热能工程系工程热物理研究所传热学与工程热力学概论课件

辐射换热辐射换热热辐射的基本概念和基本定律热辐射的基本概念和基本定律（）角系数角系数（）黑体辐射换热黑体辐射换热（了解）（了解）灰体间的辐射换热灰体间的辐射换热（）遮热板的作用遮热板的作用（）气体辐射气体辐射（了解）（了解）辐射换热热辐射的基本概念和基本定律（辐射换热热辐射的基本概念和基本定律（）热辐射的基本概念热辐射的基本概念辐射辐射：物体通过电磁波传递能量的过程。：物体通过电磁波传递能量的过程。热热辐辐射射：由由于于物物体体内内部部微微观观粒粒子子的的热热运运动动状状态态的的改改变变，而而将将部部分分内内能能转转换换成成电磁波的能量发射出去的过程。电磁波的能量发射出去的过程。辐辐射射换换热热：物物体体之之间间以以热热辐辐射射方方式式进进行行热量交换。热量交换。热辐射的基本概念辐射：物体通过电磁波传递能量的过程。热辐射的基本概念辐射：物体通过电磁波传递能量的过程。热辐射的本质热辐射的本质热辐射的本质热辐射的本质热辐射的基本概念热辐射的基本概念1.热辐射特点热辐射特点a任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 0K，就会不停地，就会不停地向周围空间发出热辐射；向周围空间发出热辐射；b可以在真空中传播；可以在真空中传播；c伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关；f发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。热辐射的基本概念热辐射的基本概念1.热辐射特点热辐射特点2.2.电磁波谱电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图所示，而我们所感兴趣电磁辐射包含了多种形式，如图所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域是的，即工业上有实际意义的热辐射区域是0.11000.1100mm电磁波的传播速度：电磁波的传播速度：c=f c=f 式中：式中：f f 频率，频率，s-1;s-1;波长，波长，mm2.电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图所示，而我们所感兴电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图所示，而我们所感兴吸收比、反射比和透射比吸收比、反射比和透射比G=G+G+G 反射透射吸收玻璃投入辐射投入辐射G G：单单位时间位时间内投射到内投射到单位面积单位面积物体表物体表面上的面上的全波长全波长范范围内的辐射能。围内的辐射能。吸收比、反射比和透射比吸收比、反射比和透射比G=Gr+Gt+Ga反射透射吸收玻璃投反射透射吸收玻璃投吸收比、反射比和透射比吸收比、反射比和透射比反射比：反射比：透射比：透射比：吸收比：吸收比：反射透射吸收玻璃G=G+G+G+=1+=1吸收比、反射比和透射比反射比：反射透射吸收玻璃吸收比、反射比和透射比反射比：反射透射吸收玻璃G=Gr+Gt吸收比、反射比和透射比吸收比、反射比和透射比固体和液体的透射比为零：固体和液体的透射比为零：+=1n 镜反射表面镜反射表面绝大多数工程材料对热辐射的反射都近似绝大多数工程材料对热辐射的反射都近似于漫反射。于漫反射。吸收比、反射比和透射比固体和液体的透射比为零：吸收比、反射比和透射比固体和液体的透射比为零：+=1n光谱吸收比、反射比和透射比光谱吸收比、反射比和透射比投入辐射是某一波长投入辐射是某一波长 的辐射能的辐射能G 光谱吸收比光谱吸收比:光谱反射比光谱反射比:光谱透射比光谱透射比:光谱吸收比、反射比和透射比投入辐射是某一波长光谱吸收比、反射比和透射比投入辐射是某一波长 的辐射能的辐射能G 灰体与黑体灰体与黑体灰体：灰体：光谱辐射特性不随波长变化的假想物体。光谱辐射特性不随波长变化的假想物体。绝大多数工程材料都可近似作为灰体处理。绝大多数工程材料都可近似作为灰体处理。黑体：黑体：吸收比吸收比=1=1的假想物体。