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1、第四节 热辐射 及辐射换热,第 三 章 传 热 学 Heat Transfer,定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量。,4.1 基本概念,a 任何物体只要温度高于0 K，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。, 特点,最著名的热辐射现象：温室效应,3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透,absorptivity,transmissivity,reflectivity,对于大多数的固体和液体： 对于不含颗粒的气体： 对于黑体： 镜体或白体： 透明体：,反射又
2、分镜反射和漫反射两种,镜反射,镜面反射：入射角=反射角，表面粗糙度波长,1.黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，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。,4.2 黑体辐射的基本定律,黑体模型,（）辐射力E (W/m2) ：单位时间内，物体单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。,2.热辐射能量的表示方法,（）单色辐射力E (W/m3) ：,单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体单位表面积向半球空间发射的能量。,E、E关系:,黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的单色辐射力为Eb,微元立体角,（）方向辐
3、射力E(W/m2Sr) ：,方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在半球空间中的分布特征，其定义为单位时间单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。,球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)。,立体角定义：,（）定向辐射强度 ：,定义：单位可见面积发射出去的落在空间任意方向的单位立体角中的能量。,可见面积：在不同方向上所能看到的辐射面积是不一样的。微元辐射面 dA 位于球心地面上，在任意方向p看到的辐射面积不是dA，而是dAcos。,黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。,式中， 波长，m ； T 黑体温度，K ；c1 第一辐射常数，3.74210-
4、16 Wm2；c2 第二辐射常数，1.438810-2 K；,(1)Planck定律(1900年)：黑体单色辐射力,3.黑体辐射的基本定律及相关性质,描述了黑体光谱辐射力随波长及温度的变化规律。,Planck 定律的图示,黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系,（） Wien位移定律(1893年),反映出黑体温度越高其单色辐射力最大值所对应的波长越短的黑体辐射特征，也就是黑体温度越高能量分布就越向波长短方向集中的特征。,维恩位移定律的发现在普朗克定律之前，但可以通过对普朗克定律对求极值得到。,【解】应用Wien位移定律 T=2000K时 max=2.910-3/2000=1.45 m T=580
5、0K时 max=2.910-3/5800=0.50 m 常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区 太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区,【例】试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长。,如不是黑体，则不完全遵守这个定律，但其变化方向是相同的，例如金属（钢锭）： 当T60 ，( )明显减少； 90 ，( )降为0,定向发射率与半球平均发射率间的关系,无论金属还是非金属，在半球空间的大部分范围内，定向发射率是个常数。可用法向的发射率来近似代替。,对于高度磨光的金属表面：M=1.01.3 非导体： M=0.951.0,认为大多数工程材料 M=1。一般工程手册种给出的物
6、体发射率常常是法向发射率的数值。,实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱,实际物体辐射的近似：灰体,Semi-transparent medium,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？,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. 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，这叫选择性吸收,. 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,3. 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表示，即,4 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。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的
7、选择性吸收的特性。,实际物体吸收率不仅与物体本身的情况(物质种类、物体温度和表面状况)有关，还取决于投射辐射的特性。,金属导电体的光谱吸收比同波长的关系,非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系,物体的吸收比除与自身表面性质和温度有关外，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的吸收比为,实际物体吸收的选择性对辐射传热计算造成的困难,物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系,实际物体吸收的近似：灰体,光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比都是同一个常数。,引入的意义：不管投入辐射的分布如何，均为常数，即物体的吸
8、收比只取决于本身的情况而与外界情况无关。,像黑体一样，灰体也是一种理想物体。,工业上通常遇到的热辐射，其主要波长区段位于红外线范围内（绝大部分0.76-10微米之间），在此范围内，大多数工程材料当作灰体处理引起的误差是可以容许的，这种简化处理给辐射换热分析带来了很大的方便。,灰体法，即将光谱吸收比 () 等效为常数，即 = () = const。并将()与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的； 谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。,发射辐射与吸
9、收辐射二者之间的联系：最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图所示，板1时黑体，板2是任意物体，参数分别为Eb, T1 以及E, , T2，对板2有,5 吸收比与发射率的关系基尔霍夫定律,在热平衡条件下，任何物体的辐射和它对来自黑体辐射的吸收比的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。,当系统处于热平衡，且T1=T2，q=0，则,把这种关系推广到任意物体时，可写出如下的关系式：,热平衡时，任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于该物体的发射率。,基尔霍夫定律的数学表达式之一,基尔霍夫定律的数学表达式之一,Kirchhoff 定律的限制： 整个系统处于热平衡状态； 如物体的吸收率和发射率与温度
10、有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等； 投射辐射源必须是同温度下的黑体。,Kirchhoff 定律在实际工程应用中采用不同层次上的表达式。,Kirchhoff 定律的不同表达式,漫射灰体,灰体的吸收比与波长无关，在一定温度下是一个常数； 物体的发射率是物性参数，与环境条件无关。,假设在某一温度下，一灰体与黑体处于热平衡，按基尔霍夫定律(T)(T)； 改变该灰体的环境，使其所受到的辐射不是来自同温下的黑体辐射，但保持其自身温度不变；仍应有(T)(T) 。 所以对于漫灰表面一定有。,对于灰体，不论投入辐射是否来自黑体，也不论是否处于热平衡条件，其吸收比恒等于同温度下的发射率。,今后讨论过程中，如无特殊说明，均假设辐射表面具有漫射特性的漫灰表面。,4.5 角系数的定义、性质及计算,两个表面之间的辐射换热量与 两个表面之间的相对位置有很大关系,a图中两表面无限接近，相互间的换热量最大； b图中两表面位于同一平面上，相互间的辐射换热量为零。由图可以看出，两个表面间的相对位置不同时，一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之而异，从而影响到换热量。,
