工程热力学与传热学16)热辐射与辐射换热

第十六章热辐射和辐射换热第一节热辐射的基本概念一、辐射和热辐射辐射：从宏观的角度、辐射是连续的电磁波传递能量的过程；从微观的角度，辐射是不连续的量子传递能量的过程。因此，物体向外界以电磁波的形式发射携带能量的量子的过程称为辐射。辐射能：通过辐射所传递的能量称为辐射能(也把辐射这个术语用来表明辐射能本身)。热辐射：通常把物质由于自身与温度有关的原因而激发产生的电磁波传播称为热辐射。任何物体在绝对零度以上都能发射出电磁波。物质可对外发射从零到无穷大的任何波长的电磁波，激发方式不同，所产生的电磁波波长就不相同，它们投射到物体上产生的效应也不同。热射线：0.1μm—100μm；可见光：0.38μm—0.76μm热辐射是电磁波多种辐射形式的一种，所有电磁辐射都以光速进行传播，其值等于辐射波长与频率的乘积：c＝λν(16-1)式中c——λ——ν——频率。热辐射的传播是以不连续的量子形式进行的，每个量子的能量为：E＝hν(16-2)式中h—普朗克常数，其值为6.6256×10-34J·S。辐射换热：物体之间相互辐射和相互吸收过程的总效果，称为辐射换热。特点：1、不依靠物体间相互接触而进行热量传递，只要彼此可见的物体就能互相进行热辐射。2、辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体的部分内能转化为辐射能发射出去，当射及另一物体表面而被吸收时，辐射能又转化为该物体的内能。3、辐射换热过程中，高温物体向低温物体辐射能量的同时，低温物体也向高温物体辐射能量，热辐射是双向的。能量最终由高温物体传向低温物体。二、辐射能的吸收、反射和透射各种辐射射线都是电磁波，因而它们之间并无绝对的对立，可见光与不可见的热射线也无本质的区别。当热辐线投射到物体上时，和可见光一样也有吸收，反射和透射现象发生。根据能量守恒原则：Gα＋Gρ＋Gτ＝GGα/G＋Gρ/G＋Gτ/G＝1其中：Gα/G、Gρ/G、Gτ/G分别称为该物体对投射辐射的吸收率，反射率和透射率依次用符号α、ρ、τ表示，即有：α＋ρ＋τ＝1(16-3a)单色辐射：在某个特定波长下的辐射称为单色辐射，如果投射能量是单色辐射，上述关系也同样适用。αλ＋ρλ＋τλ＝１(16-3b)式中:αλ、ρλ、τλ分别为单色吸收率、单色反射率和单色透射率。α、ρ、τ和αλ、ρλ、τλ是物体表面的辐射特性，与物体的性质、温度及表面状况有关。α、ρ、τ还和投射能量的波长分布有关。固体和液体不允许热辐射透过。透射率τ＝０，即α＋ρ＝１。即：吸收能力大的物体其反射本领就小；反之吸收能力小的物体其反射本领就大。气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反射率ρ＝０，即α＋τ＝１。显然，吸收性大的气体，其穿透性就差。多原子气体才具有吸收能力。固体和液体物体表面状况对这些特性的影响是至关重要的。辐射能投射到物体表面后的反射现象，也和可见光一样有镜面反射和漫反射两种情况。当表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于投射辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角等于反射角。当表面不平整尺寸（表面粗糙度）大于投射辐射的波长时，入射射线被反射后沿各个方向均匀分布、形成漫反射。一般工程材料的表面大都形成漫反射。自然界所有物体的吸收率α，反射率ρ和透射率τ的数值都在0到1的范围内变化，每个量的数值又因具体条件不同而千差万别。为了使问题简化，可以从理想物体入手进行研究。黑体：如果物体能全部吸收外来辐射线，则称为黑体，即α＝１；白体：如果物体全部反射外来射线，则不论镜面反射或漫反射均称为白体，即ρ＝１；透明体：如果物体能被外来射线所全部透射，则称为透明体，即τ＝１。自然界中并不存在绝对的黑体、白体和透明体，它们只是实际物体热辐射性能的理想模型。但也存在接近理想模型的实际物体，如吸收力很强的煤烟炱和黑丝绒等，α≈0.97；高度磨光的纯金ρ＝０.９８黑体、白体和透明体都是对全波长射线而言的。不能按物体的颜色来判断（可见光只是全波长射线中的一小部分），白颜色的的物体不一定是白体。例如雪对可见光吸收率很小，但对全波长射线其吸收率α≈0.98，非常接近黑体；白布和黑布对可见光的吸收率不同，但对红外线的吸收率基本相同，普通玻璃能透过可见光，对λ＞3μm的红外线几乎是不透明体。因此，物体对外来辐射的吸收和反射能力是和物体的性质、表面状况、所处温度和发射物体的温度有关。三、辐射强度和辐射力辐射强度是物体表面朝向某给定方向，对垂直于该方向的单位面积，在单位时间单位立体角内所发射全波长的能量，用符号Ⅰ表示，它的单位是W／(m２·Sr)。Sr是立体角的单位称为球面度。若辐射强度仅指某波长λ下波长间隔dλ范围内所发射的能量，则称为单色辐射强度，用符号Iλ表示，单位是W／(m２·μm·Sr)ddIIdII或0辐射力是物体参与辐射的单位表面积在单位时间内向半球空间辐射出去的0～∞波长范围内的总能量，用符号E表示，单位是W／m２。单色辐射力指若辐射力仅指某波长λ下波长间隔dλ范围内所发射的能量。用符号Eλ表示，单位是W／(m２·μm)，ddEEdEE或0第二节热辐射基本定律黑体作为理想辐射体，能够吸收来自半球各个方向各种波长的全部能量。