《传热学1-辐射换热1-动力工程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传热学1-辐射换热1-动力工程（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章第六章 热辐射基本理论热辐射基本理论 Foundation of Thermal Radiation 6-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念一、热辐射的本质和特点一、热辐射的本质和特点1、热辐射、热辐射：由于热的原因而产生的电磁波辐射：由于热的原因而产生的电磁波辐射热热辐辐射射的的电电磁磁波波是是物物体体内内部部微微观观粒粒子子的的热热运运动动状状态态改改变时激发出来的，发射辐射能是各类物质的固有特性变时激发出来的，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电磁波波长从几万分之一微米到数千米2、电磁波
2、谱：、电磁波谱：电磁波谱：电磁波谱：的电磁波属可见光的电磁波属可见光：紫外线、：紫外线、x射线、射线等射线、射线等的电磁波称红外线的电磁波称红外线：无线电波：无线电波：热射线：热射线关于辐射本质认识的发展关于辐射本质认识的发展辐辐射射的的本本质质及及其其传传播播过过程程除除用用电电磁磁波波理理论论说说明明之之外外，对有些现象还需进一步用量子理论来解释对有些现象还需进一步用量子理论来解释即：即：辐射的本质既具有波动性，又具有粒子性辐射的本质既具有波动性，又具有粒子性微粒说（微粒说（17世纪末，英国世纪末，英国I. Newton）：）： 光是一种完光是一种完全弹性的球形微粒流，粒子不连续，直线传播
3、全弹性的球形微粒流，粒子不连续，直线传播19世纪世纪奠定奠定了辐射的波动说定义了辐射的波动说定义-物体以电磁波物体以电磁波向外传递能量的过程向外传递能量的过程1890年年英英国国人人M. Planck提提出出量量子子假假设设，1905年年德德国国人人A. Einstein提提出出了了量量子子理理论论，认认为为光光是是一一束束以以光光速速运运动动的的能能量量子子流流，这这种种能能量量子子称称为为光光子子，其其能能量量正正比比于它的频率于它的频率, 具有波粒两相性具有波粒两相性辐射是物体向外发射光子的能量传递过程辐射是物体向外发射光子的能量传递过程3、热辐射的特点：、热辐射的特点：(1) 不不依依
4、靠靠物物质质接接触触而而进进行行热热量量传传递递；即即：不不需需要要 介质的存在，在真空中就可以传递能量介质的存在，在真空中就可以传递能量(2) 一一切切物物体体只只要要热热力力学学温温度度T(K)大大于于零零，都都会会不不停停地发射热射线地发射热射线(3) 物物体体的的热热辐辐射射不不仅仅与与自自身身的的温温度度与与表表面面状状况况有有关关,而且还随辐射的而且还随辐射的波长波长和和方向方向而异而异描述物体辐射特性的参数有哪些？描述物体辐射特性的参数有哪些？辐射的方向性和光谱性如何体现？辐射的方向性和光谱性如何体现？在在学学习习中中要要牢牢固固树树立立辐辐射射的的方方向向性性和和光光谱谱性性,
5、 理理解解简化工程应用的一些假设的合理性和必要性简化工程应用的一些假设的合理性和必要性譬如：黑体、灰体、漫辐射体譬如：黑体、灰体、漫辐射体辐射场的定义和相互关系？辐射场的定义和相互关系？对对实实际际物物体体表表面面理理想想化化处处理理的的合合理理性性和和必要性？必要性？学习中注意的问题学习中注意的问题4 、辐射换热的特点：、辐射换热的特点：(1) 与与导导热热和和对对流流换换热热不不同同, 辐辐射射换换热热不不依依靠靠物物质质接触而进行热量传递；接触而进行热量传递；(2) 辐射换热过程伴随能量形式的转化辐射换热过程伴随能量形式的转化(3) 一一切切物物体体只只要要温温度度大大于于 0 K，都都
