重科大熱工基礎(chǔ)課件第2章 熱量傳輸?shù)?講 輻射換熱基本概念和基本定律

第八講一、本課的基本要求：3.熱輻射的基本定律：普朗克定律的表達(dá)式、物理意義；維恩位移定律的表達(dá)式及物理意義；四次方定律的表達(dá)式、物理意義。1.

熱輻射的本質(zhì)及特點(diǎn)。2.

輻射強(qiáng)度與輻射能力的含義。4.灰體、黑度的基本概念及影響黑度的主要因素。5.基爾霍夫定律的兩種表達(dá)式及物理意義。第二章熱

量

傳

輸輻射換熱基本概念和基本定律二、本課的重點(diǎn)、難點(diǎn)：

2.熱輻射的基本定律既是本課的重點(diǎn)又是本課的難點(diǎn)。

1.本課的重點(diǎn)是熱輻射的特點(diǎn)。第二章熱

量

傳

輸§2.4輻射換熱

2.4.1熱輻射的基本概念

1.熱輻射的本質(zhì)

(1)輻射：物體以電磁波的方式向外傳遞熱量的過(guò)程。(2)輻射能：物體以電磁波的方式向外傳遞的能量。通常以輻射表示輻射能。第二章熱

量

傳

輸(3)熱輻射：因熱引起的電磁波輻射稱為熱輻射。它是由物體內(nèi)部微觀粒子在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)所激發(fā)出來(lái)的。(4)能量轉(zhuǎn)換：內(nèi)能

輻射能

輻射能

內(nèi)能

A物體（發(fā)射）B物體（吸收）第二章熱

量

傳

輸(6)電磁波的速率、波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系：

c=

電磁波的特性取決于波長(zhǎng)或頻率。在熱輻射分析中通常用波長(zhǎng)來(lái)描述電磁波。(5)輻射換熱：是指物體之間相互輻射和吸收過(guò)程的總效果。當(dāng)物體的溫度處于平衡時(shí)，則它們之間輻射和吸收的能量相等，處于熱的動(dòng)平衡狀態(tài)。(7)電磁波的波譜如書(shū)上157頁(yè)圖2-4-1第二章熱

量

傳

輸熱射線的本質(zhì)決定了熱輻射過(guò)程有如下特點(diǎn)：（1）它是依靠電磁波向物體傳輸熱量，而不是依靠物質(zhì)的接觸來(lái)傳遞熱量。（2）輻射換熱過(guò)程中伴隨著能量的兩次轉(zhuǎn)換：物體的內(nèi)能

輻射能；（接受）輻射能

（轉(zhuǎn)換）內(nèi)能（3）一切物體只要其溫度T>0K，都在不斷發(fā)射熱射線。電磁波具有波粒二象性。第二章熱

量

傳

輸2.輻射能的吸收、反射、透射熱射線與光的特性相同，所以光的投射、反射、折射規(guī)律對(duì)熱射線也同樣適用。如圖示：Q

Qr

Qa

Qd

第二章熱

量

傳

輸根據(jù)能量守恒定律有：r——反射率；a——吸收率；d——透過(guò)率。第二章熱

量

傳

輸當(dāng)吸收率a=1時(shí)，表明物體能將投射到它表面的熱射線全部吸收，稱為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體。

當(dāng)反射率r=1時(shí)，表明物體能將投射到它表面的熱射線全部反射出去，稱為絕對(duì)白體，簡(jiǎn)稱白體。當(dāng)是鏡反射（入射角=反射角）則稱鏡體。第二章熱

量

傳

輸當(dāng)d=1時(shí)，稱為絕對(duì)透明體，簡(jiǎn)稱透明體，又稱介熱體、透熱體。應(yīng)該指出：上面所說(shuō)的黑體、白體、透明體均是對(duì)熱射線而言，而不是對(duì)可見(jiàn)光而言。第二章熱

量

傳

輸?shù)诙聼?/p>

量

傳

輸黑體模型3.輻射強(qiáng)度和輻射能力（1）輻射強(qiáng)度：指表面朝向某個(gè)給定方向，對(duì)垂直于該方向的單位面積、在單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的能量，用I表示。單位為W/m2

