熱輻射的基本概念1

1、第七章管式加熱爐第七章管式加熱爐第第1 1節(jié)熱輻射的基本概念節(jié)熱輻射的基本概念1.1 1.1 基本概念基本概念1.2 1.2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律1.3 1.3 實際物體的熱輻射實際物體的熱輻射1.4 1.4 氣體的輻射與吸收氣體的輻射與吸收1.1 1.1 基本概念基本概念1.1.1 1.1.1 熱輻射的特性熱輻射的特性1.1.2 1.1.2 熱輻射的吸收、反射和透過熱輻射的吸收、反射和透過1.1.3 1.1.3 黑體的定義黑體的定義1.1.4 1.1.4 物體的輻射能力、輻射強度物體的輻射能力、輻射強度1.1.1 1.1.1 熱輻射的特性：熱輻射的特性：定義：用電磁波傳遞能量

2、的過程定義：用電磁波傳遞能量的過程特點：特點：在傳遞過程中不需要任何介質；在傳遞過程中不需要任何介質；熱輻射過程中不僅有熱量的轉移過程，而熱輻射過程中不僅有熱量的轉移過程，而 且還有能量形式的轉換；且還有能量形式的轉換；任何物質，只要任何物質，只要T TK K，均可輻射熱量；，均可輻射熱量；微粒性：發(fā)射和吸收時光子光子能量微粒性：發(fā)射和吸收時光子光子能量E E波動性：傳播時電磁波波長波動性：傳播時電磁波波長或頻率或頻率特性：特性：E = hE = h =C/ =C/電磁輻射波譜：電磁輻射波譜：輻射線名稱輻射線名稱宇宙射線宇宙射線伽馬射線伽馬射線倫琴射線倫琴射線紫外線紫外線可見光可見光紅外線紅外

3、線無線電波無線電波波長波長/m /m 1 11010-7-7 1 11010- -1 11010-5-5 1 11010-5-52 21010-2-2 2 21010-2-20.380.38 0.380.380.760.76 0.760.761 110103 3 1 110103 32 210101010 熱射線熱射線注：固體液體的光譜連續(xù)；氣體光譜不連續(xù)注：固體液體的光譜連續(xù)；氣體光譜不連續(xù)1.1.2 1.1.2 熱輻射的吸收、反射和透過熱輻射的吸收、反射和透過： Q= Q Q= Q+ Q+ Q+ Q+ Q或或 Q Q/Q + Q/Q + Q/Q + Q/Q + Q/Q=1/Q=1吸收率吸收

4、率、反射率、反射率和透過率和透過率：定義：定義：= Q= Q/Q /Q 吸收率吸收率 = Q= Q/Q /Q 反射率反射率 = Q= Q/Q /Q 透過率透過率說明：說明：a.a. 凡是善于反射的物體就一定不能很好的吸收熱凡是善于反射的物體就一定不能很好的吸收熱輻射；輻射；b.b.、= f= f（物體性質、（物體性質、T T、輻射波長、輻射波長）； 對熱射線的反射和吸收有重大影響的，不是表面對熱射線的反射和吸收有重大影響的，不是表面的顏色，而是表面的狀況的顏色，而是表面的狀況；c.c.定義：鏡反射；漫反射定義：鏡反射；漫反射d.=1d.=1，=0=0：全反射體，又稱絕對白體或鏡體：全反射體，又

5、稱絕對白體或鏡體如理想的金屬鏡面；如理想的金屬鏡面； =1=1，=0=0：透明體透明體，如空氣；，如空氣； =1=1，=0=0：黑體黑體1.1.3 1.1.3 黑體的定義：黑體的定義：黑表面：黑表面：能全部吸收投射到它表面上的熱輻射的表面能全部吸收投射到它表面上的熱輻射的表面黑體黑體：具有黑表面的物體，稱為具有黑表面的物體，稱為絕對黑體絕對黑體，或簡稱，或簡稱 黑體，用下標黑體，用下標“0”0”表示表示 說明：說明：自然界中并不存在真正的絕對黑體；自然界中并不存在真正的絕對黑體； 黑體模型黑體模型：1.1.4 1.1.4 物體的輻射能力、輻射強度：物體的輻射能力、輻射強度： 物體的輻射能力物體

