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1、传热学,第8、9 章 辐射传热,2020/11/27,2,第8章 热辐射的基本定律,8.1 基本概念 8.1.1 热辐射的本质和特点： 1 本质: 电磁波辐射(红外辐射) 是众多的辐射现象的一种，由于温度（热）的原因而产生的辐射叫热辐射。 热射线：波长在0.1100m之间，理论上 为0范围。 分类：0.1- 0.38 紫外线 0.38-0.76 可见光 0.76-100 红外线,第8章 热辐射的基本定律,发射辐射能是各类物质的固有特性 热辐射是电磁辐射（电磁波）的一种，电磁波波长从几万分之一微米到数千米 太阳辐射主要能量集中在0.22 微米波长范围 热辐射具有一般辐射现象的共性。以光速传播：
2、c c 电磁波的传播速率，3108 m/s ;频率 1/s ;波长m 辐射的本质及其传播过程除用电磁波理论说明外，对有些现象还需进一步用量子理论来解释,第8章 热辐射的基本定律,即：辐射的本质既具有波动性，又具有粒子性 辐射的粒子性表明： 辐射是离散的量子化能量束，是光子传播能量的过程 光子的能量e 与频率 的关系可用普朗克公式表示 e= h h =6.6310 34 J s 普朗克常数,2020/11/27,6,第8章 热辐射的基本定律,2 特点 : （1）无须物体间的接触,即不需要介质存在，且在真空中大最大值。 （2）绝对温度在0(K)以上的物体均在不断的向外辐射能量，即使两物体的温度相同
3、，亦是动态平衡。 (3) 辐射换热伴随有能量的二次转化。 3 辐射换热与导热，对流换热的区别 1）与导热和对流换热不同，辐射换热无需任何介质，所以不仅要研究相距很近的物体之间的辐射换热，有时还需要研究相距很远的,第8章 热辐射的基本定律,物体(如太阳和地球)之间的辐射换热。 2）在辐射换热过程中，不仅存在着能量的转移还存在能量形式的转换，即发射时由热能先转化为辐射能，而被吸收时再由辐射能转化为热能 3）黑体的辐射能力与其热力学温度的四次方(即T4)成正比，因此，辐射换热在高温时显得更重要。 4) 物体的发射和吸收持性不仅与自身温度及表面状况有关，而且还随发射的波长和方向而异因此，辐射换热远比导
4、热和对流换热复杂。,2020/11/27,7,2020/11/27,8,第8章 热辐射的基本定律,8.1.2 物体对热射线的反应 同可见光一样，热射线投射到物体上后也是吸收一部分，反射一部分，透射一部分。 如图， G: 投射到物体表面上的总能量。 GA：被物体吸收的能量 GR：被物体反射的能量 GD：被物体透射的能量,2020/11/27,9,据能量守恒定律，有： G = GA + GR + GD 即： GA /G + GR /G + GD /G =1 式中： GA /G =A 叫物体的吸收率 GR /G = R 叫物体的反射率 GD /G = D 叫物体的透射率,第8章 热辐射的基本定律,第
5、8章 热辐射的基本定律,同可见光一样，辐射能的反射有镜反射和漫反射两种，当物体表面十分光滑时，就形成了镜反射，即入射角等于反射角，高度抛光的金属等。 如果表面粗糙，即当粗糙度大于波长时，反射即为漫反射。可理解为辐射能被物体吸收后又辐射出来。如图所示。,1,2,2020/11/27,11,第8章 热辐射的基本定律,8.1.3 黑体、白体、透热体 当物体将投射到其表面上的能量全部吸收时，有： R=D=0 ；A = 1 ，叫理想黑体，简称 黑体 当物体将投射到其表面上的能量全部反射时，有： A= D = 0；R= 1 ，叫理想白体，简称白体 当物体将投射到其表面上的能量全部透射时，有： A = R
