6-第六章 热辐射的基本定律

SchoolofEnergy&PowerEngineering传热学HeatTransfer主讲教师：徐志祥SchoolofEnergy&PowerEngineeringSchoolofEnergy&PowerEngineering学习内容第一章绪论第二章导热基本定律和稳态导热第三章非稳态导热第四章对流换热原理第五章单相流体对流换热特征数关联式第六章热辐射基本定律第七章辐射换热计算SchoolofEnergy&PowerEngineeringSchoolofEnergy&PowerEngineering热辐射是三种基本的热量传递方式之一，它的传热机理与热传导、热对流有着根本的不同。热传导是依靠分子、原子以及自由电子等微观粒子的热运动而进行的热量传递的现象，热对流靠的是流体的宏观运动，而辐射靠的是电磁波的运动。因此，它的研究方法也有着自身的特点。SchoolofEnergy&PowerEngineering任何物体只要温度高于绝对零度，它就能源源不断地以热辐射的方式向外界辐射能量，同时它也不断地吸收投射到自己身上的热辐射。因此，热辐射是一种非常普遍的热量传递现象，辐射传热问题也在工程领域和科学研究中普遍存在，尤其是高温物体传热、红外加热技术、航空航天工程、辐射采暖等领域中占有非常重要的地位。SchoolofEnergy&PowerEngineering取暖SchoolofEnergy&PowerEngineering冶金过程中的热辐射SchoolofEnergy&PowerEngineering太阳辐射SchoolofEnergy&PowerEngineering太阳能热水器SchoolofEnergy&PowerEngineering热像图SchoolofEnergy&PowerEngineering便携式红外摄像仪SchoolofEnergy&PowerEngineering第六章热辐射的基本定律6.1热辐射的基本概念6.2黑体辐射的基本定律6.3基尔霍夫定律SchoolofEnergy&PowerEngineering6.1.1热辐射的定义和特点１、基本概念辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式。热辐射:由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。辐射传热:物体之间相互辐射和吸收的总效果。6.1热辐射的基本概念SchoolofEnergy&PowerEngineering２、特点①不需要物体直接接触。热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。②在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。辐射：辐射体内热能→辐射能；吸收：辐射能→受射体内热能③只要温度大于零就有能量辐射。不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能。④物体的辐射能力与其温度性质有关，与绝对温度的四次方成正比。SchoolofEnergy&PowerEngineering6.1.2从电磁波的角度描述热辐射的特性电磁波的传播速度：C=fλ式中：f—频率，s-1;λ—波长，μm1、传播速率与波长、频率间的关系SchoolofEnergy&PowerEngineering2、电磁波的波谱热辐射：λ＝0.1～100μm，包括可见光线、部分紫外线和红外线0.38图1电磁辐射波谱0.76SchoolofEnergy&PowerEngineering红外辐射的应用以波长4μm为界，分为近红外线和远红外线1、20世纪70年代发展的远红外线加热技术2、微波：λ＝1mm～1m3、λ1m的电磁波广泛应用于无线电技术中。SchoolofEnergy&PowerEngineering科学家首次观察到光的波粒二象性的统一科大郭光灿院士SchoolofEnergy&PowerEngineering当热辐射投射到物件上时，遵循着可见光的规律，其中部分被物体吸收，部分被反射，其余则透过物体。11QQQQQQQQQQ3.物体表面对电磁波的作用物体对热辐射的吸收反射和穿透（1）吸收比、反射比和穿透比之间的一般关系吸收比反射比穿透比SchoolofEnergy&PowerEngineering对于大多数的固体和液体：1,01,0对于不含颗粒的气体：固体和液体对投入辐射的吸收和反射特性，具有在物体表面上进行的特点，而不涉及物体内部。气体的辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状况无关紧要。SchoolofEnergy&PowerEngineering（2）固体表面的两种反射镜面反射：入射角=反射角，表面粗糙度波长漫反射：表面粗糙度波长一般工程材料均形成漫反射。图3漫反射图2镜反射SchoolofEnergy&PowerEngineering为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型：黑体：α=1ρ=0τ=0；白体：α=0ρ=1τ=0；透明体:α=0ρ=0τ=1自然界和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白体和透明体虽然并不存在，但和它们相象的物体却是有的。例如，煤炭的吸收比达到0.96，磨光的金子反射比几乎等于0.98，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。6.1.3黑体模型及其重要性SchoolofEnergy&PowerEngineering具有一个小孔的等温空腔表面，若有外部投射辐射从小孔进入空腔内，必将在其内表面经历无数次的吸收和反射，最后能够从小孔重新选出去的辐射能量必定微乎其微。认为几乎全部入射能量都被空腔吸收殆尽。从这个意义上讲，小孔非常接近黑体的性质。