热辐射的基本定律及辐射换热-传热学-课件-08

Chapter8热辐射的基本定律RadiationExchange§8.1基本概念(FundamentalConcepts)一、热辐射的本质(Natureofthermalradiation)1.热辐射(Thermalradiation)：是由于物体内部微观粒子的热运动状态改变，而将部分内能转换成电磁波的能量发射出去的过程。2.辐射(Radiation)：物体通过电磁波传递能量的现象。3.热射线(Thermalradiation)：热辐射产生的电磁波。它包含部分紫外线(Ultraviolet)、全部可见光(Visible)和红外线(Infrared)。波长范围=0.1-1000m紫外线(Ultraviolet)：0.38m可见光(Visible)：=0.38-0.76m红外线(Infrared)：=0.76-1.4m(近红外线)=1.4-3.0m(中红外线)=3.0-1000m(远红外线)工程实际中遇到的大部分物体T2000K，热辐射大部分能量的波长位于=0.76-20m。所以除特殊说明外，以后论及的热射线都是红外线。太阳辐射：=0.1-20m3.热辐射的特点(Thermalradiationcharacteristics)辐射换热与导热、对流换热不同，它不依赖于物体的接触而进行热量传递。辐射换热过程伴随能量形式的两次转化，即物体内能电磁波能物体内能。一切物体只要其温度T0K，都会不断发射热射线。二、吸收率、反射率、透射率总投射能G(Totalirradiation)G=Gα+G+G吸收率(Absorptivity)α＝Gα/G反射率(Reflectivity)ρ＝Gρ/G透射率(Transmissivity)τ＝Gτ/GEnergyconservationα+ρ+τ＝1Ifthemediumisopaque,thereisnotransmission,thenτ＝0，α+ρ＝1Forgases,thereisnoreflection,thenρ＝0，α+τ＝1黑体(Black-body)：α＝1白体(White-body)：ρ＝1；透明体(Transparent-body)：τ＝1三、辐射力和有效辐射(EmissivepowerandRadiosity)1.辐射力(Emissivepower)：单位时间内物体的单位辐射面积向外界(半球空间)发射的全部波长的辐射能称为辐射力(或发射辐射)。相同温度下以黑体的辐射力Eb最大，而实际物体的辐射力为：E＝εEb（W/m2）式中，ε—物体的发射率；Eb—同温度下黑体的辐射力，W/m2。2.有效辐射(Radiosity)：物体表面除了向外界发射辐射外，其它物体投射到该表面上的投射辐射还有部分被反射。发射辐射和反射辐射之和称为有效辐射。记为J(单位W/m2)J=E+ρGRadiosity=reflectedportionoftheirradiation+directemission四、定向辐射强度(Directionalradiationintensity)1.可见辐射面积(Projectedarea)一表面在某一方向上的可见辐射面积，即为该方向上可以看得见的辐射面积，它是该表面在该方向上的投影。cosdAdAs2.立体角(Solidangle)平面角(Planeangle)：d＝dl/r，radians(rad)立体角(solidangle)：d=dAn/r2，steradian(sr)2.立体角(Solidangle)——续dddddrdrrddAsinsinsin22.立体角(Solidangle)——续ThesolidangleassociatedwiththeentirehemispheremaybeobtainedbyintegratingtheaboveEquationoverthelimits=0to2and=0to=/2.Hencehsrdddd202/02/0)(2sin2sindddsin3.定向辐射(强)度(Directionalradiationintensity)单位时间内，单位可见辐射面积在某一方向p的单位立体角内所发出的总辐射能(发射辐射和反射辐射)，称为该方向的定向辐射(强)度。cos1dAddIWhere,dA1cosistheprojectedarea.IneffectitishowdA1wouldappeartoanobserversituatedondAn.distheradiationratepassingthroughdAn.由于表面辐射能包含发射辐射和反射辐射，所以定向辐射(强)度又可以写成。,,reIIIwhere，Ie,—Thedirectionalintensityoftheemittedradiation，(定向发射辐射度)，W/(m2·sr)；Ir,—Thedirectionalintensityofthereflectedradiation，(定向反射辐射度)，W/(m2·sr)；五、漫射表面(Diffusesurface)漫发射表面(Diffuseemitter)：能向半球空间各方向发出均匀辐射度的发射辐射的物体表面称为漫发射表面。(黑体只有漫发射，无反射辐射)漫反射表面(Diffusereflector)：物体表面在半球空间范围内各方向上都有均匀的反射辐射度,则该表面称为漫反射表面。(白体只有漫反射)漫射表面(diffusesurface)：既是漫发射表面,又是漫反射表面,则该表面称为漫射表面。