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1、热辐射是热量传递的 基本方式之一，以热辐 射方式进行的热量交换 称为辐射换热。,传热学第八章 热辐射基本定律和辐射特性,8-1 热辐射现象的基本概念,1. 热辐射特点 (1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量； (2) 特点：a 任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。 (3) 辐射传热,电磁波谱,2. 电磁波谱,(2). 热辐射的波长范围,理论上 ：0 整个波谱； 日常生活, 工业上常见的温度范围（太阳辐射） ：0.1100 m，
2、包括部分紫外线、可见光、部分红外线；,(1). 传播速率与波长，频率间的关系,一、吸收比、反射比和穿透比,吸收比,反射比,穿透比,8-1 热辐射的基本概念,注意：,（1） 不仅取决于物体的性质，还与投射辐射能的波长分布有关。,（3）,对于大多数的固体和液体： 对于不含颗粒的气体：,固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上属于表面效应：金属的表面层厚度小于1m；绝大多数非金属的表面层厚度小于1mm。,（ 2 ）镜反射和漫反射,二、黑体模型 能吸收投入到其表面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实中并不存在。,透明体：,黑体：,白体或镜体：,煤烟、炭黑、粗糙的钢板,白雪 ： （接近黑体）；
3、 白布，黑布吸收比基本相同； 玻璃可透过可见光，对红外线几乎不透过。,例如,黑体吸收和发射辐射能的能力最强,辐射力E： 单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。 (W/m2)；,三、辐射力和光谱辐射力,光谱辐射力E： 单位时间内，单位波长范围内 (包含某一给定波长)，物体的单位 表面积向半球空间发射的能量。 (W/m3)；,四. 定向辐射强度,立体角：,半径为r的球面上面积A与球心所对应的空间角度，,单位为Sr（球面度）,(，）方向上的微元面积 dAc对球心所张的微元立体角,热传导和对流换热均与面积有关，热辐射是表面向空间发出 辐射，辐射换热无需换热面直接接触从而产生立
4、体角问题。,单位时间、单位可见辐射面积向 （，）方向的单位立体角内发 射的所有波长的总辐射能，单位为 W/(m2sr)。,定向辐射强度I(, ),能流,辐射强度的大小不仅取决于物体种类、表面性质、温度，还与方向有关。对于各向同性的物体表面，辐射强度与角 无关。,辐射力与定向辐射强度之间的关系：,一、普朗克定律,C1= 3.74310-16 Wm2 ; C2 = 1.43910-2 mK。,特点：,（1）温度愈高，同一 波长下的光谱辐射力愈大；,（2）在一定的温度下， 黑体的光谱辐射力在某一波 长下具有最大值；,（3）随着温度的升高，Eb取得最大值的波长max愈来愈小，即在坐标中的位置向短波方向
5、移动维恩位移定律,8-2 黑体辐射的基本定律,黑体的辐射力按波长的分布规律,维恩（Wien）位移定律:,太阳表面温度约为5800 K，由上式可求得max=0.5 m，位于可见光范围内，可见光占太阳辐射能的份额约为44.6% 。,对于2000 K温度下黑体, 可求得max=1.45 m，位于红外线范围内。,二、 斯忒藩-玻耳兹曼定律,1） 斯忒藩-玻耳兹曼定律表达式：, = 5.6710-8 W/(m2K4)斯忒藩-玻耳兹曼常数，又称为黑体辐射常数。,（四次方定律）,黑体的所有波长辐射力总和,2）波段辐射力与黑体辐射函数表,波段辐射力 占黑体辐射力Eb的百分数,波段辐射力,根据普朗克定律表达式，
6、,f(T)称为黑体辐射函数，表示温度为T 的黑体所发射的辐射能中在波段0内的辐射能所占的百分数。,利用黑体辐射函数数值表（表8-1）可以很容易地用下式计算黑体在某一温度下发射的任意波段的辐射能量：,三. 兰贝特定律（余弦定律）,黑体的定向辐射强度与方向无关，半球 空间各方向上的辐射强度都相等，即,常量,给出了黑体表面发出的辐射能在所面对的半球空间不同方向上的分布规律,表明：服从兰贝特定律的辐射从单位辐射面积发出的辐射 能，落到空间不同方向单位立体角内的辐射能量的数值并不 相等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦，故 兰贝特定律又称余弦定律。 余弦定律说明，黑体表面发出的辐射能在空间不同
