第8章热辐射1.ppt

传传 热热 学学 第第8章章 热辐射与辐射传热的计算热辐射与辐射传热的计算 本章内容：本章内容：介绍介绍热辐射的基本概念，多个理想物体，黑体热辐射的几个基本定律热辐射的基本概念，多个理想物体，黑体热辐射的几个基本定律（斯忒藩（斯忒藩-玻耳兹曼定律、普朗克定律、兰贝特定律、维恩位移定律）及玻耳兹曼定律、普朗克定律、兰贝特定律、维恩位移定律）及黑黑体辐射函数表体辐射函数表的应用；的应用；实际物体的发射与吸收实际物体的发射与吸收以及联系物体发射率与吸收比的以及联系物体发射率与吸收比的基尔霍夫定律基尔霍夫定律。在辐射传热的计算中介绍了在辐射传热的计算中介绍了角系数角系数的定义、性质及计算方法，有效辐的定义、性质及计算方法，有效辐射射和漫射灰表面间的和漫射灰表面间的辐射传热计算辐射传热计算，辐射热阻的单元网络，辐射热阻的单元网络，分析了辐射传热的分析了辐射传热的强化与削弱方法强化与削弱方法及及遮热板遮热板的原理及应用的原理及应用。8.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念8.1.1 电磁波的波谱和热辐射的特点电磁波的波谱和热辐射的特点 辐射辐射是电磁波传递能量的现象。是电磁波传递能量的现象。由于热的原因而产生的电磁波辐射称为由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射热辐射。热辐射的电磁波热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。出来的。任何物体，只要任何物体，只要温度高于温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐，就会不停地向周围空间发出热辐射；射；伴随能量形式的转变伴随能量形式的转变。辐射传热辐射传热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。各种电磁波都以光速在空间传播，这是各种电磁波都以光速在空间传播，这是电磁辐射的共性电磁辐射的共性，热辐射也不，热辐射也不例外。例外。电磁波的速率、波长和频率存在如下关系：电磁波的速率、波长和频率存在如下关系：式中：式中：c 电磁波的传播速率，在真空中电磁波的传播速率，在真空中 ，在大气中的传播，在大气中的传播速率略低；速率略低；f 电磁波的频率，电磁波的频率，s-1；波长，单位为波长，单位为m，常用单位为，常用单位为 m（微米），（微米），1 m=10-6m。fc 83 10/cm s 电磁波的波谱电磁波的波谱 电磁辐射包含了多种形式，如图电磁辐射包含了多种形式，如图8-1所示，所示，电磁波的波长包括从电磁波的波长包括从零到无穷大的范围零到无穷大的范围。图图8-1 电磁波的波谱电磁波的波谱 从理论上说，物体热辐射的波长可以包括整个波谱，即波长从零到从理论上说，物体热辐射的波长可以包括整个波谱，即波长从零到无穷大。无穷大。在在工业上所遇到的温度范围内工业上所遇到的温度范围内，即，即2000K以下，有实际意义的热辐以下，有实际意义的热辐射波长位于射波长位于 之间，且大部分能量位于红外线区段之间，且大部分能量位于红外线区段 的的范围内，范围内，在在可见光区段可见光区段，即波长，即波长 的区段，热辐射的比重不大。的区段，热辐射的比重不大。太阳辐射太阳辐射的主要能量集中在的主要能量集中在 的波长范围，其中可见光区段的波长范围，其中可见光区段占了很大比重。占了很大比重。如果把太阳辐射包括在内，如果把太阳辐射包括在内，热辐射的波长区段可放宽为热辐射的波长区段可放宽为 。0.38 100 m0.7620 m0.380.76 m0.22 m0.1 100 m举例：举例：近红外线近红外线远红外线远红外线微波微波8.1.2 物体表面对热辐射的作用物体表面对热辐射的作用1.吸收比、反射比吸收比、反射比和穿透比：穿透比：当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射即吸收、反射和穿透和穿透，如图，如图8-2所示。所示。