的假想物体。黑体对于热辐射规律的研究具有重要意义。黑体对于热辐射规律的研究具有重要意义。白体（镜体）：白体（镜体）：反射比反射比=1=1的假想物体。的假想物体。透明体：透明体：透射比透射比=1的假想物体的假想物体。灰体与黑体灰体：光谱辐射特性不随波长变化的假想物体。黑体：吸灰体与黑体灰体：光谱辐射特性不随波长变化的假想物体。黑体：吸辐射力和有效辐射辐射力和有效辐射辐射力辐射力E:单位时间内物体的单位辐射面积单位时间内物体的单位辐射面积向向半球空间半球空间发射的发射的全部波长全部波长的辐射能。的辐射能。有效辐射有效辐射J：反射辐射和发射辐射之和。：反射辐射和发射辐射之和。有效辐射示意有效辐射示意辐射力和有效辐射辐射力辐射力和有效辐射辐射力E:单位时间内物体的单位辐射面积向半球单位时间内物体的单位辐射面积向半球光谱辐射力光谱辐射力E：某一波长辐射能的辐射力。：某一波长辐射能的辐射力。定向辐射力定向辐射力E：单位时间内，单位面积在某单位时间内，单位面积在某一方向的单位立体角内所发出的辐射能一方向的单位立体角内所发出的辐射能。光谱辐射力光谱辐射力E：某一波长辐射能的辐射力。定向辐射力：某一波长辐射能的辐射力。定向辐射力E：单位：单位漫射表面漫射表面漫发射表面：漫发射表面：能向空间各方向发出均匀辐能向空间各方向发出均匀辐射强度的物体表面。射强度的物体表面。漫反射表面：漫反射表面：不论外界辐射是以一束射线不论外界辐射是以一束射线沿某一方向投入还是从整个半球空间均匀沿某一方向投入还是从整个半球空间均匀投入，物体表面在半球空间范围内各方向投入，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强度的物体表面。上都有均匀的反射辐射强度的物体表面。漫射表面：漫射表面：既是漫发射表面又是漫反射表既是漫发射表面又是漫反射表面的物体表面。面的物体表面。漫射表面漫发射表面：能向空间各方向发出均匀辐射强度的物体表面漫射表面漫发射表面：能向空间各方向发出均匀辐射强度的物体表面漫射表面漫射表面漫射表面漫射表面黑体光谱辐射力黑体光谱辐射力与热力学温度与热力学温度T、波长波长 的关系：的关系：一、普朗克定律一、普朗克定律黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律C C1 1普朗克第一常数，普朗克第一常数，C C1 1=3.74310=3.74310-16-16 W W m m2 2C C2 2普朗克第二常数，普朗克第二常数，C C2 2=1.43910=1.43910-2-2 m m K K黑体光谱辐射力与热力学温度黑体光谱辐射力与热力学温度T、波长、波长 的关系：一、普朗克的关系：一、普朗克一、普朗克定律一、普朗克定律1.温度越高，同一波温度越高，同一波长下的光谱辐射力长下的光谱辐射力越大；越大；2.在同一温度下，光在同一温度下，光谱辐射力随波长连谱辐射力随波长连续变化，并在某一续变化，并在某一波长下有最大值；波长下有最大值；3.随着温度的升高，随着温度的升高，光谱辐射力取得最光谱辐射力取得最大值的波长大值的波长 max越越来越小。来越小。一、普朗克定律一、普朗克定律1.温度越高，同一波长下的光谱辐射力越大；温度越高，同一波长下的光谱辐射力越大；二、二、Wien位移定律：位移定律：光学仪器测得：太阳的光谱光学仪器测得：太阳的光谱辐射力最大时的波长为辐射力最大时的波长为 max=0.5m mm，T=5796K工业上常见的温度一般低于工业上常见的温度一般低于2000K，max=1.45m mm，处，处于红外线范围内。于红外线范围内。黑体光谱辐射力取得最大黑体光谱辐射力取得最大值的波长与热力学温度之值的波长与热力学温度之间的关系：间的关系：maxT=2.897610-3mK二、二、Wien位移定律：光学仪器测得：太阳的光谱辐射力最大时的位移定律：光学仪器测得：太阳的光谱辐射力最大时的热能工程系工程热物理研究所传热学与工程热力学概论课件热能工程系工程热物理研究所传热学与工程热力学概论课件三、三、J.Stefan-D.Boltzmann 定律定律黑体的辐射力与其热力学温度黑体的辐射力与其热力学温度T T的的4 4次方成次方成正比。