6、会会不不停停地地发发射射 热热射射线线; 高高温温物物体体辐辐射射给给低低温温物物体体的的能能量量大大于于低低温温物物体体辐辐射射给给高高温温物物体体的的能能量量；总总的的结结果果是是热热由由高高温温传传到到低温低温物体热力学能物体热力学能 电磁波能电磁波能 物体热力学能物体热力学能二、辐射能的吸收、反射和透射二、辐射能的吸收、反射和透射1、吸收率、反射率和透射率、吸收率、反射率和透射率一部分被吸收；一部分被吸收；一部分被反射；一部分被反射；一部分可能穿透物体一部分可能穿透物体 吸收率；吸收率； 反射率；反射率； 透射率透射率 投射辐射投射辐射G注意：吸收率、反射率和透射率的定义针对全波长注意
7、：吸收率、反射率和透射率的定义针对全波长镜反射镜反射：反射角等于入射角：反射角等于入射角 光滑的金属表面、玻璃、塑料等光滑的金属表面、玻璃、塑料等2、镜反射、漫反射：、镜反射、漫反射：反射的两种极端反射的两种极端漫反射漫反射：被反射的辐射能均匀分布在各方向：被反射的辐射能均匀分布在各方向 粗糙非金属表面接近于漫反射粗糙非金属表面接近于漫反射若投射能量是某波长下的（单色）辐射：若投射能量是某波长下的（单色）辐射：3、光谱吸收率、反射率和透射率、光谱吸收率、反射率和透射率光谱吸收率、光谱反射率、光谱透射率光谱吸收率、光谱反射率、光谱透射率（单色吸收率、单色反射率、单色透射率）（单色吸收率、单色反射
8、率、单色透射率） 是物体表面的辐射特性，是物体表面的辐射特性，与物体的性质、温度及表面状况有关与物体的性质、温度及表面状况有关气体气体：对辐射能几乎没有反射能力：对辐射能几乎没有反射能力固固体体和和液液体体：分分子子排排列列非非常常紧紧密密，投投射射辐辐射射能能在在进进入物体很小距离内就被全部吸收入物体很小距离内就被全部吸收如：金属导体：该距离约为如：金属导体：该距离约为 1 m；非导体：非导体：1000 m故：对一般固体和液体：故：对一般固体和液体：黑体黑体：能全部吸收外来射线的物体：能全部吸收外来射线的物体白体白体：能全部反射外来射线的物体：能全部反射外来射线的物体透明体透明体：能被外来射
9、线全部透过的物体：能被外来射线全部透过的物体自自然然界界中中并并不不存存在在黑黑体体、白白体体和和透透明明体体；它它们们只只是是实际物体热辐射性能的理想模型实际物体热辐射性能的理想模型4、黑体、白体和透明体、黑体、白体和透明体煤烟煤烟 =0.96；高度磨光的纯金；高度磨光的纯金 =0.98黑黑体体是是一一个个理理想想的的吸吸收收体体，它它能能吸吸收收来来自自各各个个方方向向、各种波长的全部投射能量。是比较的标准各种波长的全部投射能量。是比较的标准黑体表面的辐射属于漫辐射；各方向分布均匀黑体表面的辐射属于漫辐射；各方向分布均匀对于黑体：对于黑体：黑体不反射、也不透射，全部被吸收黑体不反射、也不透
10、射，全部被吸收人工黑体：空腔上的小孔接近于黑体人工黑体：空腔上的小孔接近于黑体白天从远处看房屋的窗户有黑洞洞的感觉白天从远处看房屋的窗户有黑洞洞的感觉注意：注意：黑体、白体与黑色物体、白色物体不同黑体、白体与黑色物体、白色物体不同颜色是对可见光而言的颜色是对可见光而言的黑体、白体及透明体都是对全波长而言的黑体、白体及透明体都是对全波长而言的而可见光只占全波长中的一小部分而可见光只占全波长中的一小部分故故：物物体体对对外外来来全全波波长长射射线线的的吸吸收收能能力力的的高高低低，不不能能凭凭物物体体的的颜颜色色来来判判断断，白白颜颜色色物物体体（反反射射的的射射线线在在可可见见光光部部分分呈呈白