§8.2黑体辐射的基本定律一、黑体的性质(Blackbody’sproperties)Theblackbodyisanidealsurfacehavingthefollowingproperties.1.Ablackbodyabsorbsallincidentradiation,regardlessofwavelengthanddirection.Namely=1.2.Foraprescribedtemperatureandwavelength,nosurfacecanemitmoreenergythanablackbody.Namely=1.3.Althoughtheradiationemittedbyablackbodyisafunctionofwavelengthandtemperature,itisindependentofdirection.Thatis,theblackbodyisadiffuseemitter.黑体模型(Blackbodycavity)空腔上的小孔具有黑体的性质。具有小孔的均匀壁温空腔可作为黑体模型。二、普朗克定律(Planck’slaw)1.物体的光谱辐射力(Spectralemissivepower)物体的光谱辐射力E为在波长～+d的波长范围内辐射力dE与波长间隔d的比值，即ddEE2.普朗克定律(Planck’slaw)黑体光谱辐射力Eb随波长λ和温度T变化的函数关系1exp251TccEbWhere,—wavelength,m；T—theabsolutetemperatureoftheblackbody，Kc1—thefirstradiationconstant,c1=3.742108W·m4/m2c2—thesecondradiationconstant,c2=1.439104m·K黑体光谱辐射力与波长和温度的关系Eb随波长连续变化；0或时Eb0；对任一波长，其Eb随温度T的升高而增加；任一温度T下的Eb有一极大值，其对应的波长为max，且随着温度增加max变小，集中较多辐射能的区域向短波方向移动。三、维恩定律(Wien’sDisplacementLaw)3maxcTwherethethirdradiationconstantisc3=2897.8m·K.黑体光谱辐射力Eb为极大值时的波长max与温度T的关系：维恩定律是光谱测温的基础！例如太阳：max=0.5mT=5800K四、斯蒂芬—波尔兹曼定律TheStefan-Boltzmannlaw44002511001expTcTdTccdEEbbbb四次方定律：黑体辐射力Eb与其热力学温度的四次方成正比。式中，b—黑体辐射常数，b=5.6710-8W/(m2·K4)；cb—黑体辐射系数，cb=5.67W/(m2·K4)；黑体波段辐射力：黑体在某一特定波长范围内的辐射能。)0()0()(1221bbbEEE黑体辐射函数：在0-波长范围内黑体发出的辐射能在其辐射力中所占的份额。)(40)0()0(TfTdEEEFbbbbb黑体辐射函数Fb(0-)是波长与温度乘积的函数，可查表8-2求得。在1-2的波长范围内黑体的波段辐射函数查表8-2可以求得某一特定波长范围内的黑体辐射函数Fb(1-2)和黑体辐射能Eb(1-2)。212112121221()00()()(0)(0)bbbbbbbbbEdEdEFEEFFF五、兰贝特定律定向发射辐射(强)度Ie,(Directionalintensityofradiation)黑体无反射辐射Ie,=I定向辐射力E(Directionalemissivepower)：单位时间内，物体的每单位面积在某一方向p的单位立体角内所发出全波长的辐射能量，称为该方向的定向辐射力。cos1,dAddIIeecos1IEdAddEe兰贝特余弦定律黑体表面具有漫反射性质，且在半球空间各个方向上的定向辐射(强)度相等。即coscoscos321nnnnnEEIEIIEIIII所以又因为所以物理意义黑体的定向辐射力随方向角按余弦规律变化，法线方向的定向辐射力最大。漫射表面向半球空间发射的辐射力2cosdIEeddrdAdsin2eeIddIEsincos2020结论：对于漫射表面，辐射力是任意方向辐射(强)度的倍。对于漫射非黑体表面reIJ§8.3实际物体和灰体的辐射一、实际物体(Realsurface)热辐射有两个重要特征：一是光谱性质，即光谱辐射力随波长变化；一是方向性，即辐射度因方向而异。1.实际物体的发射率44000)()()()(TTTETTETdEdEdEEEbbbbb2.实际物体的光谱发射率bEE3.实际物体的定向发射率bEE4.实际物体的光谱定向发射率,,,bEE5.温度为T时实际物体的光谱定向发射率TbTTEE,,,,,,6.实际物体的光谱吸收率GG,7.实际物体的吸收率GG物体表面对投射辐射能的吸收率为物体表面对投射辐射G在全波长范围内吸收的份额。设吸收辐射的物体为1，投射辐射的物体(辐射源)为2，则02021)()(),(TGdTGT若投射辐射的物体2为黑体，则02021)()(),(TEdTETbb8.发射率与吸收率的比较实际物体表面的发射率取决于物体的种类、表面温度和表面状况。即物体表面的发射率仅与物体本身性质有关，而与外界环境无关。物体发射率是一个物性参数（附录11）。实际物体的吸收率既取决于自身的表面性质和温度，又取决于投射辐射物体的表面性质