6、= 0 , D = 1 ，叫透热体。,2020/11/27,12,第8章 热辐射的基本定律,几点说明 1. A、R、D都是无因次量，其数据在0 1之间。各自的大小与物体的特性、温度及表面状况有关。 2. 黑体、白体、透热体都是理想化的物体，都是对全波长而言的，可见光只占全波长中的一小部分物体对外来全波长射线的吸收能力的高低，不能凭物体的颜色来判断，白颜色物体（反射的射线在可见光部分呈白色）不一定是白体；黑颜色物体不一定是黑体。,2020/11/27,13,第8章 热辐射的基本定律,工程材料中有些物体接近这些理想化的物体，如： 烟煤A=0.96 雪 A=0.985， 高度抛光的金属， R=0.9
7、8 ， 单原子和双原子气体：D=1 3. 对于固体和液体，当热射线到达表面后，在很薄（1m1mm）的范围内就完成了对投入辐射能量的吸收和转化，因此有：D=0 A+R = 1 4. 对于气体，几乎没有反射能力，R = 0 A+ D = 1,2020/11/27,14,8.1.4 辐射力 1. 辐射力E ： 单位时间，单位表面积向半球空间辐射出的全部波长（0-）范围的能量。w / 2. 单色（光谱）辐射力 E: 单位时间，单位面积向半球空间辐射出的某特定波长（+d ，波长为 ，波长间隔为d ）的能量。w/m 与E的关系：,第8章 热辐射的基本定律,2020/11/27,15,第8章 热辐射的基本定
8、律,3. 定向辐射 力 E 单位时间、单位表面积在某特定方向（ ）的单位立体角内辐射出的全部波长的能量。W/(Sr) 4.单色（光谱）定向辐射力：发射体的单位面积、在单位时间内、向半球空间的某给定方向单位立体角内，在波长 附近的单位波长间隔内发射的辐射能量。E , W/ (m2 sr m),第8章 热辐射的基本定律,平面角 ： = S/ r （弧度） 立体角： 以立体角的角端为中心，作一半径为r的半球，将半球上被立体角 切割的面积 f 除以半径的平方 r2 即得立体角的量度 = f / r2，Sr 球面度。,2020/11/27,17,第8章 热辐射的基本定律,立体角：用给定方向上半球面被立体
9、角所切割的面积df 除以半径的平方 若取微元面积df 为切割面积，则得微元立体角 d 。 参考图示的几何关系，df 可用球坐标中的纬度微元角d和经度微元角d表示出来。 df = r d r Sin d= r2 d Sin d d = df / r2 = d Sin d 整个半球的面积为2 r2 ，为2个球面度。,2020/11/27,18,立体角： 是一个空间角度，单位为Sr。如图：,d,2020/11/27,19,第8章 热辐射的基本定律,5. 辐射强度 I （或定向辐射强度 ） 物体表面朝着某给定方向，单位时间、单位可见面积(投影面积)、单位立体角内辐射出全部波长的能量。 w/(Sr),2
10、020/11/27,20,第8章 热辐射的基本定律,如图，对于微元面积dF1 在方向的辐射强度为： 6.单色辐射强度 针对某波长、波长间隔为d： 与定向辐射力比较得：E=I Cos 在法线上 =0 En = In,2020/11/27,21,第8章 热辐射的基本定律,8.2 黑体辐射的基本定律 8.2.1 人工黑体模型 人为构造的黑体模型如图所示： 大空腔上的小孔，具有黑体的性质,2020/11/27,22,第8章 热辐射的基本定律,8.2.2 普朗克定律 给出了黑体的单色辐射力E 与波长和绝对温度的关系。 表达式： 式中: ： 波长 m (m) ；T：绝对温度 K C1 ：普朗克第一常数，
11、C1=2hC2 C ：光速，C = 310 8 m/s h：普朗克常数，h = 6.62510 -34 J S (WS2),2020/11/27,23,第8章 热辐射的基本定律,C 1 = 3.74310 -16 w = 3.74310 8 w m 4/ C 2 ：普朗克第二常数， C 2 = hC / k , h同上，普朗克常数； k : 波尔兹曼常数， k = 1.3810 -23 J / (molK) C 2 = hC / k = 1.43910 -2 mK,2020/11/27,24,Eb ：黑体的单色辐射力 W/ (m) 或W/m 下标b表示黑体的参数。 下标表示单色。 据普朗克定律
