传热学第八章ppt课件

《传热学第八章ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传热学第八章ppt课件（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,第八章 热辐射基本定律和辐射特性,能源工程系 黄 金,2,1. 热辐射的定义及区别于导热对流的特点,其中，与热传导和热对流的主要区别是b和c,3,2. 从电磁波谱的角度描述热辐射的特性,电磁辐射包含了多种形式，如图所示，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 。,2.1 传播速率与波长、频率间的关系,电磁波的传播速度： c = f= /T 式中：f 频率，s-1; 波长，m,2.2 电磁波的波谱,4,射线 10-4 m,红外线： 0.76 103 m,无线电波： 106

2、m,微波： 103 106 m,可见光： 0.38 0.76 m,紫外线： 10-2 0.38 m,X射线： 10-4 10-2 m,工业上有实际意义的热辐射区域,5,当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图所示。,2.3 物体表面对热辐射的作用,物体对热辐射的吸收反射和穿透,Q单位时间内投射到物体表面上的全波长范围内的辐射能。,吸收比,反射比,透射比,6,对于大多数的固体和液体： 对于不含颗粒的气体： 黑体： 镜体或白体：,透明体：,反射又分镜反射和漫反射两种,镜反射,漫反射,7,3. 黑体模型及其重要性,黑体：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有

3、方向和所有波长。即吸收比等于1的物体（绝对黑体，简称黑体，black body） 重要性：研究黑体的意义在于，在黑体辐射的基础上，把实际物体的辐射和黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的修正系数,黑体是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。,黑体模型（动画）,8,8-2 黑体热辐射的基本定律,基本定律,Stefan-Boltzmann定律（辐射能与温度的关系）,Planck定律（辐射能波长分布的规律）,Lambert 定律（辐射能按空间方向的分布规律）,1 斯忒藩玻耳兹曼定律（四次方定律）,式中 = 5.6710-8 W/(m2K4)，

4、称为斯忒藩玻耳兹曼常数，又称为黑体辐射常数。 C0= 5.67 W/(m2K4)，称为黑体辐射系数。,9,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)； 黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb,10,2 普朗克定律,式中， 波长，m ； T 黑体温度，K ； c1 第一辐射常数，3.74210-16 Wm2； c2 第二辐射常数，1.438810-2 WK；,描述辐射能按波长分布的规律,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 W/m2m)；,黑体的光谱辐射力为Eb,1

5、1,黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系,（1）黑体的光谱辐射力随着波长的增加，先是增大，然后又减小。温度愈高，同一波长下的光谱辐射力愈大. （2）随着温度的增高，曲线的峰值（最大光谱辐射力）向左移动，即移向较短波长,12,维恩（Wien）位移定律,太阳表面温度约为5800K，由上式可求得max0.5 m，位于可见光范围内。,对于2000K温度下黑体, 可求得max1.45 m，位于红外线范围内。,峰值波长与温度T成反比的规律称为维恩（Wien）位移定律,E和E关系（普朗克定律与斯忒藩玻耳兹曼定律的关系）,斯忒藩玻耳兹曼定律表达式可直接由普朗克定律导出,13,黑体辐射函数（黑体辐射能按波段的分

6、布）,从0到某个波长的波段的黑体辐射能,这份能量在黑体辐射力中所占的百分数为：,可查表,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。,14,这特定波段范围内黑体的辐射能在黑体辐射力中所占的百分数为：,黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力,15,16,太阳表面温度约5800K，可见光占太阳辐射能的份额约为44.6%,例题 试求温度为3000K和5000K时的黑体辐射中可见光所占的份额。,解：可见光的波长范围是从0.38m到0.76m，对于3000K的黑体其T值分别为1140和2280可从表中查得Fb(0-1)和Fb(0-2)分别为0.14%和

7、11.5%。于是可见光所占份额为 ：,Fb(1-2)=Fb(0-2)-Fb(0-1)=11.5%-0.14%=11.36%。,同样的做法可以得出5000K的黑体在可见光范围所占的份额为,Fb(1-2)=Fb(0-2)-Fb(0-1)=57.0%-11.5%=45.5%。,17,3 兰贝特定律（描述辐射能按空间方向的分布规律）,3.1立体角,定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)，如图所示：,计算微元立体角的几何关系,类似于弧度（rad）,18,19,3.2 定向辐射强度I：,dAc,称为经度角 称为纬度角,（1）纬度角相同，微元黑体面积dA向空间不同经度角方向单位立体角

8、中辐射出去的能量是相等的。（对称性） （2）研究黑体在空间不同方向的分布只要查明辐射能按不同纬度角分布的规律。,通过实验测定发现，面积dA的黑体微元面积向围绕空间纬度角方向的微元立体角d内辐射出去的能量d()有,20,把dAcos可以视为从方向看过去的面积，称为可见面积。,定向辐射强度I：从黑体单位可见面积发射出去的落到空间任意方向的单位立体角中的辐射能量称为定向辐射强度。 单位 W/m2sr,可见面积示意图,21,3.3 兰贝特定律（余弦定律）,第一种表达：黑体的定向辐射强度是个常量，与空间方向无关。即从黑体单位可见面积发射出去的落到空间任意方向的单位立体角中的辐射能量是个常量。,兰贝特定律