正比。黑体辐射常数黑体辐射常数黑体辐射系数黑体辐射系数三、三、J.Stefan-D.Boltzmann定律黑体的定律黑体的热能工程系工程热物理研究所传热学与工程热力学概论课件热能工程系工程热物理研究所传热学与工程热力学概论课件波段辐射力波段辐射力Eb(1 2)波段辐射力与同波段辐射力与同温度下黑体辐射温度下黑体辐射力之比：力之比：波段辐射力波段辐射力Eb(1 2)波段辐射力与同温度下黑体辐射力之波段辐射力与同温度下黑体辐射力之T/(mK)Fb(0-)/%T/(mK)Fb(0-)/%10001100120013001400150016001700180019002000220024002600280030003200340036003800400042004400460048005000550060000.03230.09160.2140.4340.7821.2901.9792.8623.9465.2256.69010.1114.0518.3422.8227.3631.8536.2140.4044.3848.1351.6454.9257.9660.7963.4169.1273.816500700075008000850090009500100001200014000160001800020000220002400026000280003000035000400004500050000550006000070000800009000010000077.6680.8383.4685.6487.4789.0790.3291.4394.5196.2997.3898.0898.5698.8999.1299.3099.4399.5399.7099.7999.8599.8999.9299.9499.9699.9799.9899.99黑体辐射函数，表黑体辐射函数，表示温度为示温度为T T的黑体所的黑体所发射的在波段发射的在波段0 0 内的辐射能占同温内的辐射能占同温度下黑体辐射力的度下黑体辐射力的百分数。百分数。T/(m K)Fb(0-)/%T/(四、兰贝特定律四、兰贝特定律兰贝特定律：黑体的辐射强度与方向无关，兰贝特定律：黑体的辐射强度与方向无关，即黑体的辐射强度在空间分布均匀。即黑体的辐射强度在空间分布均匀。漫发射表面：漫发射表面：能向空间各方向发出均匀辐射强度能向空间各方向发出均匀辐射强度的物体表面。的物体表面。漫反射表面：漫反射表面：不论外界辐射是以一束射线沿某一不论外界辐射是以一束射线沿某一方向投入还是从整个半球空间均匀投入，物体表方向投入还是从整个半球空间均匀投入，物体表面在半球空间范围内各方向上都有均匀的反射辐面在半球空间范围内各方向上都有均匀的反射辐射强度的物体表面。射强度的物体表面。漫射表面：漫射表面：既是漫发射表面又是漫反射表面的物既是漫发射表面又是漫反射表面的物体表面。体表面。四、兰贝特定律兰贝特定律：黑体的辐射强度与方向无关，即黑体的四、兰贝特定律兰贝特定律：黑体的辐射强度与方向无关，即黑体的四、兰贝特定律四、兰贝特定律兰贝特定律：黑体的辐射强度与方向无关，兰贝特定律：黑体的辐射强度与方向无关，即黑体的辐射强度在空间分布均匀。即黑体的辐射强度在空间分布均匀。又称余弦定律又称余弦定律漫发射体：漫发射体：四、兰贝特定律兰贝特定律：黑体的辐射强度与方向无关，即黑体的四、兰贝特定律兰贝特定律：黑体的辐射强度与方向无关，即黑体的热能工程系工程热物理研究所传热学与工程热力学概论课件热能工程系工程热物理研究所传热学与工程热力学概论课件总结总结黑体辐射能量按波长分布服从黑体辐射能量按波长分布服从普朗克定律普朗克定律；按空间分布服从按空间分布服从兰贝特定律兰贝特定律；辐射力的大小；辐射力的大小由由斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼（四次方）波尔茨曼（四次方）定律确定；定律确定；维恩位移定律维恩位移定律揭示了最大单色辐射力的分布揭示了最大单色辐射力的分布规律。规律。总结黑体辐射能量按波长分布服从普朗克定律；按空间分布服从兰贝总结黑体辐射能量按波长分布服从普朗克定律；按空间分布服从兰贝