6、的輻射能力E E：定義：定義：物體單位表面積、單位時間向半球空間所有物體單位表面積、單位時間向半球空間所有方向發(fā)射的全部波長（方向發(fā)射的全部波長（=0=0）的總輻射能，）的總輻射能，又又稱稱半球輻射能力、自身輻射半球輻射能力、自身輻射dAdQdE2W/mW/m2 2 說明：說明：E E與表面的性質、溫度有關：與表面的性質、溫度有關：TETE；相同的溫度下，黑體的輻射能力最大相同的溫度下，黑體的輻射能力最大。1.1.4 1.1.4 物體的輻射能力、輻射強度：物體的輻射能力、輻射強度：單色輻射能力單色輻射能力E E：定義：定義：物體在物體在至至+的波段內的輻射能力的波段內的輻射能力 W/(mW/(

7、m2 2m)m)或或W/mW/m3 3說明：說明：E E反映了物體的輻射能力隨反映了物體的輻射能力隨（0-0-）的）的分布情況：分布情況：ddEElimE0E EEE， E Ef f（波長，（波長，T T）0dEE1.1.4 1.1.4 物體的輻射能力、輻射強度：物體的輻射能力、輻射強度：立體角立體角和輻射強度和輻射強度：立體角：立體角：以物體表面上的一點對輻射面所張開的角度以物體表面上的一點對輻射面所張開的角度輻射強度：物體單位表面積、單位時間內向空間單位輻射強度：物體單位表面積、單位時間內向空間單位立體角所發(fā)射的全部波長的輻射能立體角所發(fā)射的全部波長的輻射能 W/(mW/(m2 2sr)s

8、r)說明：說明：dd物體向給定方向發(fā)射能量所占據的立物體向給定方向發(fā)射能量所占據的立體角，體角，srsr（球面度）；（球面度）； E E與與I I的關系為：的關系為：ddEddAdQdI320IdE1.2 1.2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律1.2.1 1.2.1 普朗克（普朗克（PlanckPlanck）定律）定律 黑體輻射能力按波長的分布規(guī)律黑體輻射能力按波長的分布規(guī)律1.2.2 1.2.2 斯蒂芬斯蒂芬- -波爾茲曼（波爾茲曼（Stefan-BoltzmanStefan-Boltzman） 定律黑體輻射能力與溫度的關系定律黑體輻射能力與溫度的關系1.2.3 1.2.3 蘭貝特（蘭

9、貝特（LambertLambert）定律余弦定率）定律余弦定率1.2.1 1.2.1 普朗克（普朗克（PlanckPlanck）定律：）定律：黑體的單色輻射能力與波長及溫度的定量關系黑體的單色輻射能力與波長及溫度的定量關系：12510T/CeCE式中：式中：黑體輻射的波長，黑體輻射的波長，m m；T T黑體的絕對溫度，黑體的絕對溫度，K K；C C1 1、C C2 2普朗克常數，普朗克常數，C C1 1=3.743=3.7431010-16-16W Wm m2 2； C C2 2=1.4387=1.43871010-2-2m mK K；E E00黑體的單色輻射能力，黑體的單色輻射能力，W/mW

10、/m2 2。 討論：討論：黑體的黑體的E E00與表面形狀無與表面形狀無關，關，E E00=f(,T)=f(,T)；如圖：當如圖：當00或或時，時，E Eoo00；同一波長下，；同一波長下，TETE00； 討論：討論：在全部波長范圍內單色輻射能力有且只有一個最大值：在全部波長范圍內單色輻射能力有且只有一個最大值：0ddEo微分，令：微分，令：KmTm3109 . 2維恩（維恩（WienWien）位移定律）位移定律 故：黑體單色輻射能力的最大值隨著其溫度的升高向波長故：黑體單色輻射能力的最大值隨著其溫度的升高向波長較短的一邊移動。較短的一邊移動?？蓱{借火焰的顏色來判斷火焰的溫度：可憑借火焰的顏色

