第六章---热辐射的基本定律

CollegeofEnergy&PowerEngineering传热学HeatTransfer主讲教师：张彭岗联系电话：[phone]Email:[e-mail]&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CollegeofEnergy&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。CollegeofEnergy&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。CollegeofEnergy&PowerEngineering取暖CollegeofEnergy&PowerEngineering冶金过程中的热辐射CollegeofEnergy&PowerEngineering太阳辐射CollegeofEnergy&PowerEngineering太阳能热水器CollegeofEnergy&PowerEngineering热像图CollegeofEnergy&PowerEngineering便携式红外摄像仪CollegeofEnergy&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CollegeofEnergy&PowerEngineering6.1.1热辐射的定义和特点6.1热辐射的基本概念定义：由于自身温度或者热运动的原因而激发出电磁波的方式称为热辐射。CollegeofEnergy&PowerEngineering工程上的一般物体，它们热辐射的大部分波长位于0.76～20之间，只有对于太阳辐射才考虑波长在0.1～20之间的热射线。因此，除特殊说明，我们一般涉及的热射线都是指红外线。特点：任何物体，只要温度高于绝对零度，就会不停的象周围空间发射辐射能。具有电磁波的共性（比如波动性、粒子性）；cCollegeofEnergy&PowerEngineering在辐射换热过程中伴随着能量形式的转化物体的热力学能电磁波能物体的热力学能物体间以热辐射方式进行热量传递是双向的；不需要冷热物体的直接接触，即便在真空中热辐射也能进行；CollegeofEnergy&PowerEngineering6.1.2辐射能的吸收、透射和反射G吸收反射透射投射辐射GGG根据能量守恒定律，应有：GGGG等式两边同时除以G，得：1GGGGGG吸收率反射率透射率CollegeofEnergy&PowerEngineering1由此可见，、、分别表示表面对于投射辐射吸收、反射和透射能力的大小。大多数固体、液体对于投射辐射是不透射的；01结论1：善于吸收的物体就不善于反射；结论2：物体表面状况对吸收和反射特性影响很大；分析：CollegeofEnergy&PowerEngineering气体对热辐射几乎没有反射能力；01结论：气体的辐射和吸收在整个气体容积中进行；CollegeofEnergy&PowerEngineering三个理想物体黑体：能够全部吸收投射辐射的物体（）；白体：能够全部反射投射辐射的物体（）；透明体：能够全部透射投射辐射的物体（）；111它们都是实际物体热辐射性能的理想模型，自然界并不存在这样三类物体，但有些物体的性能又非常接近它们。烟煤的高度抛光的纯金常温下空气对热射线呈现透明的性质0.980.96例如：CollegeofEnergy&PowerEngineering1.黑体、白体、透明体应该是针对所有波长的投射辐射而言的；注意：2.误区：白颜色的物体一定是白体，黑色的物体就一定是黑体；白颜色物体：反射的射线在可见光部分呈白色。玻璃只透过可见光，对λ3μm的红外线不透明例如雪对可见光是良好的反射体，对肉眼是白色的，但对红外线几乎能全部吸收α=0.985；ε=0.8的白布和黑布对可见光吸收率不同，但对红外线的吸收率基本相同CollegeofEnergy&PowerEngineering人造黑体模型CollegeofEnergy&PowerEngineering6.1.3两个重要的辐射参数1．辐射力定义：单位时间内，物体每单位表面积向半球空间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：EbCollegeofEnergy&PowerEngineering2．单色辐射力定义：单位时间内，物体每单位表面积向半球空间发射的的电磁波能量的总和，即：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：~dE2/dEEWmmdEE20/EEdWmCollegeofEnergy&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CollegeofEnergy&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。CollegeofEnergy&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。CollegeofEnergy&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CollegeofEnergy&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，常用材料的黑度可以从本书后面的附录中查到。CollegeofEnergy&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；大部分非金属材料的发射率都较高，一般为0.85～0.95，且与表面状况关系不大。黄铜表面无光泽0.220.05磨光CollegeofEnergy&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。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CollegeofEnergy&PowerEngineering普朗克定律的图示CollegeofEnergy&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CollegeofEnergy&PowerEngineering维恩位移定律：max2898TmK0bdEd根据维恩定律，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CollegeofEnergy&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。CollegeofEnergy&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CollegeofEnergy&PowerEngineering黑体波段辐射函数21121221~00~0~0~4bbbbbbbbEdEdEFFFETCollegeofEnergy&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实际物体的单色辐射力与同温度下黑体的单色辐射力之比。12CollegeofEnergy&PowerEngineering实际物体的单色发射率1CollegeofEnergy&PowerEngineering吸收方面：实际物体对投射辐射的吸收具有明显的选择性；单色吸收率：物体对某一特定波长的投射辐射的吸收率；单色吸收率随着波长有着强烈的变化。不同物体对于同一辐射的吸收能力是不同的；CollegeofEnergy&PowerEngineering温室效应CollegeofEnergy&PowerEngineering思考题：火星与地球离太阳的距离相当，为什么与地球相比，火星上的昼夜温差要大的多？CollegeofEnergy&PowerEngineering答案：因为地球表面的大气层起到了温室效应的作用，而火星表面没有大气层，因此昼夜温差较大。CollegeofEnergy&PowerEngineering由于是随着波长不断变化的，因此一个表面的总吸收率除了与物体自身的性质有关，还取决于投射辐射，取决于投射辐射按波长的分布，这就给实际物体的辐射换热计算带来了很大的困难，而基尔霍夫定律的提出就为这一困难的解决奠定了基础。CollegeofEnergy&PowerEngineering6.3.2基尔霍夫定律黑体1实际表面2bEEbE1bE由于板1、板2温度相等，所以系统处于一个热平衡状态，板2发射的辐射能与吸收的辐射能应该相等，即：TTbEEbEE发射率bEECollegeofEnergy&PowerEngineering在热平衡条件下，任意物体对黑体的吸收率等于同温度下该物体的发射率。语言描述：6.3.3灰体定义：单色吸收率与波长无关，即的物体。constCollegeofEnergy&PowerEngineering灰体10.6灰体的单色吸