第四章辐射换热课件

第八章第八章 热辐射和辐射换热热辐射和辐射换热 8-1热辐射的基本概念热辐射的基本概念8-2热辐射基本定律热辐射基本定律第八章 热辐射和辐射换热 8-1 热辐射的基本概念8-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 一、辐射和热辐射一、辐射和热辐射一、辐射和热辐射一、辐射和热辐射辐辐辐辐射射射射：从从从从宏宏宏宏观观观观的的的的角角角角度度度度、辐辐辐辐射射射射是是是是连连连连续续续续的的的的电电电电磁磁磁磁波波波波传传传传递递递递能能能能量量量量的的的的过过过过程程程程；从从从从微微微微观观观观的的的的角角角角度度度度，辐辐辐辐射射射射是是是是不不不不连连连连续续续续的的的的量量量量子子子子传传传传递递递递能能能能量量量量的的的的过过过过程程程程。因因因因此此此此，物物物物体体体体向向向向外外外外界界界界以以以以电电电电磁磁磁磁波波波波的形式的形式的形式的形式发射发射发射发射携带能量的量子携带能量的量子携带能量的量子携带能量的量子的过程称为辐射的过程称为辐射的过程称为辐射的过程称为辐射。辐辐辐辐射射射射能能能能：通通通通过过过过辐辐辐辐射射射射所所所所传传传传递递递递的的的的能能能能量量量量称称称称为为为为辐辐辐辐射射射射能能能能(也也也也把把把把辐射这个术语用来表明辐射能本身辐射这个术语用来表明辐射能本身辐射这个术语用来表明辐射能本身辐射这个术语用来表明辐射能本身)。热热热热辐辐辐辐射射射射：通通通通常常常常把把把把物物物物质质质质由由由由于于于于自自自自身身身身与与与与温温温温度度度度有有有有关关关关的的的的原原原原因因因因而激而激而激而激发产发产发产发产生的生的生的生的电电电电磁波磁波磁波磁波传传传传播称播称播称播称为为为为热辐热辐热辐热辐射射射射。8-1 热辐射的基本概念 一、辐射和热辐射热辐射的特征热辐射的特征：不需要物体间直接接触（在真空中，不需要物体间直接接触（在真空中，无需媒介）；无需媒介）；有能量形式的转变；有能量形式的转变；与温度的关系不与温度的关系不同。同。由于热辐射也属于一种辐射现象，从而也遵循由于热辐射也属于一种辐射现象，从而也遵循 c 式中式中：c 光速；光速；波长；波长；频率。频率。热辐射的传播是以不连续的量子形式进行的，热辐射的传播是以不连续的量子形式进行的，每个量子的能量每个量子的能量为：为：Eh 式中式中 h 普朗克常数，其值为普朗克常数，其值为6.625610-34JS。热辐射的特征：不需要物体间直接接触（在真空中，无需媒介）；从理论上讲，热辐射的波长范围可在从理论上讲，热辐射的波长范围可在0之间，但在工业范围之间，但在工业范围内，一般温度不超过内，一般温度不超过2000K，在这一温度范围内，主要考虑的热辐，在这一温度范围内，主要考虑的热辐射的波长为射的波长为0.1m100m，称为热辐射线（可见光：，称为热辐射线（可见光：0.38m0.76m）。）。从图中可以看出，热辐射线组成：从图中可以看出，热辐射线组成：部分紫外线、可见光及红外部分紫外线、可见光及红外线。其中，红外线占优。线。其中，红外线占优。从理论上讲，热辐射的波长范围可在0之间二、辐射能的吸收、反射和透射二、辐射能的吸收、反射和透射 各各种种辐辐射射射射线线都都是是电电磁磁波波，因因而而它它们们之之间间并并无无绝绝对对的的对对立立，可可见见光光与与不不可可见见的的热热射射线线也也无无本本质质的的区区别别。当当热热辐辐线线投投射射到到物物体体上上时时，和和可可见见光光一一样样也也有有吸吸收收，反反射射和透射和透射现象发生。现象发生。