11、來判斷火焰的溫度：溫度70090011001400火焰顏色暗紅櫻桃紅橙黃白色熾熱體溫度溫度14001400，可見光范圍；，可見光范圍；太陽表面：太陽表面：T6000KT6000K，可見光范圍；，可見光范圍；工業(yè)溫度（約工業(yè)溫度（約20002000）：集中在）：集中在=0.8=0.810m10m的紅外線的紅外線波段內。波段內。 1.2.2 1.2.2 斯蒂芬波爾茲曼斯蒂芬波爾茲曼（Stefan-BoltzmanStefan-Boltzman）定律：）定律：黑體的全波長輻射能力黑體的全波長輻射能力 ：deCdEET/C12510000積分后：積分后：40400100TCTE式中：式中：0 0黑體輻

12、射常數，黑體輻射常數， 0 0=5.67=5.671010-8-8W/(mW/(m2 2K K4 4) ) C C0 0=5.67=5.67 故：故：E E0 0TT，高溫時不能忽略輻射傳熱。，高溫時不能忽略輻射傳熱。1.2.3 1.2.3 蘭貝特定律蘭貝特定律余弦定律：余弦定律： 說明了黑體表面向它上面的半球空間不同方向說明了黑體表面向它上面的半球空間不同方向上的輻射能量與法線方向上的輻射能量的關系上的輻射能量與法線方向上的輻射能量的關系內容：內容：cos00nII I I0n0n黑體的微元面積黑體的微元面積dAdA在法線方向上在法線方向上 的輻射強度，的輻射強度，W/(mW/(m2 2sr

13、sr) )；給定方向與法線方向的夾角，給定方向與法線方向的夾角，srsr說明：說明：蘭貝特定律又稱余弦定律；蘭貝特定律又稱余弦定律；當當=0=0時，時，I I=0=0=I=I0n0n，輻射強度最大；，輻射強度最大； 當當=90=90時，時，I I=90=90=0=0； I I0 0和和E E0 0的關系：的關系：nnIsdIE0202000cossin上式說明：上式說明：E E0 0為為I Ionon的的倍；倍；遵循蘭貝特定律的表面稱為蘭貝特表面，黑體表遵循蘭貝特定律的表面稱為蘭貝特表面，黑體表 面就是一個蘭貝特表面；面就是一個蘭貝特表面；以上三個定律只適用于黑體以上三個定律只適用于黑體。1.

14、3 1.3 實際物體的熱輻射實際物體的熱輻射1.3.1 1.3.1 實際物體與黑體的區(qū)別與聯系實際物體與黑體的區(qū)別與聯系1.3.2 1.3.2 克?；舴颍讼；舴颍↘irchhoffKirchhoff）定律）定律 1.3.3 1.3.3 灰體灰體1.3.1 1.3.1 實際物體與黑體的區(qū)別與聯系實際物體與黑體的區(qū)別與聯系實際物體的輻射能力不服從斯蒂芬波爾實際物體的輻射能力不服從斯蒂芬波爾茲曼定律茲曼定律自然界一切物體的輻射能力均小于同溫度下黑體的自然界一切物體的輻射能力均小于同溫度下黑體的輻射能力；輻射能力；引入相對輻射能力：引入相對輻射能力：=E/=E/ E E0 0，又稱黑度，發(fā)射率，又稱

15、黑度，發(fā)射率影響因素：影響因素：它與物體溫度和表面性質（表面溫它與物體溫度和表面性質（表面溫度、表面狀況等）有關；度、表面狀況等）有關； 恒小于恒小于1 1。 1.3.1 1.3.1 實際物體與黑體的區(qū)別與聯系實際物體與黑體的區(qū)別與聯系實際物體的單色輻射能力隨溫度和波長的實際物體的單色輻射能力隨溫度和波長的變化不符合普朗克定律變化不符合普朗克定律引入物體的單色黑度引入物體的單色黑度 ：=E=E/ E/ E00，又稱單色發(fā)射能力又稱單色發(fā)射能力 影響因素：影響因素：f f（T,T,，物體表面性質）；，物體表面性質）；恒小于恒小于1 1，黑體單色輻射能力最大。，黑體單色輻射能力最大。1.3.1 1

