传热学1-辐射换热1-动力工程

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1、第六章第六章 热辐射基本理论热辐射基本理论 Foundation of Thermal Radiation 6-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念一、热辐射的本质和特点一、热辐射的本质和特点1、热辐射、热辐射：由于热的原因而产生的电磁波辐射：由于热的原因而产生的电磁波辐射热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的，发射辐射能是各类物质的固有特性变时激发出来的，发射辐射能是各类物质的固有特性热辐射是电磁辐射（电磁波）的一种热辐射是电磁辐射（电磁波）的一种电磁波波长从几万分之一微米到数千米电磁波波长从几万分之一微米到数千米2、电磁波

2、谱：、电磁波谱：电磁波谱：电磁波谱：的电磁波属可见光的电磁波属可见光m76.038.0：紫外线、：紫外线、x射线、射线等射线、射线等m38.01043的电磁波称红外线的电磁波称红外线m100076.0：无线电波：无线电波m1000：热射线：热射线m1001.0关于辐射本质认识的发展关于辐射本质认识的发展辐射的本质及其传播过程除用电磁波理论说明之外，辐射的本质及其传播过程除用电磁波理论说明之外，对有些现象还需进一步用量子理论来解释对有些现象还需进一步用量子理论来解释即：即：辐射的本质既具有波动性，又具有粒子性辐射的本质既具有波动性，又具有粒子性微粒说（微粒说（17世纪末，英国世纪末，英国I.Ne

3、wton）：）：光是一种完光是一种完全弹性的球形微粒流，粒子不连续，直线传播全弹性的球形微粒流，粒子不连续，直线传播19世纪世纪奠定奠定了辐射的波动说定义了辐射的波动说定义-物体以电磁波向物体以电磁波向外传递能量的过程外传递能量的过程1890年英国人年英国人M.Planck提出量子假设，提出量子假设，1905年德国年德国人人A.Einstein提出了量子理论，认为光是一束以光速提出了量子理论，认为光是一束以光速运动的能量子流，这种能量子称为光子，其能量正比运动的能量子流，这种能量子称为光子，其能量正比于它的频率于它的频率,具有波粒两相性具有波粒两相性辐射是物体向外发射光子的能量传递过程辐射是物

4、体向外发射光子的能量传递过程3、热辐射的特点：、热辐射的特点：(1)不依靠物质接触而进行热量传递；即：不需要不依靠物质接触而进行热量传递；即：不需要 介质的存在，在真空中就可以传递能量介质的存在，在真空中就可以传递能量(2)一切物体只要热力学温度一切物体只要热力学温度T(K)大于零，都会不停大于零，都会不停地发射热射线地发射热射线(3)物体的热辐射不仅与自身的温度与表面状况有关物体的热辐射不仅与自身的温度与表面状况有关,而且还随辐射的而且还随辐射的波长波长和和方向方向而异而异描述物体辐射特性的参数有哪些？描述物体辐射特性的参数有哪些？辐射的方向性和光谱性如何体现？辐射的方向性和光谱性如何体现？

5、在学习中要牢固树立辐射的在学习中要牢固树立辐射的方向性方向性和和光谱性光谱性,理解理解简化工程应用的一些假设的合理性和必要性简化工程应用的一些假设的合理性和必要性譬如：黑体、灰体、漫辐射体譬如：黑体、灰体、漫辐射体辐射场的定义和相互关系？辐射场的定义和相互关系？对实际物体表面理想化处理的合理性和对实际物体表面理想化处理的合理性和必要性？必要性？学习中注意的问题学习中注意的问题4、辐射换热的特点：、辐射换热的特点：(1)与导热和对流换热不同与导热和对流换热不同,辐射换热不依靠物质接辐射换热不依靠物质接触而进行热量传递；触而进行热量传递；(2)辐射换热过程伴随能量形式的转化辐射换热过程伴随能量形式

6、的转化(3)一切物体只要温度大于一切物体只要温度大于 0 K，都会不停地发射，都会不停地发射 热射线热射线;高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温低温物体热力学能物体热力学能 电磁波能电磁波能 物体热力学能物体热力学能二、辐射能的吸收、反射和透射二、辐射能的吸收、反射和透射1、吸收率、反射率和透射率、吸收率、反射率和透射率一部分被吸收；一部分被吸收；一部分被反射；一部分被反射；一部分可能穿透物体一部分可能穿透物体 吸收率；吸收率；反射率；反射率；透射率透射率GG