二、辐射能的吸收、反射和透射 各种辐射射线都是电磁p 根据能量守恒原则：根据能量守恒原则：GGGGG/GG/GG/G1 其中：其中：G G/G/G、G G/G/G、G G/G/G分别称为该物体对投射辐射的分别称为该物体对投射辐射的吸收率，反射率和透射率吸收率，反射率和透射率，p 依次用符号依次用符号、表示，即有：表示，即有：1 1 (8-3a)根据能量守恒原则：依次用符号、表示，即有：p单单色色辐辐射射：在在某某个个特特定定波波长长下下的的辐辐射射称称为为单单色色辐辐射射，如如果果投投射射能能量量是是单单色色辐辐射射，上上述述关关系系也也同样适用。同样适用。(8-3b)(8-3b)式式中中:、分分别别为为单单色色吸吸收收率率、单单色色反反射率和单色透射率射率和单色透射率。p 、和和、是是物物体体表表面面的的辐辐射射特特性性，和和物物体体的的性性质质，温温度度及及表表面面状状况况有有关关。、还和投射能量的波长分布有关。还和投射能量的波长分布有关。单色辐射：在某个特定波长下的辐射称为单色辐射，如果投射能量是p 固固体体和和液液体体不不允允许许热热辐辐射射透透过过。透透射射率率，即即。即即：吸吸收收能能力力大大的的物物体体其其反反射射本本领领就就小小；反反之之吸吸收收能能力力小小的的物物体体其其反反射射本本领领就就大大。为为镜镜体体（白白体体）；为为绝绝对对黑黑体体（重重点点研究对象）；研究对象）；p 气气体体对对辐辐射射能能几几乎乎没没有有反反射射能能力力，可可认认为为反反射射率率，即即。显显然然，吸吸收收性性大大的的气气体体，其其穿穿透透性性就就差差。多多原原子子气气体体才才具具有有吸吸收收能能力。力。称为称为透明体透明体。p 固固体体和和液液体体物物体体表表面面状状况况对对这这些些特特性性的的影影响响是至关重要的。是至关重要的。p 不不同同物物体体对对于于不不同同波波长长的的热热辐辐射射的的透透射射率率、吸吸收收率率和和反反射射率率也也不不同同。（大大棚棚蔬蔬菜菜、温温室室效效应应-地球变暖）地球变暖）固体和液体不允许热辐射透过。透射率，即p自自然然界界中中并并不不存存在在绝绝对对的的黑黑体体、白白体体和和透透明明体体，它它们们只是实际物体热辐射性能的只是实际物体热辐射性能的理想模型理想模型。p黑体、白体和透明体都是对黑体、白体和透明体都是对全波长全波长射线而言的。射线而言的。p不能按物体的颜色来判断不能按物体的颜色来判断。p因因此此，物物体体对对外外来来辐辐射射的的吸吸收收和和反反射射能能力力是是和和物物体体的的性质、表面状况、所处温度和发射物体的温度有关性质、表面状况、所处温度和发射物体的温度有关。p自自然然界界所所有有物物体体的的吸吸收收率率，反反射射率率和和透透射射率率的的数数值值都都在在 0 0到到1 1 的的范范围围内内变变化化，每每个个量量的的数数值值又又因因具具体体条条件件不不同同而而千千差差万万别别。为为了了使使问问题题简简化化，可可以以从从理理想物体想物体入手进行研究。如研究入手进行研究。如研究黑体、白体、透明体黑体、白体、透明体。对理想物体的几点说明对理想物体的几点说明自然界中并不存在绝对的黑体、白体和透明体，它们只是实际物体热辐辐射射能能投投射射到到物物体体表表面面后后的的反反射射现现象象，也也和和可可见见光光一一样样有有镜镜面反射和漫反射面反射和漫反射两种情况。两种情况。当当表表面面不不平平整整尺尺寸寸（表表面面粗粗糙糙度度）小小于于投投射射辐辐射射的的波波长长时时，形形成成镜镜面面反反射射，此此时时入入射射角角等等于于反反射角。射角。当当表表面面不不平平整整尺尺寸寸（表表面面粗粗糙糙度度）大大于于投投射射辐辐射射的的波波长长时时，入入射射射射线线被被反反射射后后沿沿各各个个方方向向均均匀匀分分布布、形形成成漫漫反反射射。一一般般工工程程材材料的表面大都形成漫反射。料的表面大都形成漫反射。辐射能投射到物体表面后的反射现象，也和可见光一样有镜面反射和p辐辐射射力力是是物物体体参参与与辐辐射射的的单单位位表表面面积积在在单单位位时时间间内内向向半半球球空空间间发发射射出出去去的的0 0波波长长范范围围内内的的总总能能量量，用用符符号号E E表表示示，单单位位是是W Wm m。从从总总体体上上表表征征物物体体发发射辐射能本领的大小。