传热学_10-1.

HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity第10章热辐射机理分两部分讨论第一部分：基本原理1.热辐射定义2.辐射基本定律3.物体的辐射特性第二部分：辐射换热1.角系数2.网络法3.辐射换热辐射屏蔽HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity10-1引言图10-1真空室中热物体仅通过辐射散热辐射与其他两种换热的机理不同之处在于，它不需要传热介质。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity10-1引言什么是辐射？能量通过电磁波传递的现象就叫辐射。辐射与其他两种换热的机理不同之处在于，它不需要传热介质。电磁波的特征是频率v和波长λ：λ=c/vc是媒介中的光速。在真空中，c=c0=2.998108m/s.HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity一种介质中的光速与真空中光速的关系：c=c0/n。n是该介质的折射率。对于空气和大多数气体n=1水和玻璃n=1.5根据量子理论，每个频率为v的光子具有的能量为：h=6.62510-34J·s为普朗克常数hchveHeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity10-2热辐射不同种类的电磁辐射是通过不同机理产生的。热辐射是物质中的分子、原子和电子振动和旋转所导致的。温度是这些微观尺度下行为强弱的度量HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity热辐射范围热辐射定义为电磁频谱中波长从0.1到100μm的部分。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity它包括全部可见光和红外辐射以及部分紫外辐射。电磁频谱中可见部分的波长处于0.40到0.76μm之间。紫0.40-0.44μm蓝0.44-0.49μm绿0.49-0.54μm黄0.54-0.60μm橙0.60-0.673μm红0.63-0.76μm太阳辐射波段为0.3-3μm。几乎一半的太阳辐射为可见光，其余为紫外光和红外光。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity图10-2电磁频谱紫0.40-0.44μm蓝0.44-0.49μm绿0.49-0.54μm黄0.54-0.60μm橙0.60-0.673μm红0.63-0.76μmHeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity红外辐射:0.76到100μm。例如温度辐射紫外辐射:0.01and0.40μm。热辐射的短波端紫外线应予以避免，因为它能杀死微生物并对人类和其它生物产生严重危害。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity辐射是体积现象。对于不透明固体例如金属、木头和岩石，辐射被认为是表面现象。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity10-3黑体辐射什么是黑体？能发射最大辐射的物体定义为理想物体，叫做黑体。黑体性质：1)黑体被定义为完美的辐射吸收和发射体；2)在特定温度和波长下，没有任何表面能比黑体发射更多能量；3)黑体能吸收所有波长和所有方向的入射辐射。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity黑体在所以方向上均匀地发射辐射能量并且为漫射。漫射意味着“与方向无关”。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity1.斯蒂芬-玻尔兹曼定律4TEbσ=5.6710-8W/m2·K4为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T是表面的绝对温度。Eb称为黑体辐射力。1)黑体辐射力单位时间内黑体单位表面积发射的辐射能量称为黑体辐射力。具有小孔的大空腔可以认为是人造黑体。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity2)黑体光谱辐射力Ebλ在绝对温度T下，单位时间内黑体单位表面积发射的在包含波长λ的单位波长范围内的辐射能。2.普朗克分布定律1/exp)(251TCCTEbC1=2πhc02=3.742×108W·μm4/m2C2=hc0/k=1.439×10μm×KHeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity图10-5几种不同温度下黑体辐射力随波长的变化HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity黑体辐射性质1)发射的辐射是波长的连续函数。在任何特定温度下，辐射随波长增长而增强，达到最大值后又随着波长的增长而减弱。2)在任何波长下，发射的辐射能随温度的升高而增大。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity3)随着温度的升高，曲线变得更陡并往左移向短波区。因此，高温时大部分辐射都由短波发射。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity4)太阳被认为是5768K（近似为5800K）的黑体，它发射的辐射在光谱中的可见区域达到峰值。因此人们能看见太阳。反之，温度T800K的表面发射的辐射几乎全部在红外区，除非这些表面反射其他光源的光线，否则人眼看不见。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity3.维恩位移定律Kμm8.2897powermaxT太阳辐射的峰值发生在=2897.8/5762=0.50μm,该波长处在可见区中间附近。室温下(T=298K)表面发射的辐射峰值发生在波长9.72μm时，它完全处于光谱的红外区。