《熱輻射和輻射換熱》課件

熱輻射和輻射換熱熱輻射概述熱輻射是物體由于自身溫度而產(chǎn)生的能量輻射。太陽(yáng)輻射是地球上最重要的熱源之一，它為地球提供熱量。燃燒的火焰、熔化的金屬都會(huì)產(chǎn)生熱輻射。熱輻射的物理本質(zhì)熱輻射是物體由于其內(nèi)部粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電磁輻射。所有溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)出熱輻射。熱輻射的能量隨著物體的溫度升高而增加，其波長(zhǎng)范圍從紅外線到可見(jiàn)光，再到紫外線，取決于物體的溫度。熱輻射的物理本質(zhì)是：原子或分子中的電子在熱運(yùn)動(dòng)下躍遷到更高的能級(jí)，然后躍遷回較低的能級(jí)，并以光子的形式釋放能量。這些光子就是熱輻射。熱輻射的能量大小與原子或分子的溫度、種類(lèi)以及物體的表面性質(zhì)有關(guān)。黑體輻射定律1黑體完美吸收和發(fā)射所有波長(zhǎng)輻射的理想物體。2輻射強(qiáng)度黑體在特定溫度下輻射出的能量隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律。3維恩位移定律黑體輻射強(qiáng)度的峰值波長(zhǎng)與溫度成反比。4斯蒂芬-玻爾茲曼定律黑體輻射的總能量與溫度的四次方成正比。斯蒂芬-玻爾茲曼定律該定律指出，黑體輻射能與絕對(duì)溫度的四次方成正比。普朗克輻射定律描述黑體在特定溫度下發(fā)射出的電磁輻射能量與波長(zhǎng)之間的關(guān)系表達(dá)式Mλ=C1λ^-5/(e^(C2/λT)-1)應(yīng)用計(jì)算黑體輻射能量、分析輻射特性、研究輻射換熱夸爾斯定律1輻射強(qiáng)度描述了物體在特定方向上的輻射能量。2立體角表示物體表面積在單位球面上的投影面積。3方向性反映了物體輻射能量在不同方向上的分布?；殷w概念黑體黑體是指能夠完全吸收所有入射輻射的物體，其輻射特性只與溫度有關(guān)。灰體灰體是指其輻射特性與溫度和波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體，其吸收率和發(fā)射率都與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，但與溫度有關(guān)。灰體輻射特性吸收率反射率透射率灰體的輻射特性可以用吸收率、反射率和透射率來(lái)描述。不同物體的輻射特性不同物體的輻射特性取決于材料的性質(zhì)、表面狀況和溫度。例如，黑色物體比白色物體輻射能量更多；粗糙表面比光滑表面輻射能量更多；溫度越高，輻射能量也越大。輻射換熱的定義熱量傳遞方式輻射換熱是熱量傳遞的三種基本方式之一，其他兩種為對(duì)流換熱和傳導(dǎo)換熱。能量傳遞機(jī)制通過(guò)電磁波的形式，將熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，無(wú)需介質(zhì)參與。輻射換熱的表達(dá)式1基本公式q=σA(T14-T24)2考慮視因子q=σA1F12(T14-T24)3包含發(fā)射率q=σA1ε1F12(T14-T24)視因子的概念定義視因子表示兩個(gè)表面之間相互輻射能量的比例，即一個(gè)表面輻射出的總能量中，有多少能量到達(dá)了另一個(gè)表面。表示符號(hào)視因子通常用字母"F"表示，例如F1-2表示表面1到表面2的視因子。影響因素視因子主要受兩個(gè)表面的幾何形狀、相對(duì)位置和方向的影響。視因子的計(jì)算方法1直接計(jì)算法根據(jù)幾何關(guān)系直接計(jì)算2圖解法利用視因子圖解進(jìn)行求解3數(shù)值積分法利用計(jì)算機(jī)數(shù)值積分方法計(jì)算視因子的特點(diǎn)幾何形狀的影響視因子取決于物體的幾何形狀和相對(duì)位置。形狀越復(fù)雜，計(jì)算視因子越困難。相互性?xún)蓚€(gè)表面之間的視因子滿足相互性原理，即一個(gè)表面對(duì)另一個(gè)表面的視因子等于另一個(gè)表面對(duì)第一個(gè)表面的視因子乘以它們的面積之比?？偤鸵粋€(gè)表面對(duì)所有其他表面的視因子之和等于1，這意味著從一個(gè)表面發(fā)出的所有輻射都必須到達(dá)其他表面。輻射交換分析方法網(wǎng)絡(luò)法通過(guò)構(gòu)建輻射網(wǎng)絡(luò)圖，分析節(jié)點(diǎn)之間的輻射熱交換。角系數(shù)法利用幾何關(guān)系計(jì)算物體之間的輻射熱交換量。積分法基于輻射強(qiáng)度的積分方程，精確計(jì)算輻射熱交換。