射辐射能本领的大小。p单单色色辐辐射射力力指指若若辐辐射射力力仅仅指指某某波波长长下下波波长长间间隔隔dd范范围围内内所所发发射射的的能能量量。用用符符号号E E表表示示，单单位位是是W(mm)，三、辐射力三、辐射力辐射力是物体参与辐射的单位表面积在单位时间内向半球空间发射出8-2 热辐射基本定律热辐射基本定律1.普朗克普朗克（Planck）定律定律 3.斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律定律 4.基尔霍夫基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律定律2.维恩维恩（Wien）位移定律位移定律黑黑黑黑体体体体8-2 热辐射基本定律 1.普朗克（Planck）定律 黑黑体体作作为为理理想想辐辐射射体体，能能够够吸吸收收来来自自半半球球各各个个方方向向各各种种波波长长的的全全部部能能量量。黑黑体体吸吸收收率率最最大大，辐辐射射力力亦亦最最强强，是是一一个个理理想想化化的的物物体体。此此后后凡凡与与黑黑体体辐辐射射有有关关的的物物理理量量，均均以以右右下下角角标标“b”表示。表示。黑体作为理想辐射体，能够吸收来自半球各个方向各种波长的全部能一、普朗克（一、普朗克（PlanckPlanck）定律）定律(黑体辐射按波长分布的规律黑体辐射按波长分布的规律)普朗克定律即普朗克定律即黑体单色辐射力黑体单色辐射力Eb与与波长波长和物体和物体表面表面绝对温度绝对温度T之间的函数关系式：之间的函数关系式：式中：式中：-波长，波长，m；T-黑体温度，黑体温度，K；C1-第一第一辐射常数，射常数，3.74310-16 wm2C2-第二辐射常数，第二辐射常数，1.438710-2mK一、普朗克（Planck）定律(黑体辐射按波长分布的规律)特点特点特点特点：（1 1）温温温温度度度度愈愈愈愈高高高高，同同同同一一一一波波波波长长长长下下下下的的的的单单单单色色色色辐辐辐辐射射射射力力力力愈愈愈愈大大大大。当当当当温温温温度度度度较较较较低低低低时时时时，可可可可见见见见光光光光所所所所占占占占份份份份额额额额很很很很少少少少（T800KT800K无无无无颜颜颜颜色色色色变变变变化化化化），但但但但随随随随着着着着T T的的的的升升升升高高高高，所所所所占占占占份份份份额额额额有有有有所所所所升升升升高高高高，若若若若是是是是太太太太阳阳阳阳辐辐辐辐射射射射，辐辐辐辐射射射射能能能能在在在在可可可可见见见见光光光光区区区区所所所所占占占占份额很大。份额很大。份额很大。份额很大。（2 2）在在在在一一一一定定定定的的的的温温温温度度度度下下下下，黑黑黑黑体体体体的的的的单单单单色色色色辐射力在某一波长下具有最大值；辐射力在某一波长下具有最大值；辐射力在某一波长下具有最大值；辐射力在某一波长下具有最大值；（3 3）随随随随着着着着温温温温度度度度的的的的升升升升高高高高，E Eb b 取取取取得得得得最最最最大大大大值值值值的的的的波波波波长长长长 maxmax愈愈愈愈来来来来愈小，即在愈小，即在愈小，即在愈小，即在 坐标中的位置向短波方向移动。坐标中的位置向短波方向移动。坐标中的位置向短波方向移动。坐标中的位置向短波方向移动。特点：（1）温度愈高，同一波长下的单色辐射力愈大二、维恩二、维恩（Wien）位移定律位移定律:德国物理学家维恩在德国物理学家维恩在1896年用经典热力学方法确定年用经典热力学方法确定了了Eb为最大值时为最大值时的的波长波长max与温度与温度T之间之间的关系：的关系：例例8-18-1：试试分分别别计计算算温温度度为为2000K2000K和和5800K5800K的的黑黑体体的的最大单色辐射力所对应的波长最大单色辐射力所对应的波长m m。