第八章热辐射基本定律和辐射特性

《第八章热辐射基本定律和辐射特性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章热辐射基本定律和辐射特性（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第八章 热辐射基本定和辐射特性,Radiation Heat Transfer,辐射换热应用背景介绍 物体通过电磁波的来传递能量的方式叫辐射。自然界中各个物体不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其他物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递辐射传热。,航空航天中大量运用 到辐射换热,人体与墙壁间的 传热方式主要是辐射,人体辐射散热,保温瓶夹层中主 要依靠辐射传热,传统工业中的辐射换热问题,太阳能热水器是典型 的利用辐射换热原理,-1 热辐射的基本概念,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

2、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无须任何介质，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，在高温时更加重要，发射辐射取决于温度的4次方； F 和波长均有关； g存在近程及远程效应(近在咫尺，远至天体),2. 电磁波谱,电磁辐射包含了多种形式，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1100m。 电磁波的传播速度： C = f 式中：f 频率，s-1; 波长，m,电磁辐射波谱,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7-2所示。,3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透,物体对热

3、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： 对于黑体： 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,固体表面的两种辐射,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。,黑体模型及其重要性,黑体模型,在研究黑体辐射基础上，把其它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。,一、斯特藩玻耳兹曼定律（Stefan-Boltzman Law）,-2 黑体辐射的基本定律,1.辐射力 (EmissivePower)： 单位时间内物体的单位表

4、面积向半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能量 (W/m2) 。,半球空间：dA辐射是向着它的上方各个方向的。如在上方做个半球，则dA发出的辐射能全部要通过这个半球空间，所以我们称dA以上的空间为半球空间。,2.斯特藩玻耳兹曼定律（Stefan-Boltzman Law）,式中： 为黑体辐射常数，其值为5.6710-8W/( m2K4)。 为计算高温辐射的方便，可改写为：,式中，C0为黑体辐射系数，5.67W/(m2K4)。,黑体辐射力与热力学温度的关系由斯特藩玻耳兹曼定律规定。又称为辐射四次方定律。,单位时间内单位表面积向其上的半球空间所有方向辐射出去的包含波长在内的单位波长内的能量称为

5、光谱辐射力,记为Eb ，单位是W/m2.m或W/m2.m。,1. 光谱辐射力 Eb,二、普朗克定律（Planck定律),黑体辐射能按波长分布的规律。,式中，Eb黑体光谱辐射力，W/m3 波长，m ； T 黑体温度，K ； c1 第一辐射常数，3.741910-16 Wm2； c2 第二辐射常数，1.438810-2 WK；,2.普朗克定律（Planck）：,黑体的光谱辐射力随着波长的增加，先是增大，然后又减小/光谱辐射力最大处的波长m随着温度的不同而变化。随着温度的增高，曲线的峰值向左移动，即移向较短的波长。,由普朗克定律知 E=f(,T ) 如图， E有最大值； 随着T 增大 max向左移动

6、,3. 维恩位移定律（Wiens displacement Law),由Planks Law对 求导，并令,4.普朗克定律与斯特藩玻耳兹曼定律的关系,光谱辐射力曲线下的面积就是该温度下黑体的辐射力。,5黑体辐射能按波段的分布,黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力,特定波长区段内的黑体辐射力,黑体辐射函数:黑体在波长1和2区段内所发射的能量在黑体辐射中所占的分数。,三、兰贝特定律（ Lamberts Law）,平面角如左图，s为弧长，r为半径。=s/r （rad） 立体角如右图，一个半球，在球面上取一个小面积，在这个面积周边向球心做射线，则这些射线所包围的空间即为立体角。立体角的单位称为空间角。

7、用立体角表示某一方向的空间所占的大小。,1. 立体角(Solid angle),黑体辐射按空间分布的规律,为清楚起见，将这个立体角放大，,立体角定义式：,半圆：,半球：,在半球上割下一块微元面积dAc，则dAc对应的立体角为微元立体角,空间度,2定向辐射强度 目的：辐射能按方向分布 比较基础：相同的立体角, 相同的可见表面积,定向辐射强度： 单位时间、单位可见辐射表面、单位立体角内的辐射能。,为可见辐射面积。I是常数，与方向无关。,其中：,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能量，称为定向辐射强度。,黑体的定向辐射强度与方向无关。 即,3. 兰贝特定律（Lamberts