黑体具有最大的吸收力(α=1)，同时亦具有最大的辐射力(ε=1)。在实际物体中不存在绝对黑体，为此引出人工黑体。SchoolofEnergy&PowerEngineering6.1.4两个重要的辐射参数1．辐射力定义：单位时间内，物体每单位表面积向表面上半球空间所有方向发射的全部波长的电磁波能量的总和，用E表示，单位。2/Wm很明显辐射力的数值表征了物体发射辐射能的本领。下面我们会讲到，它不是一个常数，对于某一个物体，不同的温度，其辐射能力也是不同的。黑体辐射力：EbSchoolofEnergy&PowerEngineering2.单色辐射力定义：单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的包含波长λ在内的单位波长内的能量称为单色辐射力：由的定义可知，E与存在着积分关系，辐射力是各种波长的单色辐射力沿波长的积分：E3/dEEWmdEE20/EEdWmSchoolofEnergy&PowerEngineering物体发射出的是这一波段的辐射能又是多少呢？12~12E21212/EEdWmSchoolofEnergy&PowerEngineering6.2黑体辐射的基本定律本节我们着重讨论黑体辐射的两个基本定律，即斯蒂芬——玻尔兹曼定律，普朗克定律，这两个定律分别给出了黑体辐射的总能量的计算方法以及其按波长的分布。SchoolofEnergy&PowerEngineering6.2.1斯蒂芬——玻尔兹曼定律（四次方定律）1．定义式式中称为黑体辐射系数T为黑体的热力学温度；为黑体在某温度的辐射力；称为黑体辐射常数bEbbc4bbET42/100bTcWm8245.6710/bWmK245.67/bcWmK由此可见，Eb是与黑体绝对温度的四次方成正比的。SchoolofEnergy&PowerEngineering2．实际物体的辐射力实际物体的辐射力也同温度有关，但从各个试验结果发现，实际物体的辐射力并不严格的同热力学温度的四次方成正比，而且对于不同的物体是多少次方也不是一定的，这在计算时极不方便。为此，人们定义了发射率这一概念。发射率（黑度）：任一物体的辐射力E与同温度下黑体的辐射力Eb之比称之为该物体的发射率，即：bEESchoolofEnergy&PowerEngineering有了黑度的定义，我们就可以将斯蒂芬——玻尔兹曼定律近似的用于实际物体的计算，即：42/bbEETWm说明：发射率的值介于0～1之间，具体数值由实验测定，它表征了物体辐射力接近同温度下黑体辐射力的程度。SchoolofEnergy&PowerEngineering物体的发射率是受温度影响的；氧化铝表面50℃500℃0.20.3表面状况对发射率也有很大的影响；大部分非金属材料和表面氧化的金属材料的发射率都较高，一般为0.75～0.95，且与表面状况关系不大。黄铜表面无光泽0.220.05磨光SchoolofEnergy&PowerEngineering6.2.2普朗克定律物体的辐射力在各个波长上分布是不均匀的，也就是说物体发射不同热射线的能力也有所不同。揭示黑体辐射能量按波长的分布规律。1．定义式251,1bcTcEfTe式中称为第一辐射常数；称为第二辐射常数；16213.74210cWm221.43910cmKSchoolofEnergy&PowerEngineering普朗克定律的图示单色辐射力先随波长增加而增大，过峰值后随波长增加而减小。SchoolofEnergy&PowerEngineering维恩位移定律：根据维恩位移定律，利用光学仪器测得某黑体表面最大光谱辐射力的波长后，可以算出该黑体表面的温度。如：已知太阳，可得出太阳表面T=5795.2K。max0.5mmax2897.6TmKSchoolofEnergy&PowerEngineering随着温度的升高，辐射力中可见光的份额逐渐增多，热物体的亮度逐渐发生变化。SchoolofEnergy&PowerEngineering分析：黑体发射的光谱是一系列的连续光谱；bE某温度下的黑体辐射力等于该温度对应的曲线下的面积，温度越高，辐射力越大。斯蒂芬——玻尔兹曼定律4200/bbbEEddTWmSchoolofEnergy&PowerEngineering【解】应用维恩位移定律T=2000K时max=2.9103/2000=1.45mT=5800K时max=2.9103/5800=0.50m常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区【例】试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长。SchoolofEnergy&PowerEngineering2．黑体辐射函数定义：在的波长范围内黑体发出的辐射能在其辐射力中所占的份额。0~0~00~4bbbbbEdEFET2251010~40511cTTbcTbbcdceFdTTTe由普朗克定律可得：由此可见，黑体辐射函数是波长与温度乘积的函数。TSchoolofEnergy&PowerEngineering黑体波段辐射函数21121221~00~0~0~4bbbbbbbbEdEdEFFFET121221()()(0)(0))()bbbbbbEFEFFE在实际中，有时需求出某一特定波长的辐射能量。如图中的在1和2之间的线下面积。黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力：21dEEbb特定波长区段内的黑体辐射力=SchoolofEnergy&PowerEngineering１、Stefan-Boltzmann定律：确定黑体辐射力２、Planck定律：黑体辐射能量按波长分布规律维恩位移定律：确定黑体的光谱辐射力峰值所对应的最大波长。黑体辐射基本定律小结SchoolofEnergy&PowerEngineering6.3基尔霍夫定律6.3.1实际物体的辐射、吸收特性辐射方面：实际物体的单色辐射力随着波长和温度的变化是不规则的；E单色发射率bEE实