解：解：T=2000KT=2000K时，时，T=5800KT=5800K时，时，二、维恩（Wien）位移定律:德国物理学家三、斯蒂芬三、斯蒂芬玻尔兹曼玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律定律(黑体全波辐射能力的规律黑体全波辐射能力的规律)上上式式说说明明：黑黑体体的的单单位位表表面面积积上上在在单单位位时时间间内内发发出出的的(包包括括全全波波长长范范围围的的)热热辐辐射射总总能能量量，和和它它的的绝绝对对温温度度四次方成正比四次方成正比。斯蒂芬。斯蒂芬-玻尔兹曼定律亦称玻尔兹曼定律亦称四次方定律四次方定律。式式式式中中中中 b b=5.67105.6710-8-8 W/(mW/(m2 2 K K4 4)，称称称称为为为为斯斯斯斯忒忒忒忒藩藩藩藩玻玻玻玻耳耳耳耳兹兹兹兹曼曼曼曼常常常常数数数数，又又又又称称称称为为为为黑黑黑黑体体体体辐辐辐辐射射射射常常常常数数数数。C Cb b=5.67 5.67 W/(mW/(m2 2 K K4 4)，称称称称为为为为黑体辐射系数黑体辐射系数黑体辐射系数黑体辐射系数。三、斯蒂芬玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律 波段辐射力波段辐射力波段辐射力波段辐射力 波段辐射力波段辐射力波段辐射力波段辐射力 占黑体辐射力占黑体辐射力占黑体辐射力占黑体辐射力E Eb b的百分数：的百分数：的百分数：的百分数：波段辐射力 波段辐射力 占 根据普朗克定律表达式，根据普朗克定律表达式，根据普朗克定律表达式，根据普朗克定律表达式，f f(T T)称称称称为为为为黑黑黑黑体体体体辐辐辐辐射射射射函函函函数数数数，表表表表示示示示温温温温度度度度为为为为T T 的的的的黑黑黑黑体体体体所所所所发发发发射的辐射能中在波段（射的辐射能中在波段（射的辐射能中在波段（射的辐射能中在波段（0 0）内的辐射能所占的百分数。）内的辐射能所占的百分数。）内的辐射能所占的百分数。）内的辐射能所占的百分数。可可可可用用用用于于于于绘绘绘绘制制制制计计计计算算算算曲曲曲曲线线线线或或或或黑黑黑黑体体体体辐辐辐辐射射射射函函函函数数数数表表表表，查查查查取取取取波波波波段段段段辐射能量的份额。辐射能量的份额。辐射能量的份额。辐射能量的份额。根据普朗克定律表达式，f(T)例例8-2 8-2 试试求求当当温温度度为为2000K2000K时时黑黑体体最最大大的的单单色色辐辐射射力力所所对对应应的的波波长长；此此时时可可见见光光与与红红外外线线在在总总辐辐射射中中所所占占份额各为多少份额各为多少?解解：应应用用式式(8-10)，该该黑黑体体最最大大的的辐辐射射力力所所对对应应的的波波长长max为：为：max2897.6/20001.4488m 可可见见光光的的波波长长范范围围为为0.380.76m，红红外外线线波波长长范范围围为为0.761000m可可分分别别算算出出各各波波长长下下的的值值并由表并由表8-18-1查出对应的查出对应的Fb(0T)值。值。0.38mT760mKFb(00.38)0.110-40.76mT1520mKFb(00.76）0.1610-11000mT210mKFb(01000）1.0例8-2 试求当温度为2000K时黑体最大的单色辐射力所对可见光在总辐射中所占的份额可见光在总辐射中所占的份额Fb(0.380.76)0.0160.110-40.015991.599红外线在总辐射中所占的份额红外线在总辐射中所占的份额 Fb(0.761000)0.0160.98498.4显显然然，在在这这样样的的温温度度下下，可可见见光光辐辐射射所占份额是微不足道的。所占份额是微不足道的。可见光在总辐射中所占的份额4.基尔霍夫基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律定律（物体物体吸收辐射能的能力吸收辐射能的能力与与发射辐射能的能力发射辐射能的能力之之间的关系间的关系）实际物体的发射特性实际物体的发射特性实际物体的发射特性实际物体的发射特性 发射率（黑度）：发射率（黑度）：发射率（黑度）：发射率（黑度）：物物物物体体体体辐辐辐辐射射射射力力力力与与与与同同同同温温温温黑黑黑黑体的辐射力之比。