8、Law）,问题：暖器取暖时与方向有关，太阳辐射与方向有关，是否与Lamberts Law相矛盾？,将定向辐射强度定义变形，得辐射能,人与暖器得距离不变时，dconst. dA=const. ()=const. 角度不同，cos不同。当=0时，辐射面获得的能量最多。,故Lamberts Law又称余弦定律Cosine Law。,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T500C时，没有可见光，颜色不变；T 增大，其颜色分别为暗红、鲜红、桔黄和白色。,例题 试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大单色辐射力所对应的波长。 解： 应用Wien位移定律

9、T=2000K 时 max=2.910-3/2000=1.45 m T=5800K 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,在半球空间上即单位时间、单位表面积在半球空间发射的全部波长的辐射能，即辐射力：,4. 兰贝特定律与斯特藩玻耳兹曼定律间的关系 d() /dA 为 方向d内单位面积辐射能。,-3实际固体和液体的辐射特性,一、 实际物体的辐射力（发射率） 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； 发射率 (也称为黑度) 定

10、义：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:,上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随光谱变化的。,二、实际物体的光谱辐射力,实际物体的光谱辐射力示意图,实际物体的光谱辐射力小于同温度下的黑体同一波长下的光谱辐射力，两者之比称为实际物体的光谱发射率。,显然，光谱发射率与实际物体的发射率之间有如下关系：,实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：,三、实际物体的定向辐射强度,定向发射率: 实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：,对于定向辐射强度随角度的分布满足兰贝特定律得物体称为漫射体，漫射体的定向发射率在极坐标中是半径小于1的半圆。

11、漫发射的概念：表面的方向发射率 ()与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上述规律的表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。,1.定向发射率随角度的变化规律,黑体与漫射体的定向发射率,几种金属导体在不同方向上的定向发射率( )(t=150),对于金属材料，从=0。开始，在一定角度范围内，()可以认为是个常数，然后随角度急剧增大，在接近=90。的极小范围内， ()的值又减小至为零。,非金属的定向发射率举例,对于非导电体，从辐射面法向=0。到= 60 。 的范围内，定向发射率基本不变，当超过60 。以后，明显减小，直至90 。降为零。,2.定向发射率()与半球平均发射率之间的关

12、系,是物体在整个半球范围内的辐射能与黑体的辐射能量之比。,3影响物体发射率的因素,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。不同种类物质的发射率显然是各不相同的。,常用材料表面法向发射率,对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度L，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( )，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定律的表面称为漫射表面。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

13、服从Lambert定律； 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。,几点说明:,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,一、实际物体的吸收比,8-4实际固体的吸收和辐射的关系,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选择性吸收的特性。,室温下几种材料的光谱吸收比

14、同波长的关系,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的吸收比为,如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为,物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系,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。,二、灰体的概念及其工

15、程应用,发射辐射与吸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。板1是黑体，板2是任意物体，参数分别为Eb, T1 以及E, , T2，则当系统处于热平衡时，有,三、收比与发射率的关系基尔霍夫（Kirchhoff）定律,此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下限制： 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。,为了将Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不

16、同层次上的表达式，见表7-2。,表7-2 Kirchhoff 定律的不同表达式,四、温室效应,物体对热辐射的选择性吸收 玻璃对于3的热辐射有很高的穿透比，而对 3热辐射的穿透比甚小。于是大部分太阳辐射能穿过玻璃进入有吸热面的腔内，而吸热面发出的常温下的长波辐射却被玻璃阻隔在腔内，从而产生了所谓温室效应。,大气温室效应,在过去一个世纪中由于世界范围内工业发展所排放的大量对红外波段的辐射具有一定吸收率的气体，如二氧化碳、多种制冷剂，聚集在地球的外围，一方面好像给地球罩了一层玻璃窃，以可见光为主的太阳能可以达到地球表面，而地球，一般温度下的物体所辐射的红外范围内的热辐射则大量被这些气体吸收，无法散发到宁宙空间中，使得地球表面的温度逐渐升高。另