16、.3.1 實際物體與黑體的區(qū)別與聯系實際物體與黑體的區(qū)別與聯系實際物體對投入輻射能的吸收率實際物體對投入輻射能的吸收率11單色吸收率單色吸收率： 在給定波長在給定波長和入射角和和入射角和下，一個實際表面下，一個實際表面吸收的能量與一個黑表面吸收的能量之比值。吸收的能量與一個黑表面吸收的能量之比值。 說明：說明：、(0(0，1)1)；實驗表明，實驗表明，、均為物體本身性質；均為物體本身性質；不是物體本身的性質，不是物體本身的性質，f f（表面性質、溫度、投入輻射（表面性質、溫度、投入輻射的波長及角度）。的波長及角度）。1.3.2 1.3.2 克?；舴颍讼；舴颍↘irchhoffKirchhof

17、f）定律）定律內容：內容：假設一個溫度為假設一個溫度為T T1 1的物體，在一個溫度為的物體，在一個溫度為T T2 2的黑體的黑體包殼內，則無論包殼內，則無論T T1 1和和T T2 2是否相等，該物體表面的單是否相等，該物體表面的單色黑度等于它的單色吸收率色黑度等于它的單色吸收率 ，即：，即：= = 證明：證明：由該物體發(fā)射的輻射為：由該物體發(fā)射的輻射為： 被該物體吸收的輻射為：被該物體吸收的輻射為： 假定該物體和包殼處于熱平衡狀態(tài)，則：假定該物體和包殼處于熱平衡狀態(tài)，則：q qe e=q=q或或 由由T T1 1=T=T2 2，則，則E E0,10,1= E= E0,20,2，帶入上式有：

18、，帶入上式有：= =dEq20dEdE2010dEqe101.3.2 1.3.2 克?；舴颍讼；舴颍↘irchhoffKirchhoff）定律）定律說明：說明：對于許多物質，人們發(fā)現對于許多物質，人們發(fā)現（或（或）與投射輻）與投射輻射的情況無關，即與投射溫度射的情況無關，即與投射溫度T T2 2無關。無關。故：故：無論無論T T1 1和和T T2 2是否相等，均有是否相等，均有= =；由由、， 則：則：4101 ,00TdEEE4202,0TdE熱平衡時熱平衡時：T T1 1=T=T2 2，故，故= =； 對于灰體：對于灰體：= = = =什么是灰體？什么是灰體？1.3.3 1.3.3 灰體

19、灰體灰體定義灰體定義：假如某種物體的單色輻射能力：假如某種物體的單色輻射能力E E與同一溫度下絕對黑體的單色輻射能力與同一溫度下絕對黑體的單色輻射能力E E00之比之比等于常數，即在所有波長下，物體的單色黑度等于常數，即在所有波長下，物體的單色黑度等于常數，這種物體叫做灰體等于常數，這種物體叫做灰體灰體也是一種理想物體灰體也是一種理想物體1.3.3 1.3.3 灰體灰體討論：討論：灰體是一個物理模型，符合灰體模型的表面叫灰體是一個物理模型，符合灰體模型的表面叫做灰表面，灰表面符合蘭貝特（做灰表面，灰表面符合蘭貝特（LambertLambert）定律；）定律； 由其定義及克?；舴蚨桑瑢冶砻?，