7、方向的 分布是不均匀的，法线方向最大，切线方向为零。,大多数工程材料表面辐射近似服从兰贝特定律，服从兰贝特 定律的表面称为漫射表面,漫射表面的辐射力是定向辐射强度的倍,归纳,黑体的辐射力由斯成藩-玻耳兹曼 定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方； 黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律，按空间方向的分布服从兰贝特定律； 黑体光谱辐射力有峰值，与此峰值相对应的波长m由维恩位移定律确定，随着温度的升高m向波长短的方向移动。,例8-1,例8-1 太阳是一个直径大约1.39109 m，表面温度达5 762 K 的炽热火球，它的总辐射功率达到3.81026 W，达到地球范围的辐射能量仅占其中的22亿分
8、之一。试计算5 762 K温度下黑体辐射中可见光（0.38 0.76 m）和一定范围内红外辐射（0.76 40 m）能量的比例。,解：计算从零至给定波长各段辐射能量的比例,查黑体辐射函数表(表8-1)得,可见光波段的辐射能量比例为,0.545 80.099 32 = 0.446 5,0.76 m 40 m红外波段的辐射能量比例,1.00.545 8 = 0.454 2,计算表明： (1) 大气层外太阳辐射中可见光的能量比例接近45，而 40 m以内的红外辐射也占大约45。 (2) 太阳辐射温度下，40m以上的红外辐射能量几乎为零。,8-3 灰体和基尔霍夫定律,一、实际物体的辐射特性和发射率,实
9、际物体 辐射特性：,光谱辐射力随波长呈现不规则的变化；,辐射力并不严格地同热力学温度四次方成正比；,定向辐射强度在不同方向上有变化。,发射率 修正黑体的辐射力Eb 光谱发射率( ) 修正光谱辐射力Eb 定向发射率( ) 修正定向辐射强度I,发射率（黑度） 实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力的比值。,实际物体的光谱辐射力与同温度下黑体光谱辐射力的比值。 实际物体的光谱发射率是波长的函数。,实际物体的光谱发射率（单色黑度）,光谱发射率描述实际物体的辐射力随波长不规则变化的特性； 发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。,实际物体的辐射力并不严格遵循四次方定律，偏差包含在由实验确定的发射率数值中
10、。,实际物体定向发射率,几种非金属材料的定向发射率,几种金属材料的定向发射率,实际物体的辐射力,表8-2 一些材料的法向发射率,实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比,工程材料绝大多数可以忽略发射率随方向角的变化。,实际物体定向发射率是方向角 的函数,1、将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难理论确定； 2、实际物体的定向发射率并不完全符合兰贝特定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从兰贝特定律； 3、发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。,讨论,（1）投入辐射 ： 单位时间内从外界辐射到物体单位表面积 上的能量。 （2）选择性吸收： 投入辐射本身具有光谱
11、特性，因此，实际物体对投入辐 射的吸收能力也根据其波 长不同而变化选择性吸收。,二、灰体,1光谱吸收比,（3）光谱吸收比： 物体对某一特定波长的辐射能 所吸收的百分数(单色吸收比)。,几种金属材料光谱吸收比,几种非金属材料的光谱吸收比,实际物体的光谱吸收比随投入辐射的波长而异，因而物体 的吸收比比发射率更为复杂。给辐射换热计算带来很大困难。 如果物体光谱吸收比与波长无关，则不管投入辐射分布如何， 吸收比只决定于物体自身状况，是同一常数。,热辐射分析中，把光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。,2灰体,= 常数,灰体的光谱辐射特性不随波长而变化。,1859年，Kirchhoff 提出了Kirchh