Sr

。若輻射能力僅指某波長(zhǎng)

下波長(zhǎng)間隔d

范圍內(nèi)所射的能量，則稱單色輻射強(qiáng)度。用I

表示。單位為W/m2

m

Sr。第二章熱

量

傳

輸（2）輻射能力：發(fā)射輻射能的物體，每單位面積、單位時(shí)間內(nèi)向半球體空間所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能量，用E表示。單位為W/m2。若輻射能力僅指某波長(zhǎng)

下波長(zhǎng)間隔d

范圍內(nèi)所射的能量，則稱單色輻射能力。用E

表示。單位為W/m2

m。第二章熱

量

傳

輸?shù)诙聼?/p>

量

傳

輸2.4.2熱輻射的基本定律1.普朗克定律Eb

=

/

e(C2/

T)

C1——普朗克第一常數(shù)C2——普朗克第二常數(shù)第二章熱

量

傳

輸普朗克定律的特點(diǎn)：（1）黑體的輻射光譜是連續(xù)的；（2）

和

時(shí)，Eb

皆為零，所以有極值Emax存在；（3）T越高則Eb

越大且

max向短波方向移動(dòng)。維恩偏移定律可表明它們的關(guān)系為：T

max=2897.6

mK第二章熱

量

傳

輸2.斯梯芬——波爾茲曼定律（四次方定律）

四次方定律不僅指出了黑體只要絕對(duì)溫度不為零就具有輻射能力，還表明了高溫和低溫輻射能力的顯著差異。第二章熱

量

傳

輸3.基爾霍夫定律（1）灰體及黑度實(shí)際物體的單色輻射能力隨波長(zhǎng)及溫度的變化是不規(guī)則的，并不服從普朗克定律。A.實(shí)際物體的單色輻射能力與同溫度下黑體單色輻射能力之比稱為該物體的單色發(fā)射率或叫單色黑度以

表示。則

=E

/Eb

第二章熱

量

傳

輸?shù)诙聼?/p>

量

傳

輸B.實(shí)際物體的輻射能力與同溫度下黑體輻射能力之比稱為該物體的發(fā)射率或叫黑度以

表示。則

=E/Eb

C.若某一物體，其單色黑度不隨波長(zhǎng)而變化，則該物體被稱為灰體。即

=

f(

)第二章熱

量

傳

輸灰體是一個(gè)理想的概念，自然界中并不存在灰體。但很多工程材料在紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)可以近似地作為灰體處理。由此引起的誤差都用黑度來(lái)加以修正。

D.影響黑度的因素

物體的材料、表面狀況、輻射方向物體的溫度第二章熱

量

傳

輸（2）基爾霍夫定律定義一：任一物體的輻射能與其吸收率的比值皆等于同溫度下黑體的輻射能力。

E/a=Eba=E/Eb第二章熱

量

傳

輸定義二：平衡條件下物體的吸收率在數(shù)值上等于其黑度。注意：兩者的概念并不相同。

對(duì)于黑體a=

=1；一般物體，a<1，所以

<1。對(duì)于灰體，黑度和吸收率都是常數(shù)；工程材料黑度不是常數(shù)但用它代替吸收率并視為常數(shù)將使計(jì)算大大簡(jiǎn)化。第二章熱

量

傳

輸4.輻射能在空間分布的規(guī)律

（1）距離平方定律

點(diǎn)熱源：若輻射源的面積比起距離來(lái)小得可以忽略不計(jì)時(shí)，則稱為點(diǎn)熱源。點(diǎn)熱源的照射力與兩者距離的平方成反比，這個(gè)定律就是距離平方定律。

E=Q/4

r2

若輻射源

的尺寸比起傳播距離來(lái)不可忽略時(shí)，則上述定律不能適用。第二章熱

量

傳

輸（2）蘭貝特定律——余弦定律定義：黑體圓面積dA1向圓面積dA2方向所輻射的能量等于沿dA1法線方向發(fā)射的輻射能dQn，dA2所對(duì)應(yīng)的立體角d

以及表面dA1和dA2相對(duì)位置的余弦cos

1三者的乘積。定義式：第二章