第7章 熱輻射基礎(chǔ)理論

1、2021-10-2912021-10-291第第7 7章章 熱輻射基礎(chǔ)理論熱輻射基礎(chǔ)理論能源與機(jī)械工程學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院School of Energy & Mechanical Engineering蔡蔡 杰杰傳熱學(xué)傳熱學(xué)Heat Transfer7.1 熱輻射的基本概念7.2 黑體輻射的基本性質(zhì)7.3 實(shí)際物體的輻射和吸收7.1 7.1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念7.1.1 7.1.1 熱輻射的本質(zhì)熱輻射的本質(zhì) 熱輻射: 由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射.構(gòu)成物質(zhì)的微觀(guān)粒子因振蕩和躍遷而發(fā)射輻射能電磁波譜: 熱輻射是電磁輻射(電磁波)的一種 m 1000.1 m 1000

2、m 100076.0, x, m 38.0 104 m 0.7638.03熱射線(xiàn)無(wú)線(xiàn)電波紅外線(xiàn)射線(xiàn)等射線(xiàn)紫外線(xiàn)可見(jiàn)光熱輻射具有一般輻射現(xiàn)象的共性.以光速傳播:m ; 1/s s/m 103 ,cc 8波長(zhǎng)頻率電磁波的傳播速度輻射的本質(zhì): 既有波動(dòng)性,又有粒子性.熱輻射的特點(diǎn)熱輻射的特點(diǎn):不依靠物質(zhì)接觸進(jìn)行傳熱;輻射過(guò)程伴隨能量形式的轉(zhuǎn)化;1. 一切溫度高于0 K的物體都會(huì)不停地發(fā)射熱射線(xiàn).7.1.27.1.2輻射能的吸收、反射和透過(guò)輻射能的吸收、反射和透過(guò) 圖6-2 射線(xiàn)被吸收、反射和透 過(guò)的示意圖ARDQQQQ1ARDQQQQQQ,ARDQQQARDQQQ，1ARDA、R、D分別稱(chēng)為物體的吸

3、收率、反射率和穿透率與物體的性質(zhì)、溫度、表面狀況有關(guān)與投射能量的波長(zhǎng)分布有關(guān)鏡面反射和漫反射:鏡面反射: 反射角等于入射角 光滑的金屬表面, 玻璃, 塑料等漫反射: 被反射的輻射能(均勻)分布在各個(gè)方向上。 粗糙的金屬表面近于漫射面絕對(duì)透明體： D1、能讓投射到它上面的輻射能全部透過(guò)雙原子氣體，如氧氣、氮?dú)饧翱諝獾龋瑢?duì)熱射線(xiàn)就是近似透明體 絕對(duì)白體：R1，簡(jiǎn)稱(chēng)白體，能反射投射到其表面上的全部熱射線(xiàn)絕對(duì)黑體：A1，簡(jiǎn)稱(chēng)黑體，能吸收投射到其上的全部輻射能。在輻射換熱理論中，黑體占有重要地位，熱輻射的基本定律是在黑體的基礎(chǔ)上得出的。 絕對(duì)黑體模型:注意:黑色的物體不同于黑體, 白色的物體不同于白體.

4、顏色對(duì)可見(jiàn)光而言；白體、黑體、透明體對(duì)全波長(zhǎng)而言.白顏色物體(反射可見(jiàn)光呈白色)不一定是白體;黑顏色物體不一定是黑體.7.2 7.2 黑體輻射的基本性質(zhì)黑體輻射的基本性質(zhì)1. 總輻射力E 單位： W/m2單位時(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間的一切方向發(fā)射的包含全部波長(zhǎng)的輻射能 2. 單色輻射力 單位： W/m2單位時(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間的一切方向發(fā)射的某一波長(zhǎng)的輻射能E3. 方向輻射力 單位： 單位時(shí)間內(nèi)物體單位表面積向半球空間的某一方向在單位立體角內(nèi)所發(fā)射的一切波長(zhǎng)的輻射能 E2W/(msr)7.2.1 7.2.1 幾個(gè)重要的輻射參數(shù)幾個(gè)重要的輻射參數(shù)圖7-5 立體角的定義立體角：半球

5、表面上被立體角切割的面積除以半徑的平方單位：sr（球面度） 2=f/rddrdrrdrdfdsinsin22有關(guān)輻射力的定義間的關(guān)系式 dEEd0EE dddEE20202sinddEdEE輻射強(qiáng)度：輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)在某一方向上,物體單位可見(jiàn)輻射面積在單位立體角內(nèi)輻射的一切波長(zhǎng)的能量cosdQIdFd W/(m2sr) 圖7-6 輻射強(qiáng)度定義7.2.2 7.2.2 普朗克定律普朗克定律 黑體的單色輻射力和溫度、波長(zhǎng)（1901年）251,/()1bCTCEeW/m2 :波長(zhǎng)（m）；T:為黑體的絕對(duì)溫度（K）； C1 常數(shù)，為3.74310-16 Wm2； C2 常數(shù)，為 1.438710-2

6、 mK。圖6-7 黑體E和波長(zhǎng)、溫度的關(guān)系用一條曲線(xiàn)來(lái)表示普朗克定律 將上式兩端均除以T5，得2,1/()55()() (-1)bCTECfTTTe圖7-8 黑體單色輻射力與T的函數(shù)關(guān)系7.2.37.2.3維恩定律維恩定律 對(duì)應(yīng)于最大單色輻射力的波長(zhǎng)與物體的絕對(duì)溫度間的關(guān)系稱(chēng)為維恩位移定律3108976. 2TmmK 圖7-7 黑體E和波長(zhǎng)、溫度的關(guān)系鋼錠加溫時(shí)：黑紅白波長(zhǎng)測(cè)溫7.2.4 7.2.4 斯蒂芬玻爾茲曼定律斯蒂芬玻爾茲曼定律黑體的總輻射力 2-5421,0/()00W/m-1bbCTCEEddTe-82405.6697 10W/(mK )黑體輻射常數(shù) 420()W/m100bTEC