7、GG1GGGG 投射辐射投射辐射G注意：吸收率、反射率和透射率的定义针对全波长注意：吸收率、反射率和透射率的定义针对全波长镜反射镜反射：反射角等于入射角：反射角等于入射角 光滑的金属表面、玻璃、塑料等光滑的金属表面、玻璃、塑料等2、镜反射、漫反射：、镜反射、漫反射：反射的两种极端反射的两种极端漫反射漫反射：被反射的辐射能均匀分布在各方向：被反射的辐射能均匀分布在各方向 粗糙非金属表面接近于漫反射粗糙非金属表面接近于漫反射若投射能量是某波长下的（单色）辐射：若投射能量是某波长下的（单色）辐射：1 或GGGG3、光谱吸收率、反射率和透射率、光谱吸收率、反射率和透射率1GGGG光谱吸收率、光谱反射率

8、、光谱透射率光谱吸收率、光谱反射率、光谱透射率（单色吸收率、单色反射率、单色透射率）（单色吸收率、单色反射率、单色透射率）、是物体表面的辐射特性，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与物体的性质、温度及表面状况有关、及、气体气体：对辐射能几乎没有反射能力：对辐射能几乎没有反射能力固体和液体固体和液体：分子排列非常紧密，投射辐射能在进：分子排列非常紧密，投射辐射能在进入物体很小距离内就被全部吸收入物体很小距离内就被全部吸收1 0；如：金属导体：该距离约为如：金属导体：该距离约为 1 m；非导体：；非导体：1000 m1 0；故：对一般固体和液体：故：对一般固体和液体：黑体黑体：

9、能全部吸收外来射线的物体：能全部吸收外来射线的物体白体白体：能全部反射外来射线的物体：能全部反射外来射线的物体11透明体透明体：能被外来射线全部透过的物体：能被外来射线全部透过的物体1自然界中并不存在黑体、白体和透明体；它们只是自然界中并不存在黑体、白体和透明体；它们只是实际物体热辐射性能的理想模型实际物体热辐射性能的理想模型4、黑体、白体和透明体、黑体、白体和透明体煤烟煤烟 =0.96；高度磨光的纯金；高度磨光的纯金=0.98黑体是一个理想的吸收体黑体是一个理想的吸收体，它能吸收来自各个方向、，它能吸收来自各个方向、各种波长的全部投射能量。是比较的标准各种波长的全部投射能量。是比较的标准黑体

10、表面的辐射属于漫辐射；各方向分布均匀黑体表面的辐射属于漫辐射；各方向分布均匀对于黑体：对于黑体：黑体不反射、也不透射，全部被吸收黑体不反射、也不透射，全部被吸收00 1，；人工黑体：空腔上的小孔接近于黑体人工黑体：空腔上的小孔接近于黑体白天从远处看房屋的窗户有黑洞洞的感觉白天从远处看房屋的窗户有黑洞洞的感觉注意：注意：黑体、白体与黑色物体、白色物体不同黑体、白体与黑色物体、白色物体不同颜色是对可见光而言的颜色是对可见光而言的黑体、白体及透明体都是对全波长而言的黑体、白体及透明体都是对全波长而言的而可见光只占全波长中的一小部分而可见光只占全波长中的一小部分故：物体对外来全波长射线的吸收能力的高低

11、，不故：物体对外来全波长射线的吸收能力的高低，不能凭物体的颜色来判断，能凭物体的颜色来判断，白颜色物体白颜色物体（反射的射线（反射的射线在可见光部分呈白色）在可见光部分呈白色）不一定是白体不一定是白体；黑颜色物体黑颜色物体不一定是黑体不一定是黑体例如：雪对可见光是良好的反射体，对肉眼是白色例如：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的，但对红外线几乎能全部吸收0.8 985.0；白布和黑布对可见光吸收率不同，但对红外线的吸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收率基本相同玻璃只透过可见光，对玻璃只透过可见光，对 的红外线不透明的红外线不透明m3辐射

12、强度和辐射力辐射强度和辐射力辐射能的分布是多元的，随波长、方向以及位置、时辐射能的分布是多元的，随波长、方向以及位置、时间都有自己的分布间都有自己的分布 1、空间方向性质的描写：方向角和立体角、空间方向性质的描写：方向角和立体角设有一半球，设有一半球，半径为半径为 r，在基圆中心有一微元表面，在基圆中心有一微元表面dA1。微元面发射一微元束能量，微元束的中心轴表示此轴微元面发射一微元束能量，微元束的中心轴表示此轴的发射方向的发射方向 天顶角天顶角 是是dA1平面的法线平面的法线与微元束中心轴的与微元束中心轴的夹角夹角称为称为 天顶角天顶角也称也称 纬度、纬度、纬度角纬度角设有一半球，设有一半球

