 主讲教师 张彭岗 联系电话 15862986001Email zpg mail 学习内容 第一章绪论第二章导热基本定律和稳态导热第三章非稳态导热第四章对流换热原理第五章单相流体对流换热特征数关联式第六章热辐射基本定律第七章辐射换热计算 热辐射是三种基本的热量传递方式之一 它的传热机理与热传导 热对流有着根本的不同 热传导是依靠分子 原子以及自由电子等微观粒子的热运动而进行的热量传递的现象 热对流靠的是流体的宏观运动 而辐射靠的是电磁波的运动 因此 它的研究方法也有着自身的特点 任何物体只要温度高于绝对零度 它就能源源不断地以热辐射的方式向外界辐射能量 同时它也不

2、断地吸收投射到自己身上的热辐射 因此 热辐射是一种非常普遍的热量传递现象 辐射传热问题也在工程领域和科学研究中普遍存在 尤其是高温物体传热 红外加热技术 航空航天工程 辐射采暖等领域中占有非常重要的地位 取暖 冶金过程中的热辐射 太阳辐射 太阳能热水器 热像图 便携式红外摄像仪 第六章热辐射的基本定律 6 1热辐射的基本概念6 2黑体辐射的基本定律6 3基尔霍夫定律 6 1 1热辐射的定义和特点 6 1热辐射的基本概念 定义 由于自身温度或者热运动的原因而激发出电磁波的方式称为热辐射 工程上的一般物体 它们热辐射的大部分波长位于0 76 20之间 只有对于太阳辐射才考虑波长在0 1 20之间的

3、热射线 因此 除特殊说明 我们一般涉及的热射线都是指红外线 特点 任何物体 只要温度高于绝对零度 就会不停的象周围空间发射辐射能 具有电磁波的共性 比如波动性 粒子性 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转化物体的热力学能电磁波能物体的热力学能 物体间以热辐射方式进行热量传递是双向的 不需要冷热物体的直接接触 即便在真空中热辐射也能进行 6 1 2辐射能的吸收 透射和反射 吸收 反射 透射 投射辐射G 根据能量守恒定律 应有 等式两边同时除以G 得 吸收率 反射率 透射率 由此可见 分别表示表面对于投射辐射吸收 反射和透射能力的大小 大多数固体 液体对于投射辐射是不透射的 结论1 善于吸收的物体就

4、不善于反射 结论2 物体表面状况对吸收和反射特性影响很大 分析 气体对热辐射几乎没有反射能力 结论 气体的辐射和吸收在整个气体容积中进行 三个理想物体 黑体 能够全部吸收投射辐射的物体 白体 能够全部反射投射辐射的物体 透明体 能够全部透射投射辐射的物体 它们都是实际物体热辐射性能的理想模型 自然界并不存在这样三类物体 但有些物体的性能又非常接近它们 烟煤的 高度抛光的纯金 常温下空气对热射线呈现透明的性质 例如 1 黑体 白体 透明体应该是针对所有波长的投射辐射而言的 注意 2 误区 白颜色的物体一定是白体 黑色的物体就一定是黑体 白颜色物体 反射的射线在可见光部分呈白色 玻璃只透过可见光

5、对 3 m的红外线不透明 例如 雪对可见光是良好的反射体 对肉眼是白色的 但对红外线几乎能全部吸收 0 985 0 8的白布和黑布对可见光吸收率不同 但对红外线的吸收率基本相同 人造黑体模型 6 1 3两个重要的辐射参数 1 辐射力 定义 单位时间内 物体每单位表面积向半球空间发射的全部波长的电磁波能量的总和 用E表示 单位 很明显辐射力的数值表征了物体发射辐射能的本领 下面我们会讲到 它不是一个常数 对于某一个物体 不同的温度 其辐射能力也是不同的 黑体辐射力 Eb 2 单色辐射力 定义 单位时间内 物体每单位表面积向半球空间发射的的电磁波能量的总和 即 由的定义可知 E与存在着积分关系 辐

6、射力是各种波长的单色辐射力沿波长的积分 物体发射出的是这一波段的辐射能又是多少呢 6 2黑体辐射的基本定律 本节我们着重讨论黑体辐射的两个基本定律 即斯蒂芬 玻尔兹曼定律 普朗克定律 这两个定律分别给出了黑体辐射的总能量的计算方法以及其按波长的分布 6 2 1斯蒂芬 玻尔兹曼定律 四次方定律 1 定义式 式中 称为黑体辐射系数 T为黑体的热力学温度 为黑体在某温度的辐射力 称为黑体辐射常数 由此可见 Eb是与黑体绝对温度的四次方成正比的 2 实际物体的辐射力 实际物体的辐射力也同温度有关 但从各个试验结果发现 实际物体的辐射力并不严格的同热力学温度的四次方成正比 而且对于不同的物体是多少次方也

