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1、1第八章 辐射传热以电磁波传递和交换热量8.1 辐射传热的基本概念0.101000 m:a.辐射 是物体通过电磁波辐射 是物体通过电磁波传递能量的现象。传递能量的现象。c.辐射能 辐射过程中传递的能量称为辐射能。辐射能 辐射过程中传递的能量称为辐射能。b.热辐射 由于物体内部微观粒子的热运动状态改变，而将热辐射 由于物体内部微观粒子的热运动状态改变，而将部分内能转换成电磁波的能量发射出去的过程。部分内能转换成电磁波的能量发射出去的过程。d.热射线 热辐射产生的电磁波叫热射线，波长主要位于热射线 热辐射产生的电磁波叫热射线，波长主要位于的范围内。的范围内。e.热辐射的特点不依赖于物体接触就能进行
2、热量传递；热辐射的特点不依赖于物体接触就能进行热量传递；T0的物体都会不断地发射热射线。的物体都会不断地发射热射线。(1). 热辐射的波长范围热辐射的波长范围10- 7 10- 6 10- 5 10- 4 10- 3 10- 2 10- 1 1 10 102 103 104 105 106 107 /m 波长 可见光可见光: 波长在波长在 0.380.76m；紫外线： 波长小于紫外线： 波长小于 0.38m;红外线： 波长大于红外线： 波长大于 0.76m 。射线射线X射线射线热射线热射线红外线红外线紫外线紫外线可可 见见 光光无线电波无线电波电磁波波谱电磁波波谱热射线热射线()0.10100
3、0 m:(2). 吸收比、反射比和透射比吸收比、反射比和透射比GGGG=+GGGG由能量守由能量守恒原理恒原理可可知知1GGG GGG=+G G =G G =GG =1+=各各分量分量与总与总量的比量的比值值为为为吸收比；为吸收比；称：称：为反射比；为反射比；为透射比。为透射比。 有有热射线进热射线进入固入固体体或液或液体体后后，在，在一个极短一个极短的的距离距离内就内就被被完全完全吸收。吸收。所以所以，可，可以认以认为热射线不能为热射线不能穿穿透透固固体和体和液液0 =1+=体，体，即即。于是，。于是，对对于于固固体和体和液液体体有有(3). (3). 黑黑体、体、白白体和透体和透明明体体黑
4、黑体、体、白白体和透体和透明明体体黑黑体 能体 能全全部吸收外部吸收外来来射线的物体，射线的物体，即即的物体。的物体。白白体 能体 能全全部反射外部反射外来来射线的物体，射线的物体，即即1，称为，称为白白体。体。透透明明体 能体 能被被外外来来射线射线全全部透射的物体，部透射的物体，即即的物体。的物体。(4). 镜反射和漫反射热射线热射线投投射射到到物体物体表面后表面后的反射现象和可见光的反射现象和可见光一样一样，表面表面不不平整尺寸平整尺寸小于小于投投射辐射的波长射辐射的波长时时，形形成成镜面镜面反射，反射反射，反射角等角等于于入入射射角角。当表面当表面不不平整尺寸平整尺寸大于大于投投射辐射
5、波长射辐射波长时时，形形成成漫漫反射，反射，此时此时，反射能，反射能均匀均匀分分布布在在各个方向各个方向。1212=n漫漫反射反射镜镜反射反射2(5). 漫发射、漫反射和漫射表面漫漫发射发射表面表面能能向半球空间各方向向半球空间各方向发出发出均匀均匀辐射辐射强度强度的物体的物体表面表面。漫漫反射反射表面表面漫漫射射表面表面表面既表面既是是漫漫发射发射表面表面，又又是是漫漫反射反射表面表面，这样这样的的表面表面称为称为漫漫射射表面表面。漫漫发射发射表面表面漫漫反射反射表面表面能能向半球空间各方向均匀向半球空间各方向均匀地反射地反射来自各方向来自各方向的的投投射辐射。射辐射。(6). 光谱吸收比、
6、光谱反射比和光谱透射比光谱吸收比、光谱反射比和光谱透射比1+=如果投如果投射能量是射能量是某一某一波长波长下下的光谱辐射，的光谱辐射，上述关系也同样适用上述关系也同样适用，即即分分别别称为光谱吸收比、光谱反射比和称为光谱吸收比、光谱反射比和、式式中中光谱透射比。光谱透射比。GGGGGGGG=+11GGG GGG+=+=(7). 对物体吸收特性的基本认 识煤烟煤烟的的0.96，高度磨高度磨光的光的纯金纯金 0.98。雪对雪对可见光是可见光是良好良好的反射体，的反射体，对肉对肉眼眼来来说说是是白白色色的，的，但但对对红外线红外线却几乎却几乎能能全全部吸收。部吸收。白布白布和和黑布对黑布对可见光的吸
7、收可见光的吸收率率不不同同，但但对对红外线的吸红外线的吸收收率却基本相率却基本相同同。普普通通玻璃玻璃对对波长小于波长小于2m射线的吸收射线的吸收率很率很小，小，从从而可而可以以把照把照射射到到它它上面上面的大部分的大部分太阳太阳能透射过去。能透射过去。但玻璃但玻璃对对2m以上以上的红外线的红外线几乎几乎是不透是不透明明的。的。8.2 黑黑体辐射的体辐射的基本定律基本定律2）光谱辐射光谱辐射力力单单位位时间时间内，物体内，物体单单位位表面表面积积向半向半球空间球空间发射出的波长发射出的波长从从到到+d范围内的范围内的单单位波长的能量位波长的能量2W/m 。E。2W/(m . m)dEEd=1）
