材料科学基础(热工设备)

材料工程基础及设备媒体课件12019/10/4第三章传热学第一节概述第二节热传导第三节对流传热第四节热辐射第五节传热过程与换热器材料工程基础及设备媒体课件第三章传热学第四节热辐射材料工程基础及设备媒体课件32019/10/4第三章传热学—第四节热辐射4.1热辐射的基本概念4.2黑体辐射的基本定律4.3实际固体和液体的辐射特性4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律4.5角系数的定义、性质及计算4.6两固体表面间的辐射换热4.7辐射换热的强化与削弱4.8气体辐射材料工程基础及设备媒体课件42019/10/44.1热辐射的基本概念１.定义：辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量懂的过程。２.特点a任何物体只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；材料工程基础及设备媒体课件52019/10/44.1热辐射的基本概念材料工程基础及设备媒体课件62019/10/44.1热辐射的基本概念２.特点b不需要介质，可以在真空中传播；c伴随能量形式的转变d具有强烈的方向性e辐射能与温度和波长均有关；材料工程基础及设备媒体课件72019/10/411QQQQQQQQQQtrtr3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透吸收率absorptivity透过率transmissivity反射率reflectivity4.1热辐射的基本概念材料工程基础及设备媒体课件82019/10/4对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：镜体或白体：透明体：1111,01,014.1热辐射的基本概念材料工程基础及设备媒体课件92019/10/4反射又分镜反射和漫反射两种镜反射漫反射4.1热辐射的基本概念材料工程基础及设备媒体课件102019/10/44.透热体、白体与黑体黑体：能全部吸收辐射能的物体α=1；白体：能全部反射辐射能的物体ρ=1；透热体：能全部透过辐射能的物体τ=1；灰体：能以相同的吸收率α，吸收全部波长辐射能的物体。工业上，多数物体都可近似视为灰体4.1热辐射的基本概念材料工程基础及设备媒体课件112019/10/41.黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。黑体模型4.2黑体辐射的基本定律材料工程基础及设备媒体课件122019/10/4（１）辐射力E(W/m2)：单位时间内，物体单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。2.热辐射能量的表示方法dAdQE4.2黑体辐射的基本定律材料工程基础及设备媒体课件132019/10/4dAdQddAdQE2（２）单色辐射力Eλ(W/m3)：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体单位表面积向半球空间发射的能量。4.2黑体辐射的基本定律材料工程基础及设备媒体课件142019/10/4E、Eλ关系:dEE0黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的单色辐射力为Ebλ4.2黑体辐射的基本定律材料工程基础及设备媒体课件152019/10/4dAdQdE2微元立体角d（３）方向辐射力Eφ(W/m2Sr)：方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在半球空间中的分布特征，其定义为单位时间单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。4.2黑体辐射的基本定律材料工程基础及设备媒体课件162019/10/4球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)。ddsindfd2r立体角定义：d4.2黑体辐射的基本定律材料工程基础及设备媒体课件172019/10/4定义：单位时间内，物体在垂直发射方向单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量。dcosd2dAQI（４）定向辐射强度Ｉ：4.2黑体辐射的基本定律材料工程基础及设备媒体课件182019/10/43.黑体辐射的基本定律及相关性质(1)斯蒂芬stefan—波尔兹曼Boltzmann定律Eb——绝对黑体辐射力，W/m2；T——黑体的热力学温度K，σ——玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为5.67×10-8W/m2.k4。4.2黑体辐射的基本定律4bET材料工程基础及设备媒体课件192019/10/43.黑体辐射的基本定律及相关性质(1)斯蒂芬stefan—波尔兹曼Boltzmann定律Cb为黑体的辐射系数，其数值为5.669W/m2.K4黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比——四次方定律4.2黑体辐射的基本定律4100bbTEC材料工程基础及设备媒体课件202019/10/43.黑体辐射的基本定律及相关性质(1)斯蒂芬stefan—波尔兹曼Boltzmann定律黑度ε：同一温度下，实际物体与黑体的辐射能力之比。只与物体本身的情况有关，与外界的情况无关，实验测定。4.2黑体辐射的基本定律4b424EEEETC100TC100C5669W/(mK)bb.灰体的辐射系数材料工程基础及设备媒体课件212019/10/41)(512TcbecE式中，λ—波长，m；T—黑体温度，K；c1—第一辐射常数，3.742×10-16Wm2；c2—第二辐射常数，1.4388×10-2ｍK；(2)Planck定律(第一个定律)：黑体单色辐射力3.黑体辐射的基本定律及相关性质4.2黑体辐射的基本定律材料工程基础及设备媒体课件222019/10/4Planck定律的图示4.2黑体辐射的基本定律材料工程基础及设备媒体课件232019/10/4KmTm3108976.2（3）Wien位移定律(第二个定律)反映出黑体温度越高其单色辐射力最大值所对应的波长越短的黑体辐射特征，也就是黑体温度越高能量分布就越向波长短方向集中的特征。