7、不是一定的 这在计算时极不方便 为此 人们定义了发射率这一概念 发射率 黑度 任一物体的辐射力E与同温度下黑体的辐射力Eb之比称之为该物体的发射率 即 有了黑度的定义 我们就可以将斯蒂芬 玻尔兹曼定律近似的用于实际物体的计算 即 说明 发射率的值介于0 1之间 具体数值由实验测定 它表征了物体辐射力接近同温度下黑体辐射力的程度 常用材料的黑度可以从本书后面的附录中查到 物体的发射率是受温度影响的 氧化铝表面 50 500 表面状况对发射率也有很大的影响 大部分非金属材料的发射率都较高 一般为0 85 0 95 且与表面状况关系不大 黄铜表面 无光泽 磨光 6 2 2普朗克定律 物体的辐射力在各

8、个波长上分布是不均匀的 也就是说物体发射不同热射线的能力也有所不同 1 定义式 式中 称为第一辐射常数 称为第二辐射常数 普朗克定律的图示 分析 黑体发射的光谱是一系列的连续光谱 某温度下的黑体辐射力等于该温度对应的曲线下的面积 温度越高 辐射力越大 斯蒂芬 玻尔兹曼定律 维恩位移定律 根据维恩定律 利用光学仪器测得某黑体表面最大光谱辐射力的波长后 可以算出该黑体表面的温度 如 已知太阳 可得出太阳表面T 5795 2K 随着温度的升高 辐射力中可见光的份额逐渐增多 热物体的亮度逐渐发生变化 2 黑体辐射函数 定义 在的波长范围内黑体发出的辐射能在其辐射力中所占的份额 由普朗克定律可得 由此可

9、见 黑体辐射函数是波长与温度乘积的函数 黑体波段辐射函数 6 3基尔霍夫定律 6 3 1实际物体的辐射 吸收特性 辐射方面 实际物体的单色辐射力随着波长和温度的变化是不规则的 单色发射率 实际物体的单色辐射力与同温度下黑体的单色辐射力之比 实际物体的单色发射率 1 吸收方面 实际物体对投射辐射的吸收具有明显的选择性 单色吸收率 物体对某一特定波长的投射辐射的吸收率 单色吸收率随着波长有着强烈的变化 不同物体对于同一辐射的吸收能力是不同的 温室效应 思考题 火星与地球离太阳的距离相当 为什么与地球相比 火星上的昼夜温差要大的多 答案 因为地球表面的大气层起到了温室效应的作用 而火星表面没有大气层

10、 因此昼夜温差较大 由于是随着波长不断变化的 因此一个表面的总吸收率除了与物体自身的性质有关 还取决于投射辐射 取决于投射辐射按波长的分布 这就给实际物体的辐射换热计算带来了很大的困难 而基尔霍夫定律的提出就为这一困难的解决奠定了基础 6 3 2基尔霍夫定律 黑体1 实际表面2 由于板1 板2温度相等 所以系统处于一个热平衡状态 板2发射的辐射能与吸收的辐射能应该相等 即 T T 发射率 在热平衡条件下 任意物体对黑体的吸收率等于同温度下该物体的发射率 语言描述 6 3 3灰体 定义 单色吸收率与波长无关 即的物体 灰体 1 0 6 灰体的单色吸收率 几点说明 灰体的总吸收率也为常数 对于灰体

11、 恒成立 灰体是一种理想辐射体 灰体的辐射特性也与黑体完全类似 其单色发射率也同波长没有关系 灰体 在工程中 对实际表面的投射辐射主要集中在0 76 20波长的热射线上 在此波长范围内 实际物体的热辐射不随波长变化 因此 在大多数情况下可以将实际物体当作灰体处理 例6 1北方深秋季节的清晨 树叶叶面上常常结霜 试问树叶上下表面的哪一面结霜 为什么 解 霜会结在树叶的上表面 因为清晨 上表面朝向太空 下表面朝向地面 而太空表面的温度低于0 而地球表面的温度一般在0 以上 由于相对树叶下表面来说 其上表面需要向太空辐射更多的能量 所以下表面树叶温度更高 而上表面温度可能会低于零度 从而容易结霜 例6 2对于放置在室外的冷库 从减少冷库冷量损失的角度出发 冷库外壳的颜色应涂成深色还是浅色 解 要减少冷量损失 须尽可能少地吸收外界热量 而尽可能多地向外界释放热量 因此冷库应取较浅的颜色 从而使吸收的可见光能量较少 而向外发射的红外线较多 例6 3已知太阳可视为温度5800K的黑体 某选择性表面的单色吸收率随波长变化的特性曲线如图所示 当太阳的投射辐射Gs 800W m2时 试计算该表面对太阳辐射的总吸收率及单位面积上所吸收的太阳能量 解 0 1 4 0 1 0 8 单位面积上所吸收的太阳能量