12、off 定律。,Kirchhoff 定律揭示了实际物体辐射力E 与吸收比关系： 在热力学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。,三、 基尔霍夫 定律,考虑处于平衡状态下的两物体：T1（黑体） 和T2，对物体2立能量方程,或在热平衡状态下任何物体的辐射力与它对黑体辐射的 吸收率之比恒等于同温度黑体的辐射力。 显然，这个比值与物性无关，仅与温度有关。,讨论,（2）基尔霍夫定律的不同表达式,整个系统处于热平衡状态； 投射辐射源必须是同温度下的黑体。,（1）基尔霍夫定律使用条件：,（光谱吸收比与波长无关的物体）,（3）对于灰体,对漫反射物体，辐射特性与方向无关，基氏定律表达为,对漫反射灰体，辐射特性
13、与方向、波长均无关，基氏定律表达为,一般物体辐射特性与方向、波长、温度有关，基氏定律表达为,工程材料在2000K时，一般均能按漫灰体处理。研究太阳 辐射时一般物体不能简化为灰体。,（5）颜色对可见光的吸收比有较大影响，对红外辐射的吸 收比影响不大。,（4）由于在大多数情况下物体可作为灰体，则由基尔霍夫 定律，善于辐射的物体必善于吸收，反之亦然。同温度下黑 体的辐射力最大。,白漆对太阳辐射的吸收比为0.12、黑漆0.96； 两者对红外线的吸收比均为0.9左右.,例8-2,因光谱吸收比与投射辐射波长无关，即只取决于本身情况 而与外界条件无关，所以不论投射辐射源是否为黑体，也不论 辐射源是否与灰体本
14、身处于平衡状态，灰体的吸收率恒等于同 温度下本身的发射率。,灰体定义 ，吸收率等于同温度下发射率，故,例8-2 温度等于800 K的一个漫射表面的光谱发射率随波长 的变化如图所示。求该表面的发射率和总辐射力。,解：由于光谱发射率呈阶梯状分布， 故表面的半球总发射率必须分作两段 计算然后叠加。,利用黑体辐射函数表求出两个波段份额,F02 m = 1.972 %， F08 m = 76.92 %,所以,F2 m8 m = 74.95%,幻灯片 66,该表面的发射率,= 0.80.019 72 + 0.30.749 5 = 0.240 6,表面总辐射力,E= Eb=0.240 65.67108 W/
15、(m2K4)( 800 K)4 5 588 W/m2,讨论： (1) 该表面的半球向总发射率约为0.24，比两个波段的发射 率都小。所以不能简单认为表面的半球总发射率必定介于1和2 之间。如果表面温度升至2 000 K，情况将完全不同。表明实际 表面半球总发射率不仅与光谱发射率有关，也与表面温度相关。 (2)该表面显然不是灰体。就全波长而言， 它有约75能量 位于2 8 m之间，约2%在02m，在该波长范围内发射率分 别为常数，但在8 m外仍有大约23的辐射能量，发射率为零。 (3) 用阶梯线逼近曲线是计算此类问题的常用方法。,热辐射,辐射：,物体对外发射电磁波的过程,电磁波的数学描述：,波长
16、, m,频率, s1,电磁波的传播速率，m/s，真空中,电磁波的波谱：,热辐射:,物体内部微观粒子热运动而使物体向外发射辐射能的现象。,约0.380.76m,理论上热辐射的波长范围从零到无穷大，但在日常生活和工业上常见的温度范围内，热辐射的波长主要在0.1m至100m之间,包括部分紫外线、可见光和部分红外线三个波段 。,热辐射的主要特点：,（1）所有温度大于0 K的物体都具有发射热辐射的能力， 温度愈高，发射热辐射的能力愈强。,发射热辐射时：内热能 辐射能 ；,（2）所有实际物体都具有吸收热辐射的能力，,物体吸收热辐射时：辐射能 内热能 ；,（3）热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播；,当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即反射、吸收和穿透，如图7-2所示。,3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透,图8.2 物体对热辐射的吸收、反射和穿透,对于大多数的固体和液体： 对于不含颗粒的气体