輻射與對(duì)流換熱的比較輻射傳熱通過(guò)電磁波傳遞熱量，不需要介質(zhì)。對(duì)流傳熱通過(guò)流體運(yùn)動(dòng)傳遞熱量，需要介質(zhì)。輻射傳熱在工業(yè)中的應(yīng)用輻射傳熱在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，例如：工業(yè)爐:用于金屬的加熱、熔化和熱處理。陶瓷燒制:高溫輻射用于燒制陶瓷產(chǎn)品。干燥設(shè)備:利用紅外輻射快速干燥物料。食品加工:輻射加熱用于食品的殺菌和烘烤。工業(yè)爐的輻射傳熱分析1熱量傳遞爐膛內(nèi)高溫氣體和爐壁間的輻射傳熱2溫度分布爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)和熱流分布3熱效率輻射傳熱對(duì)爐體熱效率的影響金屬表面的輻射特性高反射率金屬表面通常具有較高的反射率，這意味著它們反射的能量比吸收的能量更多。低發(fā)射率由于反射率高，金屬表面的發(fā)射率往往較低，這意味著它們輻射的能量也較少。表面狀態(tài)影響金屬表面的輻射特性會(huì)受到表面狀態(tài)的影響，例如表面粗糙度、氧化層和污染物的存在。涂層對(duì)輻射特性的影響反射率涂層材料的反射率決定了它反射多少熱輻射。高反射率的涂層可以有效地降低物體表面溫度。發(fā)射率涂層材料的發(fā)射率決定了它發(fā)射多少熱輻射。高發(fā)射率的涂層可以有效地增加物體表面溫度。熱阻涂層材料的熱阻決定了它阻擋多少熱量傳遞。高熱阻的涂層可以有效地降低熱量傳遞速率。輻射傳熱在建筑中的應(yīng)用建筑設(shè)計(jì)中，輻射傳熱是影響建筑物熱舒適性和能耗的重要因素之一。例如，玻璃幕墻建筑會(huì)吸收大量的太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致室內(nèi)溫度升高，增加空調(diào)負(fù)荷。合理的建筑設(shè)計(jì)，例如采用高反射率的建筑材料，可以有效減少太陽(yáng)輻射的吸收，降低室內(nèi)溫度，節(jié)約能源。溫室大棚的輻射換熱分析1太陽(yáng)輻射太陽(yáng)光通過(guò)透明棚膜進(jìn)入溫室，為作物提供熱量。2地面輻射溫室地面吸收太陽(yáng)輻射，并向棚膜和作物輻射熱量。3棚膜輻射棚膜吸收部分太陽(yáng)輻射，并向溫室內(nèi)部輻射熱量。4作物輻射作物吸收部分太陽(yáng)輻射，并向周?chē)h(huán)境輻射熱量。人體的輻射熱交換人體輻射人體是一個(gè)不連續(xù)的輻射體，其輻射特性受皮膚溫度、表面積和發(fā)射率的影響。環(huán)境輻射周?chē)h(huán)境也會(huì)向人體輻射熱量，其溫度和表面積影響輻射熱交換。輻射平衡人體的熱平衡取決于輻射熱量的吸收和釋放，在不同環(huán)境溫度下，輻射熱交換起著重要的作用。環(huán)境中輻射傳熱的分析環(huán)境因素輻射傳熱的影響太陽(yáng)輻射地面和物體吸收太陽(yáng)輻射，升溫大氣層輻射大氣層對(duì)地表輻射的吸收和再輻射，影響地表溫度云層影響云層對(duì)太陽(yáng)輻射和地面輻射的反射和吸收，影響地表溫度建筑物和地面建筑物和地面之間相互輻射，影響室內(nèi)和室外溫度太陽(yáng)能的輻射特性光譜分布太陽(yáng)輻射主要集中在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域，波長(zhǎng)范圍為0.3-3微米。能量強(qiáng)度太陽(yáng)輻射的能量強(qiáng)度取決于太陽(yáng)高度角和大氣衰減，在地球表面通常為1000瓦/平方米。方向性太陽(yáng)輻射是方向性的，它從太陽(yáng)方向傳播，并隨著太陽(yáng)高度角的變化而變化。地球大氣層的輻射平衡30溫度地球平均氣溫約為15攝氏度。70吸收大氣層吸收了約70%的太陽(yáng)輻射。30反射大氣層反射了約30%的太陽(yáng)輻射。溫室效應(yīng)和全球變暖1大氣層中的溫室氣體二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等溫室氣體可以吸收地球表面釋放的紅外輻射，導(dǎo)致地球溫度升高。2人類(lèi)活動(dòng)的影響化石燃料燃燒、森林砍伐等人類(lèi)活動(dòng)增加了溫室氣體排放，加劇了溫室效應(yīng)。3全球變暖的危害海平面上升、極端天氣事件增多、生物多樣性減少等，對(duì)人類(lèi)社會(huì)和自然生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅。結(jié)論與展望熱輻射