8、辐射辐射力（力（全全辐射辐射力）力）单单位位时间时间内物体内物体表面表面单单位辐射位辐射面面积积向半球空间所有方向向半球空间所有方向发发射出去的射出去的全全波长的辐射能的波长的辐射能的总总能量。称为能量。称为全全辐射辐射力（简力（简称称辐射辐射力）力），用用表表示示，单单位位黑黑体辐射体辐射力力用用 Eb表表示示。0EE d=EE dd 黑黑体光谱辐射体光谱辐射力力用用表表示示。bE(1). 普朗克定律普朗克第二常数普朗克第二常数，25 1 /1bCTCEe=bE2W/(mm)；m。T1C8423.743 10 W. m /m；2C41.439 10mK。普朗克定律普朗克定律黑黑体的光谱辐射体
9、的光谱辐射力力，式式中，中，波长，波长，黑黑体的热体的热力学温力学温度度，；普朗克第普朗克第一一常数常数，值值为为黑体光谱辐射力与波长及温度的关系3(2). 维恩位移定律max2898 m.KbT=maxb。maxbE0bdE d =由由上上图图可可知知，光谱辐射，光谱辐射力随着力随着波长的波长的增加增加，先增先增大，大，然然后后又又减减小。光谱辐射小。光谱辐射力最力最大大处处的波长的波长也也随温随温度度的不的不同同而变而变化化，且随着温且随着温度度的的升升高高峰峰值向值向左移左移动，动，移移向向较较短短的波长，的波长，利利用用最最大大值原理值原理时对时对应应的波长的波长,可可得得在在维恩得维
10、恩得到到T=2000Kmax2.8981.45 m2000b=T=5800Kmax2.8980.50 m5800b=时时时时0.1 0.2 0.4 0.6 1 2 4 6 10 20 40 60 1001 10- 1 10- 210- 3 10- 4 109 108 107 106 105 104 103 102 101 5010030080020005800K2W/m m bE/m黑黑 体体 最最 大大 光光 谱谱 辐辐 射射 力力 与与 波波 长长 和和 温温 度度 的的 关关 系系可可 见见 光光(3). 斯蒂芬玻尔茨曼定律黑黑体辐射体辐射常数常数，25 1 /001bbCTCEE dd
11、e=4 42W/m100bbbTETC=bC24=5.67 W/(mK )bC。依辐射依辐射力力和光谱辐射和光谱辐射力力的的关系有关系有积积分分后后得得式式中，中，黑黑体辐射体辐射常数常数，b- 824 b=5.67 10 W/(mK )。(4). 黑体辐射函数12 12()bE，2121()bbEE d=12()bF 。记作记作若若要要计算计算波长波长波波段段内的内的黑黑体辐射体辐射力力可可知知2100bbE dE d=211(0)(0)bbEE=于是于是有有 ()212100120()bbbb bbE dE dE d FEE d = 1221()(0)(0)bbbFFF=这一这一波波段段的
12、能量通的能量通常常用同用同温温度下黑度下黑体辐射体辐射力力的的百百分分数数间间接接表表示示,式式中，中，12(0)(0)bbFF、分分别别为波长为波长从从0到到的的黑黑体辐射体辐射占相占相同同温温度下黑度下黑体辐射体辐射力力的的百百分分数数。21和和从从到到即即黑体辐射函数的计算T能量的能量的份额份额可可以表以表示示成成单单一一的变量的变量称为称为黑黑体辐射体辐射函数函数。见。见P196页页表表8-20 500(0)()()Tbb b bE dEFdTfTEc T =()fT的的函数函数12()12()bbbEFE=的波长范围内的波长范围内黑黑体的波体的波段段辐射辐射函数函数为为2100 12
13、21()(0)(0)bbbbb bE dE d FFFE =:在在12例题已例题已知知太阳太阳能能集集热热器器的透光的透光玻璃玻璃在波长在波长从从0.352.7 范范围内的透射围内的透射率率为为85，在，在此此范围外是不透的。范围外是不透的。试计算太试计算太阳阳辐射辐射对对该玻璃该玻璃的透射的透射率率。把太阳把太阳辐射辐射作作为为黑黑体体,它它的的表面表面温温度度为为5762。m1m KT1(0)bF2mTK2(0)bF太阳太阳辐射透过辐射透过该玻璃该玻璃的的百百分分数数为：为：90.210.8576.68m因因此投此投射射到到玻璃玻璃上上的的太阳太阳能在波长能在波长 0.352.7范围内的范
14、围内的能量，能量，占占总总能量的能量的百百分分数数为为 : 97.176.9690.212017 6.96% 15557 97.17%项目项目结结果果利利用黑用黑体辐射体辐射函数函数表表计算结计算结果果120.35m5762K;2.7m 5762KTT=解解4讨论：由于集热器的表面温度较低，一般不超过讨论：由于集热器的表面温度较低，一般不超过373，它的长波辐射对玻璃是不透过的。因此，该透光它的长波辐射对玻璃是不透过的。因此，该透光玻璃的这种对短波透射和对长波阻挡的性质，减玻璃的这种对短波透射和对长波阻挡的性质，减少了集热表面透过玻璃向外的辐射热损失。少了集热表面透过玻璃向外的辐射热损失。m投射到玻璃上的太阳能在波长投射到玻璃上的太阳能在波长 0.352.7范围内的范围内的能量，占总能量的百分数为能量，占总能量的百分数为 : 97.176.9690.21太阳辐射透过该玻璃的百分数为：太阳辐射透过该玻璃的百分数为：90.210.8576.68m293K000K000K00
