传热学第七章实用教案

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1、2022-3-71二、热辐射的特性描述二、热辐射的特性描述(mio sh)(mio sh)（从电磁（从电磁波角度）波角度）以光速在空间(kngjin)(kngjin)中传播u传播速度与波长、频率(pnl)的关系范围广：从0 0到无穷。fc u电磁波的波长 一般为2000K2000K以下3108m/s工业上有实际意义的热辐射区域：一般为0.10.1100100mm。 第1页/共29页第一页，共30页。2022-3-72电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱大部分能量(nngling)(nngling)聚积在红外线区段：0.7620m0.7620m，在可见光区段(q dun)(q dun)：0.380

2、.76m0.380.76m，热辐射能量的比重不大。第2页/共29页第二页，共30页。2022-3-73当热辐射投射到物体表面上时，一般(ybn)会发生三种现象：（1）吸收（2）反射（3）穿透11QQQQQQQQQQ物体对热辐射的吸收、反射(fnsh)和穿透 u物体表面(biomin)对电磁波的作用第3页/共29页第三页，共30页。2022-3-74对于(duy)大多数的固体和液体：镜反射(fnsh)漫反射对于不含颗粒(kl)的气体：固体表面的两种反射第4页/共29页第四页，共30页。2022-3-75111绝对(judu)透明体（简称：透明体）：绝对黑体(hit)（简称黑体(hit)）：绝对(

3、judu)镜体或绝对(judu)白体（简称：镜体或白体）：三、黑体模型及其重要性三、黑体模型及其重要性 由于不同物体的吸收比、反射闭合透射比的因不同条件不同差别很大，给辐射计算带来了困难。为方便计算，从理想物体入手研究。 若小孔占内壁面积小于0.6%，当内壁的吸收比为0.6时，小孔的吸收比可大于0.996第5页/共29页第五页，共30页。2022-3-76 单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量(nngling)(nngling)总和，(W/m2)(W/m2)。一、热辐射能量一、热辐射能量(nngling)(nngling)的的表示方法表示方法u辐射力（E） 单位时间内，单

4、位波长范围内，物体的单位表面积向半球空间发射的能量，(W/m(W/m3 3) )。u光谱辐射力E：第6页/共29页第六页，共30页。2022-3-77uE与E的关系(gun x)dEE0注意： 黑体(hit)一般采用下标b表示，则：（1）黑体(hit)的辐射力为Eb（2）黑体的光谱辐射力为Eb二、二、PlanckPlanck定律定律1)(512TcbecE第一辐射常数，第一辐射常数，3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2第二辐射常数，第二辐射常数，1.43881.43881010-2-2 W W K Ku描述黑体光谱辐射力随波长和温度的变化关系德国人，诺贝尔获得者，量子

5、力学的奠基人第7页/共29页第七页，共30页。2022-3-78 随着(su zhe)(su zhe)温度的升高，曲线峰值向较短波长移动。KmTm3108976. 2光谱辐射力随波长的增加(zngji)而增加(zngji)，达到某一最大值后又随着波长的增加(zngji)而减小。在同一波长下黑体(hit)温度越高，对应的光谱辐射力越大。u维恩定律 Eb最大处的波长随温度不同而变化，令德国人，诺贝尔获得者（1911年）第8页/共29页第八页，共30页。2022-3-79 21dEEbb40)(51012TdecdEETcbb黑体在波长(bchng)1(bchng)1和22区段内所发射的辐射力。三、

6、斯忒藩波耳兹曼三、斯忒藩波耳兹曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)定律定律(dngl)(dngl)u描述黑体辐射力随温度(wnd)的变化关系5.675.671010-8-8 w/(mw/(m2 2 K K4 4) )u黑体辐射函数 斯忒藩在18791879年由实验的方法确定，18841884年由波耳兹曼从热力学关系式导出。第9页/共29页第九页，共30页。2022-3-710球面(qimin)面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面(qimin)度)()(1112)0()0(00440)(1212212121TfTfFFdEdETdETdEdEFb

7、bbbbbbbu黑体(hit)辐射函数四、兰贝特（四、兰贝特（LambertLambert）定律）定律(dngl)(dngl)u立体角第10页/共29页第十页，共30页。2022-3-711ddsindd2rAc第11页/共29页第十一页，共30页。2022-3-712 单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切(yqi)(yqi)波长的能量。 dcosd),(d),(ALcosdd),(dbLA 黑体单位(dnwi)面积辐射出去的能量在空间的不同方向分布不均匀，随呈余弦规律变化。u定向(dn xin)辐射强度L(, )uLambert 定律余弦定律对于黑体，L与角度

8、无关第12页/共29页第十二页，共30页。2022-3-713沿半球方向(fngxing)(fngxing)积分上式，可获得了半球辐射强度E:E:uLambert 定律(dngl)与波耳兹曼定律(dngl)的关系bbbLLEdcos2第13页/共29页第十三页，共30页。2022-3-714一、实际一、实际(shj)(shj)物体的辐射力物体的辐射力（E E）14TEEEb 实际(shj)(shj)物体的辐射力E E总小于同温度下黑体的辐射力EbEb发射率（黑度）：E E与E Eb b的比值。通过实验测定，取决于物体自身，与周围环境条件无关。二、实际物体的光谱辐射力（二、实际物体的光谱辐射力（