黑体吸收率最大，辐射力亦最强，是一个理想化的物体。此后凡与黑体辐射有关的物理量，均以右下角标“b”表示。一、普朗克定律(黑体辐射按波长分布的规律)普朗克定律即黑体单色辐射力Ebλ与波长λ和物体表面绝对温度T之间的函数关系式：(16-9)其中：C1=3.743×108w·μm4/m2C2=1.4387×104μmK)./(12)/(512mmWeCETcb维恩位移定律德国物理学家维恩在1896年用经典热力学方法确定了Ebλ为最大值时的波长λmax与温度T之间的关系：λmax·T＝2897.6μm·K(16-10)二、斯蒂芬—玻尔兹曼定律上式说明：黑体的单位表面积上在单位时间内发出的(包括全波长范围的)热辐射总能量，和它的绝对温度四次方成正比。这就是斯蒂芬-玻尔兹曼定律，亦称四次方定律。2440)/(510/)100(12mWTcTdeCdEEbbTcbb波段辐射力:波段区间的辐射能。(16-12a)Fb(λ１－λ２）:波段辐射力占同温度下黑体辐射力Eb的百分数。(16-12b)dEEbb2121)(11)10()20()21()10()20(122121)21(400440bbbbbbbbbbbbbbFFTEFFdEdETdETdEdEF)()1()(2515TfeTcTETcb()(0)(0)1221()(0)(0)12214()TTTTbbbbbbbFFFETFF例8-2试求当温度为2000K时黑体最大的单色辐射力所对应的波长；此时可见光与红外线在总辐射中所占份额各为多少?解：应用式(16-10)，该黑体最大的辐射力所对应的波长λmax为：λmax＝2897.6/2000＝1.4488μm可见光的波长范围为0.38～0.76μm，红外线波长范围为0.76～1000μm可分别算出各波长下的λＴ值并由表8-1查出对应的Fb(0－λT)值。λ＝0.38μmλT＝760μm·KFb(0－0.38)＝0.1×10-4λ＝0.76μmλT＝1520μm·KFb(0－0.76）＝0.16×10-1λ＝1000μmλT＝2×10６μm·KFb(0－1000）＝1.0可见光在总辐射中所占的份额Fb(0.38～0.76)＝0.016－0.1×10-4＝0.01599＝1.599％红外线在总辐射中所占的份额Fb(0.76～1000)＝１－0.016＝0.984＝98.4％，在这样的温度下，可见光辐射所占份额是微不足道的。四、克希霍夫定律黑度ε：把实际物体的辐射力E与同温度下黑体的辐射力Eb之比称为该物体的黑度，用符号ε表示：ε＝E/Ｅb(16-18a)单色黑度ελ：是实际物体的单色辐射力与同温度下黑体的单色辐射力之比。ελ＝Eλ/ＥbλEλ＝ελEbλ(16-18b)ε与ελ的关系为：00dEdEEEbbb灰体是指物体的单色辐射率即黑度与波长无关的物体。灰体的辐射力遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律E＝εEb＝εσbT４(16-19a)＝εcb（T/100)4(16-19b)实际物体的辐射力并非严格遵守四次方定律，但工程上为方便仍用式(16-19)来计算，所引起的误差都归到实际物质的黑度中去修正。此外，自然界中并无绝对灰体，它仅作为一种假想物体。实际物体在红外波长范围内，可以近似地看作是灰体。物体对于投射能量吸收的百分数是该物体的吸收率α，实际物体的吸收率既决定于投入射线的方向和波长，又决定于物体本身的材料、表面温度及表面状况。引入灰体概念后，认为灰体的吸收率和单色吸收率都与波长无关，大小仅取决于吸收表面的状况。实际物体在吸收与辐射之间内在联系克希霍夫揭示了与周围环境处于热平衡状态下实际物体的黑度与吸收率之间的关系。有两块相距很近而面积又很大的平行平板。设平板I为黑体表面，其辐射力为Eb，吸收率αb＝１，表面温度T１；平板Ⅱ为非黑体表面，其辐射力为E，吸收率为α，黑度为ε，表面温度T２，分析两平板在单位时间，单位面积上的能量收支。板Ⅱ的能量收支为q＝Ｅ－αEbq＝Ｅ－αEb当系统处于热平衡时T１＝Ｔ２，q＝０，则Ｅ＝αEb或E/α＝Ｅb推广到任意物体：E１/α１＝E２/α２＝……＝E/α＝Ｅb(16-21)即克希霍夫定律的数学表达式，它说明任何物体的辐射力与其吸收率之比恒等于同温度下黑体的辐射力，并只和温度有关。必须指出，这一关系是在热平衡的条件下推导出来，所以，在实际物体和黑体构成的系统中只有符合热平衡条件时应用才正确。据黑度的概念，克希霍夫定律还可写作：α＝E/Ｅb＝ε(16-22a)，同理可有：αλ＝ελ(16-22b)这是克希霍夫定律的又一表达式，它说明在热平衡条件下，任意物体的吸收率等于同温度下该物体的辐射率(黑度)。对于灰体，当温度一定时，灰体的吸收率和黑度也是一定的，即灰体能吸收投射来的各种不同波长的辐射能α＝αλ；同时灰体向外发射能量时，其黑度也不随波长改变ε＝ελ。根据克希霍夫定律，灰体有：ε＝ελ＝α＝αλ(16-23)灰体的吸收率与黑度相等而又与外界条件无关，也就无所谓是否处于热平衡的条件了。在工业高温下多数材料的热辐射主要处于红外线波长范围内，材料的αλ值随λ的变化不大因此允许把工程材料作为灰体处理。若热辐射中可见光所占的份额较大，则不能把材料作灰体处理，否则将导致较大误差。