13、，半径为半径为 r，在基圆中心有一微元表面，在基圆中心有一微元表面dA1。微元面发射一微元束能量，微元束的中心轴表示此轴微元面发射一微元束能量，微元束的中心轴表示此轴的发射方向的发射方向 圆周角圆周角 是微元束中心轴在是微元束中心轴在基圆上的投影线与基圆上的投影线与 x x 轴的夹角轴的夹角称为称为 圆周角圆周角也称也称 经度、经度、经度角经度角立体角立体角：用给：用给定方向上半球面定方向上半球面被立体角所切割被立体角所切割的面积的面积dA2除以除以半径的平方半径的平方2ddrAn22ddrA立体角立体角：用给定：用给定方向上半球面被方向上半球面被立体角所切割的立体角所切割的面积面积dA2除以

14、半除以半径的平方径的平方 2ddsinddsinddsindd2020222rrrrA即：环绕发射表面即：环绕发射表面 dA1 的半球空间立体角为的半球空间立体角为 2 s r 立 体 角立 体 角（Solid angles）的单位，球面度的单位，球面度2、辐射强度、辐射强度(I)：(或定向辐射强度或定向辐射强度)辐射强度辐射强度：朝着某给定方向、垂直于该方向的：朝着某给定方向、垂直于该方向的单单位投影面积位投影面积在单位时间、向在单位时间、向单位立体角单位立体角内所发射的内所发射的全波长全波长的能量的能量Sr)(mW 2I辐射强度：辐射强度：对于对于各向同性各向同性的物体表面，的物体表面，辐

15、射强度与角度辐射强度与角度 无关。无关。本本课限于各向同性的物体表面课限于各向同性的物体表面AId)cosd()(d),(1)(),()(),(IIII光谱光谱(单色单色)辐射强度辐射强度：针对：针对某波长某波长 、波长间隔为、波长间隔为 d：1d()()(dcos)ddIIAdd)(2SrmmW0d)()(II3、辐射力、辐射力(E)辐射力辐射力：发射体每：发射体每单位单位面积面积、在单位时间、向、在单位时间、向半球空间半球空间所发射的所发射的全波全波长长能量能量2mW EAId)cosd()(d)(1光谱辐射力光谱辐射力：若辐射力是针对某波长：若辐射力是针对某波长 、波长间隔、波长间隔为为

16、 d 范围内所发射的能量。范围内所发射的能量。E m)(mW2 23=W(m)W mdEEmd或0=dEE定向辐射力定向辐射力：发射体的：发射体的单位面积单位面积、在单位时间内、在单位时间内、向某个方向向某个方向单位立体角单位立体角内发射的辐射能内发射的辐射能)mW2SrE（111()dcosdd()cosddddIAEIAA光谱定向辐射力光谱定向辐射力：发射体的单位面积、在单位时间：发射体的单位面积、在单位时间内、向半球空间的某给定方向单位立体角内，在波内、向半球空间的某给定方向单位立体角内，在波长长 附近的单位波长间隔内发射的辐射能量。附近的单位波长间隔内发射的辐射能量。E ,m)sr(m

17、W2,1ddddEA 200,ddEEnnIE 6-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律一、普朗克定律一、普朗克定律黑体的辐射力以黑体的辐射力以 Eb W/m2 表示表示普朗克定律普朗克定律：1900年年 Max Planck 在量子理论的基础在量子理论的基础上，揭示了真空中黑体的光谱辐射力上，揭示了真空中黑体的光谱辐射力 Eb 与波长与波长 、热力学温度热力学温度 T 之间的函数关系：之间的函数关系：1),()(512TCbeCTfE)(2mmW2481mW10743.3 mC普朗克第一常数，KmC42104387.1 普朗克第二常数，普朗克定律普朗克定律：1900年年 Max Plan

18、ck 在量子理论的基础在量子理论的基础上，揭示了真空中黑体的光谱辐射力上，揭示了真空中黑体的光谱辐射力 Eb 与波长与波长 、热力学温度热力学温度 T 之间的函数关系：之间的函数关系：1),()(512TCbeCTfE)(2mmW黑体辐射的波谱连续时：和00bE根据普朗克定律，可以得到根据普朗克定律，可以得到如下结论：如下结论：（1）对任一波长：温度越高，光谱）对任一波长：温度越高，光谱辐射力越强辐射力越强max（3）同一温度下的光谱辐射力存在一最大值，对应）同一温度下的光谱辐射力存在一最大值，对应（2）在一般工程所涉及的温度范围）在一般工程所涉及的温度范围内（小于内（小于2000K），波长）