9、说明黑体辐射在半球空间各方向上的分布规律,第二种表达：黑体单位面积发射出去的能量在空间的不同方向分布是不均匀的，按空间纬度角的余弦规律变化，在垂直于该表面的方向最大，而与该表面平行的方向为零。,22,沿半球方向积分上式，可获得从单位黑体表面发射出去的落到整个半球空间的能量，即黑体的辐射力,3.4 兰贝特定律与斯忒藩玻耳兹曼定律的关系,黑体辐射力等于定向辐射强度的倍,23,总结：黑体的辐射力由斯忒藩玻耳兹曼定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方；黑体的辐射能按波长分布的规律服从普朗克定律，而按空间方向的分布规律服从兰贝特定律；黑体的光谱辐射力有一峰值，与此峰值相对应的波长m由维恩位移定律确定，

10、随着黑体温度的升高， m向短波方向移动。,23,24,8-3 实际固体和液体的辐射特性,1. 实际物体的辐射力,前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长，真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体。因此，定义了发射率 (也称为黑度) ：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比,实际物体的辐射力可以表示为：,25,2. 实际物体的光谱辐射力,实际物体的光谱辐射力往往随波长作不规则的变化。 实际物体的光谱辐射力小于同温度下的黑体同一波长的光谱辐射力。,把实际物体的光谱辐射力与同温度下黑体的光谱辐射力之比称为光谱发射率（单色黑度）,光谱发射率

11、与实际物体的发射率之间有如下关系：,26,3. 实际物体的定向辐射强度,实际物体的定向辐射强度并不是个常数，在不同方向上有所变化，不尽符合兰贝特定律。,3.1 定向发射率及其随角的变化规律,实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比为定向发射率（定向黑度）：,对于黑体，其定向发射率为1,27,显然，对于黑体的定向发射率在极坐标中是一个半径为1的半圆,漫射体：表面的定向发射率 () 与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足兰贝特定律，其定向发射率在极坐标中是半径小于1的半圆。 漫射体：定向发射率是一个小于1的常数的物体。 漫射体：满足定向辐射强度与方向无关的实际物体。 漫射体：满足兰贝特定

12、律的实际物体。,这是对大多数实际表面的一种很好的近似。,28,金属材料，从 =0开始，在一定角度范围内，()可以认为是一个常数，然后随角度的增加急剧增加，在接近90度的极小角度又减小直至0。,29,非导电体，从辐射面法向到60度的范围内，基本不变，之后减小明显。,30,31,3.2 定向发射率与半球平均发射率之间的关系,对于工程材料，无论是金属还是非金属，在半球空间大部分范围内，定向发射率基本是个常数，可以用其法向发射率n来近似代替。 法向发射率：法向方向的定向发射率。,工程材料看作漫射体。,但对高度磨光的表面（很低）要区别对待。,( ),n,32,33,3.3 影响物体发射率的因素,影响物体

13、发射率的因素主要包括：物质的种类、表面温度、表面状况。,物质的种类：非金属大于金属 表面温度：温度越高，发射率越高 表面状况：高度磨光表面小于粗糙表面,34,总结：对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度I，分别引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率( )和定向发射率( )，其表达式和物理意义如下,实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:,实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：,实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：,35,本节中，还有几点需要注意和强调 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，实际上是一种权宜之计； 服从Lambert定律的表

14、面成为漫射体。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律，看作漫射体； 物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。,36,8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？本节将对其作出解答。,Semi-transparent medium,Absorptivity deals with what happens to _, while emissivity

15、deals with _,37,1）投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2）吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表 示，即,1 实际物体的吸收比,对黑体发射率=1，吸收比=1。而实际物体发射率1，吸收比1。 实际物体吸收比取决于两个方面： （1）吸收物体本身的情况（物质种类、表面温度、表面状况。 （2）投入辐射的特性（投入辐射表面）。,38,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，也叫单色吸收比。光谱吸收比与波长有关，不同波长有不同吸收比。,1.1 光谱吸收比,图8-17和8-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。,39,铜与铝的光谱吸收比同

16、波长的关系,非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系,40,一些材料的法向光谱反射比和法向光谱吸收比随波长的变化情况。,41,选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，我们把物体的光谱吸收比随波长变化而变化的这种特性称为物体的吸收具有选择性（选择性吸收）,光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性,举例： （1）太阳集热器（选择性吸收涂层） （2）大千世界的五颜六色（美的享受） 世上万物呈现不同颜色的主要原因在于选择性的吸收与辐射。当阳光照射到一个物体表面时，如果.,1.2 选择性吸收,太阳能热水器,42,1.3 选择性吸收对辐射传热计算所造成的困难,根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比