7、或2405.6697 W /(mK)C黑體輻射系數(shù) 又稱(chēng)為輻射的四次方定律 某溫度下黑體發(fā)射的一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能 221121,(-),00-bbbbEEdEdEd引入輻射函數(shù) 22,4010/()50,01/()500/(-1)()()(-1)()bCTbTCTE dCdTeE dCdTfTeT124,(-)210 ()()bEfTfTT 輻射函數(shù)僅為 的函數(shù)。該函數(shù)值列于表中 T7.2.5 7.2.5 蘭貝特定律蘭貝特定律 黑體在任意方向上的輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，都等于它在法線(xiàn)方向上的輻射力I對(duì)于服從蘭貝特定律的輻射 ：IcosdQIdFd黑體單位面積發(fā)出的輻射能落在空間不同方向單位立體

8、角中的能量值不等，其數(shù)值正比例于該方向與表面法線(xiàn)之間夾角的余弦值。所以，蘭貝特定律又稱(chēng)為余弦定律。cosdQIdFd 漫輻射表面:輻射強(qiáng)度在空間各個(gè)方向上都相等黑體或具有漫輻射表面的物體，在其法線(xiàn)方向上輻射力最大，在90度方向上最小，為0。對(duì)于輻射能按空間方向的分布服從蘭貝特定律的物體，其輻射強(qiáng)度和輻射力間的關(guān)系 222222=00IcosdIcossind dIsincosd dIdQEE dddFd 7.3 7.3 實(shí)際物體的輻射和吸收實(shí)際物體的輻射和吸收實(shí)際物體的輻射和吸收比黑體要復(fù)雜得多，其特性取決于許多因素，如組成、表面粗糙度、溫度、輻射波長(zhǎng)等 7.3.1 7.3.1 實(shí)際物體的輻射

9、實(shí)際物體的輻射 圖7-9 實(shí)際物體與灰體的單色輻射力黑度（又稱(chēng)發(fā)射率）：實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比 1. 黑度2. 單色黑度 3. 方向黑度bEE, bEE,bEE實(shí)際物體的輻射力可用下式表示： 4400()100bTEETC實(shí)際物體的輻射力并不嚴(yán)格地同絕對(duì)溫度的4次方成正比；為工程計(jì)算便利，認(rèn)為一切實(shí)際物體的輻射力都與絕對(duì)溫度的4次方成正比，而把由此引起的修正包括到由實(shí)驗(yàn)方法確定的黑度中去。因此，黑度除了與物體本身性質(zhì)有關(guān)外還與溫度有關(guān)。 如果實(shí)際物體的方向輻射力遵守蘭貝特定律的話(huà)，該物體表面稱(chēng)為漫射表面，其方向黑度與角度無(wú)關(guān)而等于一常數(shù)。 物體表面的黑度只取決于發(fā)射物體本身

10、，與外界條件并無(wú)關(guān)系。表面溫度，表面性質(zhì)、狀況、表面涂層的厚度等都對(duì)物體的黑度有很大的影響。物體表面的黑度值一般要由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 7.3.2 7.3.2 實(shí)際物體的吸收實(shí)際物體的吸收吸收率A：實(shí)際物體對(duì)投入輻射吸收的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為該物體的吸收率 單色吸收率 ：對(duì)某一波長(zhǎng)輻射能吸收的百分?jǐn)?shù) A實(shí)際物體的吸收特性與其本身性質(zhì)和狀況有關(guān)，與投入輻射的性質(zhì)也有關(guān)物體本身溫度為 ，輻射源溫度為 ，若輻射源為黑體，物體對(duì)黑體輻射的總吸收率：1T2T1,21,200402,2012( )()( )()()( ,)bbbA T ET dA T ET dATET dA T T黑體）吸收率是溫度 和 的函數(shù) 1T2T灰

11、體：?jiǎn)紊章逝c波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體 AA常數(shù)總吸收率只取決于物體本身的性質(zhì)和狀況而與外界的情況無(wú)關(guān)灰體也是一種理想物體。7.3.37.3.3基爾霍夫定律基爾霍夫定律 實(shí)際物體的輻射和吸收間的關(guān)系 圖7-10 平行平板的輻射換熱板相距很近，從一塊板發(fā)出的輻射全部落到另一塊板上。板1為黑體表面：E Eb b、T Tb b板2為無(wú)透射的任意表面 ：E、A、T兩板間單位面積的輻射換熱量： bqEAE當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)， ,0bTT qbEEA把上述關(guān)系推廣 1212.bEEEEAAA在熱平衡狀態(tài)下，任何實(shí)際物體的輻射力和吸收率之比都相同，均等于同溫度下黑體的輻射力 。與黑體熱平衡的條件下才能成立 因?yàn)樗袑?shí)際物體的吸收率總小于1，所以在溫度相同時(shí)黑體的輻射力最大。( ,)A T TT黑體） （在熱平衡的條件下，任意物體任意物體對(duì)黑體輻射的吸收率恒等于同溫度下該物體的黑度。在溫度相同的前提下，物體的輻射力越大，其吸收率也越大