12、绘成了Eb 曲线如图所示。,第8章 热辐射的基本定律,2020/11/27,25,Eb 曲线,2020/11/27,26,从上图可得出如下结论： 1 随着温度的升高，黑体的单色辐射力和辐射力迅速的增加。 2 每一条曲线都有一峰值。在=0和=时， Eb= 0 3 随着温度的增加，峰值（即黑体的最大单色辐射力Ebmax）左移，即向着波长较短的方向移动。,第8章 热辐射的基本定律,2020/11/27,27,第8章 热辐射的基本定律,维恩偏移定律 将普朗克定律对波长求导数，并令其为零 即： d Eb / d=0 得： maxT =2897.6 mK 2.9 10-3 mK 此即为维恩偏移定律。,m与
13、T的关系由Wien位移定律给出：,普朗克定律与Stefan-Boltzmann定律的关系,2020/11/27,28,例：试分别计算2000K和5800K时黑体的最大单色辐射力所对应的波长。 解：直接利用维恩偏移定律： T =2000K时 maxT =2.9 10-3 mK max=2.9 10-3 /2000=1.45 m T=5800时 max=2.9 10-3 /5800=0.5 m T=290K,第8章 热辐射的基本定律,2020/11/27,29,第8章 热辐射的基本定律,max=2.9 10-3 /290=10 m 结果表明，工业高温范围内黑体辐射的最大单色辐射力对应的波长位于红外
14、线区段，太阳表面温度时则位于可见光区段。 此外，还可利用该定律粗略估算物体的温度，如利用光学仪器测得太阳的max为0.5 m，可得太阳的表面温度为5800K。 现测得太阳的温度为5550 K,2020/11/27,30,物体颜色形成的两种原因： 物体温度高而发光造成 物体颜色低不发光,只反射可见光而造成 可据钢坯的颜色来判断其温度，钢坯在加热过程中当： 无变化：低于500、 暗红：600左右、 鲜红：800-850左右、 桔黄：1000左右 白炽：1300左右,第8章 热辐射的基本定律,2020/11/27,31,第8章 热辐射的基本定律,8.2.3 斯蒂芬波尔茨曼定律 dEb= Ebd 式中
15、：0：斯蒂芬波尔茨曼常数， 0 = 5.6710-8 w/(K4) 通常，将斯蒂芬波尔茨曼定律表示为： Eb = C0 (T/100)4,2020/11/27,32,第8章 热辐射的基本定律,式中： C0 =5.67 w/(K4) 叫黑体的辐射系数。 8.2.4 黑体辐射函数 黑体辐射能在某个特定波段（如0）为 该能量在黑体辐射力中所占的百分数为 且,第8章 热辐射的基本定律,教材表81给出的是Fb(0)随T变化的函数表。由该表可以得出在温度分别为240K，2000K，6000K下波长分别在01100m和03812 m波长范围内黑体辐射能量的分布。 由上表可以看出，当讨论温度为240K一6000K(包括太阳辐射在内)的范围时，有意义的波段范围是0.l一100 m ，而温度为240K2000 K(一般工业温度范围)时，有意义的波段范围为03812 m 。上述2个波段范围即通常所指的热射线范围。,2020/11/27,34,8.2.4 兰贝特定律 揭示了黑体的辐射能在空间的分布规律。 定律表达式： Eb= E bnCos 式中： Eb：黑体在方向的辐射力 E bn：黑体在法向的辐射力,第8章 热辐射的基本定律,2020/11/27,35,由 Eb=Ib Cos 和 Eb= E bnCos 得：