9、E） 实际物体的光谱辐射力随波长作不规则变化。第14页/共29页第十四页，共30页。2022-3-715实际物体(wt)(wt)的光谱辐射力小于同温度下黑体的光谱辐射力bEE)(实际物体(wt)(wt)的光谱发射率与发射率之间的关系：光谱(gungp)(gungp)发射率（光谱(gungp)(gungp)黑度）：40)(TdEEEbb三、实际物体的定向辐射强度三、实际物体的定向辐射强度u定向发射率（定向黑度） bbLLLL第15页/共29页第十五页，共30页。2022-3-716u定向(dn xin)发射率随角度的变化规律第16页/共29页第十六页，共30页。2022-3-717u定向发射率与

10、平均(pngjn)发射率的关系22)()(dLdLEEbbb 在半球空间的大部分范围内，定向发射率基本为常数，所以(suy)(suy)可用法向发射率代替：nM偏差修正(xizhng)系数 金属：M=1M=11.3(1.3(高度磨光表面用上限）非导体：M=0.95M=0.951.01.0除高度磨光表面外，工程上一般用M=1.0M=1.0第17页/共29页第十七页，共30页。2022-3-718四、需要四、需要(xyo)(xyo)注意的几点问题注意的几点问题u将不确定因素归于修正系数，这是由于(yuy)热辐射非常复杂，很难理论确定，实际上是一种权宜之计。u虽然实际物体的定向发射率并不完全符合Lam

11、bert定律，但仍然近似地认为大多数工程(gngchng)材料服从Lambert定律，有助于问题的简化。u物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况，与外界无关。第18页/共29页第十八页，共30页。2022-3-719一、实际一、实际(shj)(shj)物体的吸收比物体的吸收比投入(tur)(tur)辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能。吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数。)(投入辐射投入的能量吸收的能量吸收比与两方面有关：吸收物体本身的情况投入辐射的特性（外界）第19页/共29页第十九页，共30页。2022-3-720u光谱(gungp)吸收比定义：物体对某一特定波长(b

12、chng)的辐射能所吸收的百分数，叫光谱吸收比。金属(jn(jnsh)sh)非金属能量投入的某一特定波长的能量吸收的某一特定波长的),(1T第20页/共29页第二十页，共30页。2022-3-721光谱(gungp)吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。u实际物体(wt)的吸收具有选择性 应用(yngyng)（1）植物及蔬菜栽培过程中应用的温室效应。（2）焊接工人戴有色眼镜。u实际物体吸收的选择性带来的困难计算根据：（1）吸收一方的性质和温度。（2）投入一方的性质和温度。第21页/共29页第二十一页，共30页。2022-3-722 设下标1 1、2 2分别代表所研究(ynji)(

13、ynji)的物体和产生投入辐射的物体，则物体1 1的吸收比为：)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性质表面的性质，表面投入的总能量吸收的总能量TTfTETTETTbb计算(j sun)如果投入(tur)辐射来自黑体，则)1,(d)(),(d)(d)(),(2142021020211的性质表面TTfTTETTETETbbb第22页/共29页第二十二页，共30页。2022-3-723物体表面对黑体辐射(fsh)(fsh)的吸收比与温度的关系第23页/共29页第二十三页，共30页。2022-3-724二、灰体的概念二、灰体的概念(ginin)(ginin)及其工程应用及其工

14、程应用灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时(c sh)，不管投入辐射的分布如何，吸收比都是同一个常数。 在工程范围内，只要在所研究的波长(bchng)(bchng)范围内光谱吸收比基本上与波长(bchng)(bchng)无关，则灰体的假设即可成立。 而在工程常见的温度范围（2000K2000K）内，许多工程材料都具有这一特点。第24页/共29页第二十四页，共30页。2022-3-72518591859年，Kirchhoff Kirchhoff 用热力学方法(fngf)(fngf)提出了Kirchhoff Kirchhoff 定律。bbbbbEEEEEEE)1 (三、基尔霍夫定律三、基

15、尔霍夫定律(dngl)(dngl)吸收吸收(xshu)(xshu)比与发射率比与发射率的关系的关系（1 1）板1 1为黑体：E Eb b ，T T1 1 （2 2）板2 2为任意物体：E E ， ，T T2 2则，当系统处于热平衡时：u条件：第25页/共29页第二十五页，共30页。2022-3-726Kirchhoff Kirchhoff 定律(dngl)(dngl)：在热力学平衡状态(zhungti)(zhungti)下，物体的吸收率等于它的发射率。(1)(1) 整个系统(xtng)(xtng)处于热平衡状态；u限制：(2)(2)如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值

16、才能相等；(3)(3)投射辐射源必须是同温度下的黑体。u灰体 由于光谱吸收比不随波长变化，所以吸收比与温度无关。那么不论是否处于热平衡，也不论是来自黑体辐射，均存在上述关系。第26页/共29页第二十六页，共30页。2022-3-727注：漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合LambertLambert定律(dngl)(dngl)的物体表面；uKirchhoff Kirchhoff 定律(dngl)(dngl)的不同表达式第27页/共29页第二十七页，共30页。2022-3-728作业(zuy)：7-6; 7-16; 7-23第28页/共29页第二十八页，共30页。 青岛科技大学(dxu)热能与动力工程2022-3-729谢谢您的观看(gunkn)！第29页/共29页第二十九页，共30页。NoImage内容(nirng)总结2021/11/14。第1页/共29页。第2页/共29页。E与E的关系。黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力。斯忒藩在1879年由实验(shyn)的方法确定，1884年由波耳兹曼从热力学关系式导出。沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:。定向发射率（定向黑度）。物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况，与外界无关。而在工程常见的温度范围（2000K）内，许多工程材料都具有这一特点。吸收比与发射率的关系第三十页，共30页。