11、白色色）不不一一定定是是白白体体；黑黑颜颜色色物物体体不一定是黑体不一定是黑体例例如如：雪雪对对可可见见光光是是良良好好的的反反射射体体，对对肉肉眼眼是是白白色色的，但对红外线几乎能全部吸收的，但对红外线几乎能全部吸收白白布布和和黑黑布布对对可可见见光光吸吸收收率率不不同同，但但对对红红外外线线的的吸吸收率基本相同收率基本相同玻璃只透过可见光，对玻璃只透过可见光，对 的红外线不透明的红外线不透明三、三、辐射强度和辐射力辐射强度和辐射力辐射能的分布是多元的，随波长、方向以及位置、时辐射能的分布是多元的，随波长、方向以及位置、时间都有自己的分布间都有自己的分布 1、空间方向性质的描写：方向角和立体
12、角、空间方向性质的描写：方向角和立体角 方向角方向角方向角方向角设有一半球，设有一半球，半径为半径为 r，在基圆中心有一微元表面在基圆中心有一微元表面dA1。 微元面发射一微元束能量，微元束的中心轴表示此轴微元面发射一微元束能量，微元束的中心轴表示此轴的发射方向的发射方向 天顶角天顶角 是是dA1平面的法线平面的法线与微元束中心轴的与微元束中心轴的夹角夹角称为称为 天顶角天顶角也称也称 纬度、纬度、 纬度角纬度角设有一半球，设有一半球，半径为半径为 r，在基圆中心有一微元表面在基圆中心有一微元表面dA1。 微元面发射一微元束能量，微元束的中心轴表示此轴微元面发射一微元束能量，微元束的中心轴表示
13、此轴的发射方向的发射方向 圆周角圆周角 是微元束中心轴在是微元束中心轴在基圆上的投影线与基圆上的投影线与 x x 轴的夹角轴的夹角称为称为 圆周角圆周角也称也称 经度、经度、 经度角经度角 方向角方向角方向角方向角立立体体角角：用用给给定定方方向向上上半半球球面面被被立立体体角角所所切切割割的的面面积积dA2除除以以半径的平方半径的平方立立体体角角：用用给给定定方方向向上上半半球球面面被被立立体体角角所所切切割割的的面面积积dA2除除以以半半径的平方径的平方即：环绕发射表面即：环绕发射表面 dA1 的半球空间立体角为的半球空间立体角为 2 sr 立立 体体 角角（Solid angles）的单
14、位，球面度的单位，球面度2、辐射强度、辐射强度(I)：(或定向辐射强度或定向辐射强度) 辐辐射射强强度度：朝朝着着某某给给定定方方向向、垂垂直直于于该该方方向向的的单单位位投投影影面面积积在在单单位位时时间间、向向单单位位立立体体角角内内所所发发射射的的全波长全波长的能量的能量辐射强度：辐射强度：对于对于各向同性各向同性的物体表面，的物体表面，辐射强度与角度辐射强度与角度 无关。无关。本本课限于各向同性的物体表面课限于各向同性的物体表面光谱光谱(单色单色)辐射强度辐射强度：针对：针对某波长某波长 、波长间隔为、波长间隔为 d ：3、辐射力、辐射力(E)辐辐射射力力：发发射射体体每每单单位位面面
15、积积、在在单单位位时时间间、向向半半球球空空间间所所发发射射的的全全波波长长能量能量光光谱谱辐辐射射力力：若若辐辐射射力力是是针针对对某某波波长长 、波波长长间间隔隔为为 d 范围内所发射的能量。范围内所发射的能量。 E 定定向向辐辐射射力力：发发射射体体的的单单位位面面积积、在在单单位位时时间间内内、向某个方向向某个方向单位立体角单位立体角内发射的辐射能内发射的辐射能光谱定向辐射力光谱定向辐射力：发射体的单位面积、在单位时间内、：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，在波长向半球空间的某给定方向单位立体角内，在波长 附附近的单位波长间隔内发射的辐射能量。近的单位
16、波长间隔内发射的辐射能量。 E , 6-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律一、普朗克定律一、普朗克定律黑体的辐射力以黑体的辐射力以 Eb W/m2 表示表示普朗克定律普朗克定律：1900年年 Max Planck 在量子理论的基础在量子理论的基础上，揭示了真空中黑体的光谱辐射力上，揭示了真空中黑体的光谱辐射力 Eb 与波长与波长 、热力学温度热力学温度 T 之间的函数关系：之间的函数关系：普朗克定律普朗克定律：1900年年 Max Planck 在量子理论的基础在量子理论的基础上，揭示了真空中黑体的光谱辐射力上，揭示了真空中黑体的光谱辐射力 Eb 与波长与波长 、热力学温度热力学温度 T