4.2黑体辐射的基本定律材料工程基础及设备媒体课件242019/10/4(4)Stefan-Boltzmann定律(第三个定律)：40)(51012TdecdEETcbb式中，σ=5.67×10-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。4.2黑体辐射的基本定律材料工程基础及设备媒体课件252019/10/421dEEbb黑体辐射函数：反映黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力特定波长区段内的黑体辐射力△Ｅｂ4.2黑体辐射的基本定律材料工程基础及设备媒体课件262019/10/4(5)Lambert定律(第四个基本定律)bbIEIEconstI.cosLambert定律也称为余弦定律。4.2黑体辐射的基本定律例题p173ex3.6材料工程基础及设备媒体课件272019/10/41.辐射率黑体的辐射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；真实物体表面的辐射能力低于同温度下的黑体；辐射率(也称为黑度)：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:4TEEEb4.3实际固体和液体的辐射特性材料工程基础及设备媒体课件282019/10/4灰体△单色发射能力Eλ：W/m2指：一定温度下，单位时间，单位面积上，物体发射的某一波长的总能量。△黑体的发射能力Eb：△灰体对任何波长：dEE00dEEbbconstEEb4.3实际固体和液体的辐射特性材料工程基础及设备媒体课件292019/10/4２.实际物体的辐射与黑度随方向和光谱变化WavelengthBlackbodyRealsurface4000)(TdEdEdTEEEbbb实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:4.3实际固体和液体的辐射特性材料工程基础及设备媒体课件302019/10/4bbIIEE实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：bEE实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：该值为常数时，为漫发射4.3实际固体和液体的辐射特性材料工程基础及设备媒体课件312019/10/4实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱灰体4.3实际固体和液体的辐射特性材料工程基础及设备媒体课件322019/10/4Semi-transparentmedium当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？4.3实际固体和液体的辐射特性材料工程基础及设备媒体课件332019/10/41.投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能2.选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸收4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律材料工程基础及设备媒体课件342019/10/43.吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表示，即)(投入辐射投入的能量吸收的能量4.光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。能量投入的某一特定波长的能量吸收的某一特定波长的),(1T4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律材料工程基础及设备媒体课件352019/10/4金属导电体的光谱吸收比同波长的关系4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律材料工程基础及设备媒体课件362019/10/4非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律材料工程基础及设备媒体课件372019/10/4灰体灰体是指物体单色辐射力与同温度黑体单色辐射力随波长的变化曲线相似，或它的单色发射率不随波长变化的物体；光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比都是同一个常数。4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律材料工程基础及设备媒体课件382019/10/4物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比为)21,,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性质表面的性质，表面投入的总能量吸收的总能量TTfTETTETTbb4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律材料工程基础及设备媒体课件392019/10/4)1,,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性质表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律2(,)1bT如果投入辐射来自黑体，由于上式变为：材料工程基础及设备媒体课件402019/10/4物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律材料工程基础及设备媒体课件412019/10/4(1)灰体法，即将光谱吸收比()等效为常数，即=()=const。并将()与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；(2)谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律材料工程基础及设备媒体课件422019/10/4投入辐射与吸收辐射二者之间的联系：bbEEEE板1时黑体，板2是任意物体，参数分别为Eb,T1以及E,,T2，则当系统处于热平衡时，有4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律材料工程基础及设备媒体课件432019/10/4灰体黑体EEb(1-α)EbEbαEEbEE:b灰体传热平衡时4.4实际固体