19、，波长0.8100m的红外热辐射占主导地位，而波长的红外热辐射占主导地位，而波长为为0.380.76m的可见光能量很小。的可见光能量很小。max（3）同一温度下的光谱辐射力存在一最大值，对应）同一温度下的光谱辐射力存在一最大值，对应随着温度随着温度T增高，增高，向短波向短波方向移动方向移动max利用光学仪器测得某黑体表面利用光学仪器测得某黑体表面最大光谱辐射力的波长后，可最大光谱辐射力的波长后，可以算出该黑体表面的温度以算出该黑体表面的温度二、维恩二、维恩(Wien)位移定律位移定律Km 6.2897maxT如：太阳如：太阳K 2.5795 m5.0maxTT=5800K时，峰值在可见光范围；

20、太阳所发射的辐射时，峰值在可见光范围；太阳所发射的辐射能约能约44.6%(43%)在可见光范围在可见光范围m 76.038.0T800K时，辐射能中明显具有可见光射线时，辐射能中明显具有可见光射线随着温度随着温度 T 的升高，可见光射线增加的升高，可见光射线增加工业中常见高温一般低于工业中常见高温一般低于 2000K属于红外线范围属于红外线范围m 45.1max红外线：红外线：m100076.0加热炉中铁块升温过程颜色变化加热炉中铁块升温过程颜色变化：T800K时，主要是红外线，眼睛感觉不到、暗黑；时，主要是红外线，眼睛感觉不到、暗黑；随着温度的升高，铁快颜色变为暗红色、鲜红色、橘随着温度的升

21、高，铁快颜色变为暗红色、鲜红色、橘黄色、亮白色黄色、亮白色原因：原因：T 升高可见光增加升高可见光增加三、斯忒藩三、斯忒藩-玻尔兹曼定玻尔兹曼定律律辐射力辐射力 E 与温度与温度 T 的关系：的关系：1884年玻尔兹曼用热力学理论进行了证明年玻尔兹曼用热力学理论进行了证明1879年斯忒藩依靠实验确定了年斯忒藩依靠实验确定了Eb与与 T 的关系的关系将普朗克定律表达式在全波长范围积分将普朗克定律表达式在全波长范围积分2400)(51mW 12TdeCdEEbTCbb玻尔兹曼常数斯蒂芬)K(mW 1067.5428b四次方四次方定律定律波段辐射力波段辐射力：黑体在温度：黑体在温度T下、下、在波段（

22、在波段（）范围内所）范围内所辐射的能量辐射的能量212121)(dEEbb黑体辐射函数黑体辐射函数：在辐射换热计算中，常常需要计算黑：在辐射换热计算中，常常需要计算黑体在给定波段中所发射的辐射能，或计算黑体在给定体在给定波段中所发射的辐射能，或计算黑体在给定波段中所发射的辐射能占全波段辐射能的份额波段中所发射的辐射能占全波段辐射能的份额：定义相对辐射力定义相对辐射力 102021)21(dEdEdEEbbbb)0()0()(1221bbbEEEbbTbEEF)0()0(bTbTbbEFFE)10()20()21(四、兰贝特（四、兰贝特（Lambert）定律）定律漫辐射表面漫辐射表面：辐射强度在

23、空间各个方向上都相等：辐射强度在空间各个方向上都相等黑体表面为漫辐射表面黑体表面为漫辐射表面对于漫辐射表面：对于漫辐射表面：constIIIIn.)()(21coscoscos)(nnEIIE兰贝特定律的两种表达式之一：余弦定律兰贝特定律的两种表达式之一：余弦定律黑体表面或漫辐射表面黑体表面或漫辐射表面 E 与与 I 关系：关系：2020cos)(dIdEE兰贝特定律的两种表达式之二：对于黑体表面或漫辐兰贝特定律的两种表达式之二：对于黑体表面或漫辐射表面，辐射力射表面，辐射力 E 是任意方向辐射强度是任意方向辐射强度 I 的的 倍倍黑体表面或漫辐射表面黑体表面或漫辐射表面 E 与与 I 关系：关系：2020cos)(dIdEEddrdAdsin 22IddIddIE202020sincos)(sincos)(对于黑体表面对于黑体表面：4TEbb4)(TEIIIbbbnbb