20、有：由其定義及克?；舴蚨桑瑢冶砻?，有：= = =常數常數 推導：推導：dEdEdEdEdEdEEE00000001.3.3 1.3.3 灰體灰體一般工業(yè)溫度范圍一般工業(yè)溫度范圍(T(T2000)2000)內，一般固、液內，一般固、液態(tài)物體均可認為是灰體（氣體除外），于是：態(tài)物體均可認為是灰體（氣體除外），于是： 灰體的灰體的-E-E曲線與黑體的曲線與黑體的-E-E曲線相似，二曲線相似，二者在同一溫度下的最大單色輻射能力都位于同一者在同一溫度下的最大單色輻射能力都位于同一m m處；處；400TEE黑體是灰體的特例黑體是灰體的特例 ：= = = 1 1討論：討論：1.4 1.4 氣體的輻射與吸

21、收氣體的輻射與吸收1.4.1 1.4.1 氣體輻射與吸收的特點氣體輻射與吸收的特點 1.4.2 1.4.2 煙氣的黑度煙氣的黑度1.4.3 1.4.3 煙氣的吸收率煙氣的吸收率1.4.1 1.4.1 氣體輻射與吸收的特點氣體輻射與吸收的特點: :不同氣體具有不同的輻射能力不同氣體具有不同的輻射能力單原子和分子結構對稱的雙原子氣體，如惰性單原子和分子結構對稱的雙原子氣體，如惰性氣體和氫、氮、氧等，不具有吸收熱輻射的能力，氣體和氫、氮、氧等，不具有吸收熱輻射的能力，可看作透明體?？煽醋魍该黧w。 而三原子，多原子氣體以及結構不對稱的雙而三原子，多原子氣體以及結構不對稱的雙原子分子，如原子分子，如CO

22、CO2 2、H H2 2O O、SOSO2 2、COCO、CHCH2 2 ，烴類和醇，烴類和醇類等，則有相當大的輻射能力和吸收能力。類等，則有相當大的輻射能力和吸收能力。1.4.1 1.4.1 氣體輻射與吸收的特點氣體輻射與吸收的特點: :氣體輻射對波長有選擇性氣體輻射對波長有選擇性 氣體只在某些特定的波段光帶內具有吸收能力。氣體只在某些特定的波段光帶內具有吸收能力。煙氣中的煙氣中的COCO2 2和和H H2 2O O主要光帶如下：主要光帶如下： CO2H2O第一光帶2.65-2.80m2.55-2.84m第二光帶4.15-4.45m5.6-7.6m第三光帶13.0-17.0m12.0-30.

23、0m 這些光帶均位于可見光范圍之外，所以，即使在高溫這些光帶均位于可見光范圍之外，所以，即使在高溫下下COCO2 2和和H H2 2O O也不能被人眼看見。也不能被人眼看見。1.4.1 1.4.1 氣體輻射與吸收的特點氣體輻射與吸收的特點: :氣體的輻射和吸收是在整個容積中進行的氣體的輻射和吸收是在整個容積中進行的 氣體的輻射和吸收與氣體的形狀和體積有關。氣體的輻射和吸收與氣體的形狀和體積有關。 氣體的輻射和吸收取決于氣層厚度、氣體的溫度氣體的輻射和吸收取決于氣層厚度、氣體的溫度和分壓。和分壓。定義平均輻射長度定義平均輻射長度L=3.5V/A L=3.5V/A ，又稱有效氣層，又稱有效氣層厚度 這樣：這樣：),(),(mmLPTfPLTf1.4.1 1.4.1 氣體輻射與吸收的特點氣體輻射與吸收的特點: :氣體是典型的非灰體物質氣體是典型的非灰體物質 只有當氣體溫度和固體壁溫度相同時氣體的只有當氣體溫度和固體壁溫度相同時氣體的黑度和吸收率才會相等，若溫度不相等，就不存黑度和吸收率才會相等，若溫度不相等，就不存在這種關系。同樣普朗克定律定律和斯蒂芬波在這種關系。同樣普朗克定律定律和斯蒂芬波爾茲曼定律也不能成立。爾茲曼定律也不能成立。1.4.2 1.4.2 煙氣的黑度：煙氣的黑度： COCO2 2和和H H2 2O O的黑度：的黑度：E ECO2CO2 T T