17、 之间的函数关系：之间的函数关系：根根据据普普朗朗克克定定律律，可可以以得得到到如下结论：如下结论：（1）对任一波长：温度越高，光谱）对任一波长：温度越高，光谱辐射力越强辐射力越强（3）同一温度下的光谱辐射力存在一最大值，对应）同一温度下的光谱辐射力存在一最大值，对应（2）在一般工程所涉及的温度范围）在一般工程所涉及的温度范围内（小于内（小于2000K），波长），波长0.8100m的红外热辐射占主导地位，而波长的红外热辐射占主导地位，而波长为为0.380.76m的可见光能量很小。的可见光能量很小。（3）同一温度下的光谱辐射力存在一最大值，对应）同一温度下的光谱辐射力存在一最大值，对应随随着着温
18、温度度T增增高高， 向向短短波波方向移动方向移动利用光学仪器测得某黑体表面利用光学仪器测得某黑体表面最大光谱辐射力的波长后，可最大光谱辐射力的波长后，可以算出该黑体表面的温度以算出该黑体表面的温度二、维恩二、维恩(Wien)位移定律位移定律如：太阳如：太阳T=5800K时，峰值在可见光范围；太阳所发射的辐射时，峰值在可见光范围；太阳所发射的辐射能约能约44.6%(43%)在可见光范围在可见光范围T800K时，辐射能中明显具有可见光射线时，辐射能中明显具有可见光射线随着温度随着温度 T 的升高，可见光射线增加的升高，可见光射线增加工业中常见高温一般低于工业中常见高温一般低于 2000K属于红外线
19、范围属于红外线范围红外线：红外线：加热炉中铁块升温过程颜色变化加热炉中铁块升温过程颜色变化：T800K时，主要是红外线，眼睛感觉不到、暗黑；时，主要是红外线，眼睛感觉不到、暗黑；随着温度的升高，铁快颜色变为暗红色、鲜红色、橘随着温度的升高，铁快颜色变为暗红色、鲜红色、橘黄色、亮白色黄色、亮白色原因：原因：T 升高可见光增加升高可见光增加三、斯忒藩三、斯忒藩- -玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律辐射力辐射力 E 与温度与温度 T 的关系：的关系：1884年玻尔兹曼用热力学理论进行了证明年玻尔兹曼用热力学理论进行了证明1879年斯忒藩依靠实验确定了年斯忒藩依靠实验确定了Eb与与 T 的关系的关系将普朗克定
20、律表达式在全波长范围积分将普朗克定律表达式在全波长范围积分四次方四次方定律定律波波段段辐辐射射力力：黑黑体体在在温温度度T下下、在波段（在波段（ ）范围内所）范围内所辐射的能量辐射的能量黑黑体体辐辐射射函函数数：在在辐辐射射换换热热计计算算中中，常常常常需需要要计计算算黑黑体体在在给给定定波波段段中中所所发发射射的的辐辐射射能能，或或计计算算黑黑体体在在给给定定波段中所发射的辐射能占全波段辐射能的份额波段中所发射的辐射能占全波段辐射能的份额 ：定义相对辐射力定义相对辐射力 四、兰贝特（四、兰贝特（Lambert）定律定律漫辐射表面漫辐射表面：辐射强度在空间各个方向上都相等：辐射强度在空间各个方向上都相等黑体表面为漫辐射表面黑体表面为漫辐射表面对于漫辐射表面：对于漫辐射表面：兰贝特定律的两种表达式之一：余弦定律兰贝特定律的两种表达式之一：余弦定律黑体表面或漫辐射表面黑体表面或漫辐射表面 E 与与 I 关系：关系：兰兰贝贝特特定定律律的的两两种种表表达达式式之之二二：对对于于黑黑体体表表面面或或漫漫辐辐射表面，辐射力射表面，辐射力 E 是任意方向辐射强度是任意方向辐射强度 I 的的 倍倍黑体表面或漫辐射表面黑体表面或漫辐射表面 E 与与 I 关系：关系：对于黑体表面对于黑体表面：