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity总黑体辐射力可以通过在整个波长范围对黑体光谱辐射力求积分40)(TdTETEbb4.黑体辐射函数40)()(TdTETfbdTEEbb00,)(HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversityHeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity函数fλ代表温度为T的黑体发射的0到λ的波段的辐射所占百分数。温度为T的黑体发射的处于λ=λ1到λ=λ2的有限波段内的辐射能量所占百分数：)()()(1221TfTfTfHeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity例白炽灯泡发射的辐射白炽灯泡灯丝的温度为2500K。假定灯丝为黑体，求灯丝发射的落在可见光范围内辐射能的比例；同时求灯丝发射的辐射达到峰值时的波长？解：白炽灯泡灯丝的温度已知。要求出灯丝发射可见光的比例以及达到峰值时的波长。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity假定灯丝可以视为黑体。分析电磁频谱的可见光波长从λ1=0.4μm到λ2=0.76μm。注意到T=2500K,与λ1T和λ2T对应的黑体辐射函数可以根据表9-2求出：λ1T=(0.40μm)(2500K)=1000μm·K→=0.000321λ2T=(0.76μm)(2500K)=1900μm·K→=0.0530351f2f也就是说，发出的辐射中有0.03%波长小于0.4μm，5.3%小于0.76μm。处于这两种波长之间的辐射百分数为=0.053035-0.000321=0.05271351221fffHeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity也即，白炽灯灯丝发射的辐射中仅有约5%处于可见光区。其余95%的辐射处于红外区，以辐射热或者过去常叫的“不可见光”的形式。白炽灯发光是一种十分低效的将电能转化为光的方式，同时可以解释为什么荧光灯是更好的选择。根据维恩位移定律，灯丝发出的辐射能达到峰值时的波长为：(λT)maxpower=2897.8μm·K→λmaxpower==1.16μmKkm25008.2897HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity10–4辐射强度立体角HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversityπππ222θ=0θ=0spheresinθθsinθθSdSrddrdr20242ωsinθθdSdddrHeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity2cosωndAdAdrr2发射辐射的强度发射辐射Ie(,)的辐射强度定义为垂直于(,)方向单位面积、(,)方向单位立体角的辐射能量d在该方向发射量。eQ(θ,)cosθcosθsinθθeeedQdQIdAddAddHeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity(θ,)cosθsinθθeedQdEIdddAππ/2θ=0hemisphereθ,cosθsinθθeEdEIdd20辐射力与辐射强度关系漫射表面：E=Ie黑体：Eb=IbHeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity()()ππbbETTIT4投入辐射从所有方向投射到表面的辐射量称为投入辐射。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity漫射辐射：G=Iiππ/2θ=0hemisphereθ,cosθsinθθiGdGIdd20有效辐射离开单位面积表面的辐射能量在各个方向上的总辐射量。ππ/2θ=0θ,cosθsinθθerJIdd20HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity漫射发射和反射面:J=Ie+rHeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity光谱量辐射I,e(,,)的光谱强度定义为垂直于(,)方向单位面积、(,)方向单位立体角的波长为的辐射能量d在该方向的发射量。,(λ,θ,)cosθωλeedQIdAddππ/2λλ,θ=0λ,θ,cosθsinθθeEIdd20eQHeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversityλλλ,,andEEdGGdJJd000E=I,e,G=I,i,andJ=I,e+rλ,λ,λ,,,andeeiiererIIdIIdIId000HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversityEb(,T)=Ib(,T)λ(λ,)λexp/λkbhcIThcT205021HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity例10-2小表面上的投入辐射面积为A1=3cm2的小表面在T1=600K如同黑体一样发射辐射。A1发射的部分辐射落到了另一个面积A2=5cm2的小面上，该平面方位如图10-15。求从A1方向看去A2所围立体角；并求A1发射的落到A2上的辐射量。HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUniversity解：一个表面受到另一个表面投射的辐射。求所围立体角以及接收到的投射辐射量。假定：1、A1如黑体一样发射漫射；2、A1和A2可以近似视为微分表面，因为二者与它们之间距离的平方相比很小。分析：A1和A2近似为微分表面，从A1方向看去A2所围立体角可以由方程10-12求得：2o,2-42221225cmcos40cosθω=6.8110sr75cmnAArr2HeatTransfer10-1BeijingJiaotongUnive