QQQQ1QQQQQQ或或 图图8-2 物体对热辐射的物体对热辐射的吸收、反射和穿透吸收、反射和穿透 能量百分数能量百分数 、和和 分别称分别称为为该物体对投入辐射的吸收比、反射比和穿该物体对投入辐射的吸收比、反射比和穿透比透比：QQQ QQQ1对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：1,01,0反射又分反射又分镜面反射和漫反射镜面反射和漫反射两种两种气体对辐射能几乎没有反射能力：气体对辐射能几乎没有反射能力：2.固体表面的两种反射固体表面的两种反射图图8-3 镜面反射镜面反射图图8-4 漫反射漫反射 3.理想物体理想物体透明体、白体和镜体、黑体透明体、白体和镜体、黑体 不同物体的热辐射差别很大，热辐射的计算很困难。为使问题简不同物体的热辐射差别很大，热辐射的计算很困难。为使问题简化，定义一些理想物体。化，定义一些理想物体。1)透明体透明体：穿透比穿透比 =1的物体。的物体。完全的透明体是不存在的，在一定条件下，玻璃材料对于可见光、完全的透明体是不存在的，在一定条件下，玻璃材料对于可见光、对于红外线，可视为透明体。对于红外线，可视为透明体。2）白体和镜体白体和镜体：反射比反射比=1的物体称为的物体称为白体（具有漫反射的表面）或镜体（具有镜反白体（具有漫反射的表面）或镜体（具有镜反射的表面）。射的表面）。u镜反射镜反射：反射角等于入射角。：反射角等于入射角。u漫反射漫反射：被反射的反射能在物体表面上方空间各个方向上均匀分布。：被反射的反射能在物体表面上方空间各个方向上均匀分布。物体表面对热辐射的反射情况取决于物体表面粗糙程度和投入辐射能的物体表面对热辐射的反射情况取决于物体表面粗糙程度和投入辐射能的波长。波长。漫反射的自身辐射也是漫发射的，而镜反射的自身辐射也是镜发射的。漫反射的自身辐射也是漫发射的，而镜反射的自身辐射也是镜发射的。绝大多数工程材料在工业温度范围（小于绝大多数工程材料在工业温度范围（小于2000K）内对热辐射的反射近）内对热辐射的反射近似于漫反射似于漫反射。3）黑体：）黑体：当吸收比当吸收比 =1时，所有投入辐射能量全部被物体吸收，称为时，所有投入辐射能量全部被物体吸收，称为绝对黑体绝对黑体（简称黑体）。（简称黑体）。黑体将所有投射到它表面上的一切波长（黑体将所有投射到它表面上的一切波长（=0 m）和所有方向）和所有方向上的辐射能全部吸收。上的辐射能全部吸收。在所有物体中，黑体吸收热辐射的能力最强。在所有物体中，黑体吸收热辐射的能力最强。黑体用来作为比较实际物体发射辐射能的标准。黑体用来作为比较实际物体发射辐射能的标准。黑体是一种理想物体，在自然界中是不存在的。黑体是一种理想物体，在自然界中是不存在的。人工黑体的模型。人工黑体的模型。图图8-4 黑体模型黑体模型8.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律8.2.1 辐射力和辐射强度辐射力和辐射强度 1）辐射力）辐射力E 单位时间内单位辐射面积向其上半球空间所有方向发射出去的全部波长单位时间内单位辐射面积向其上半球空间所有方向发射出去的全部波长范围内的辐射总能量称为范围内的辐射总能量称为辐射力辐射力，单位为，单位为W/m2。图图8-5 半球空间图示半球空间图示2）光谱辐射力）光谱辐射力E 单位时间内物体单位辐射面积向其上半球空间所有方向发射出去的单位时间内物体单位辐射面积向其上半球空间所有方向发射出去的在包含波长在包含波长 在内的单位波长内的能量称为在内的单位波长内的能量称为光谱辐射力光谱辐射力（单色辐射（单色辐射力），单位为力），单位为W/(m2 m)。表征了物体某一波长辐射能力的大小，用来描述辐射能量随波长的表征了物体某一波长辐射能力的大小，用来描述辐射能量随波长的分布特征。分布特征。在热辐射的整个波谱内，不同波长发射出的辐射能是不同的。在热辐射的整个波谱内，不同波长发射出的辐射能是不同的。EE d0（8-5）3）定向辐射强度）定向辐射强度u 立体角的概念立体角的概念图图8-6 微元立体角与半球空间几何参数的关系微元立体角与半球空间几何参数的关系ddrdrrddAcsinsin2ddrdAdcsin2（8-6）（8-7）u 定向辐射强度定向辐射强度：单位时间内物体单位辐射面积向半球空间：单位时间内物体单位辐射面积向半球空间方向上单位方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量，用符号立体角内辐射的所有波长的辐射能量，用符号I表示，单位是表示，单位是W/(m2 Sr)。辐射强度表示空间中任意位置（点）的辐射能的强度（能量密度）。辐射强度表示空间中任意位置（点）的辐射能的强度（能量密度）。注意：辐射力是以发射物体的单位面积作为计算依据，而辐射强度是以注意：辐射力是以发射物体的单位面积作为计算依据，而辐射强度是以垂直于发射方向的单位投影面积作为计算依据。垂直于发射方向的单位投影面积作为计算依据。图图8-10 可见面积示意图可见面积示意图 cosdIdAd IdAddcos8-8(a)8-8(b)8.2.2 斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 黑体的辐射力与热力学温度（黑体的辐射力与热力学温度（K）的关系：）的关系：式中，式中，称为称为黑体辐射常数黑体辐射常数，其值为，其值为5.6710-8W/(m2 K4)；C0称为黑体称为黑体辐射系数，其值为辐射系数，其值为5.67 W/(m2 K4)，下角码，下角码b表示黑体。表示黑体。斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律说明黑体的辐射力玻耳兹曼定律说明黑体的辐射力Eb与热力学温度与热力学温度T的四次方的四次方成正比，故又称为成正比，故又称为四次方定律四次方定律。四次方定律表明，随着温度的上升，辐。四次方定律表明，随着温度的上升，辐射力激剧增加。射力激剧增加。404100TCTEb（8-9）8.2.3 普朗克定律和维恩位移定律普朗克定律和维恩位移定律 黑体的光谱辐射力黑体的光谱辐射力Eb 与热力学温度与热力学温度T、波长、波长 之间的函数关系，称之为之间的函数关系，称之为普朗克定律普朗克定律：式中，式中，Eb 黑体的光谱辐射力，黑体的光谱辐射力，W/m3；波长，波长，m；T 黑体热力学温度，黑体热力学温度，K；C1 普朗克第一常数，普朗克第一常数，C1=3.741910-16 W m2；C2 普朗克第二常数，普朗克第二常数，C2=1.438810-2 m K。1251bT/CeCE（8-10）图图8-8 黑体的光谱辐射力黑体的光谱辐射力 不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化如图不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化如图8-8所示。所示。可以看出，可以看出，黑体的光谱辐射力随波长和温度的变化具有下述特点黑体的光谱辐射力随波长和温度的变化具有下述特点：(1)温度愈高，同一波长下的光谱辐射力愈大；温度愈高，同一波长下的光谱辐射力愈大；(2)一定的温度下，黑体的光谱辐射力随波长连续变化，并在某一波一定的温度下，黑体的光谱辐射力随波长连续变化，并在某一波长下具有最大值；长下具有最大值；(3)随着温度的升高，光谱辐射力取得最大值的波长随着温度的升高，光谱辐射力取得最大值的波长 max愈来愈小，愈来愈小，即在即在 坐标中的位置向短波方向移动。坐标中的位置向短波方向移动。在温度不变的情况下，由普朗克定律表达式求极值，可以确定黑体的在温度不变的情况下，由普朗克定律表达式求极值，可以确定黑体的光谱辐射力取得最大值的波长光谱辐射力取得最大值的波长 max与热力学温度与热力学温度T之间的关系为之间的关系为:此关系式称为此关系式称为维恩（维恩（Wien）位移定律）位移定律。33max2.8976 102.9 10Tm K（8-11）根据维恩位移定律，可以确定任一温度下黑体的光谱辐射力取得最大根据维恩位移定律，可以确定任一温度下黑体的光谱辐射力取得最大值的波长。值的波长。加热炉中铁块升温过程中颜色的变化也能体现黑体辐射的特点加热炉中铁块升温过程中颜色的变化也能体现黑体辐射的特点：当铁块的温度低于当铁块的温度低于800K时，所发射的热辐射主要是红外线，人的眼睛时，所发射的热辐射主要是红外线，人的眼睛感受不到，看起来还是暗黑色的，随着温度的升高，铁块的颜色逐渐变为感受不