体的辐射力之比。体的辐射力之比。体的辐射力之比。单色发射率（单色黑度）：单色发射率（单色黑度）：单色发射率（单色黑度）：单色发射率（单色黑度）：发射率反映物体发射辐射能的能力与黑体的差别。发射率反映物体发射辐射能的能力与黑体的差别。发射率反映物体发射辐射能的能力与黑体的差别。发射率反映物体发射辐射能的能力与黑体的差别。发射率发射率发射率发射率与与与与单色发射率单色发射率单色发射率单色发射率之间的关系为：之间的关系为：之间的关系为：之间的关系为：4.基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律（物体吸收灰体灰体灰体灰体 灰体灰体灰体灰体是指物体的单色辐射率即是指物体的单色辐射率即是指物体的单色辐射率即是指物体的单色辐射率即发射率与波长无关发射率与波长无关发射率与波长无关发射率与波长无关的物体。的物体。的物体。的物体。灰体的辐射力灰体的辐射力遵循遵循斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 EEbbT (8-19a)cb（T/100)4 (8-19b)说明：自然界中并无说明：自然界中并无说明：自然界中并无说明：自然界中并无绝对灰体绝对灰体绝对灰体绝对灰体，它仅作为一种，它仅作为一种，它仅作为一种，它仅作为一种假想假想假想假想物体物体物体物体。实际物体在。实际物体在。实际物体在。实际物体在红外波长范围红外波长范围红外波长范围红外波长范围内，可以近似地看作是内，可以近似地看作是内，可以近似地看作是内，可以近似地看作是灰体。灰体。灰体。灰体。灰体 灰体是指物体的单色辐射率即发射率与波长无 实实实实际际际际物物物物体体体体的的的的单单单单色色色色辐辐辐辐射射射射力力力力随随随随波波波波长长长长的的的的变变变变化化化化规规规规律律律律不不不不同同同同于于于于黑黑黑黑体和灰体，实际物体的单色发射率是波长的函数。体和灰体，实际物体的单色发射率是波长的函数。体和灰体，实际物体的单色发射率是波长的函数。体和灰体，实际物体的单色发射率是波长的函数。实实实实际际际际物物物物体体体体的的的的辐辐辐辐射射射射力力力力并并并并不不不不严严严严格格格格遵遵遵遵循循循循四四四四次次次次方方方方定定定定律律律律，但但但但在在在在工程计算中，实际物体的辐射力可以由下式计算工程计算中，实际物体的辐射力可以由下式计算工程计算中，实际物体的辐射力可以由下式计算工程计算中，实际物体的辐射力可以由下式计算 所存在的偏差由实验确定的发射率数值加以考虑。所存在的偏差由实验确定的发射率数值加以考虑。所存在的偏差由实验确定的发射率数值加以考虑。所存在的偏差由实验确定的发射率数值加以考虑。实际物体的单色辐射力随波长的变化规律不同于黑体和灰体基尔霍夫基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律定律 基基基基尔尔尔尔霍霍霍霍夫夫夫夫定定定定律律律律揭揭揭揭示示示示了了了了物物物物体体体体吸吸吸吸收收收收辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的能能能能力力力力与与与与发发发发射射射射辐射能的能力之间的关系。辐射能的能力之间的关系。辐射能的能力之间的关系。辐射能的能力之间的关系。黑黑黑黑体体体体平平平平壁壁壁壁 任任任任意意意意平平平平壁壁壁壁 平平平平壁壁壁壁1212间间间间辐辐辐辐射射射射换换换换热热热热的的的的净净净净热热热热流密度为：流密度为：流密度为：流密度为：当当当当平平平平壁壁壁壁1212温温温温度度度度相相相相等等等等，即即即即处处处处于热平衡状态，于热平衡状态，于热平衡状态，于热平衡状态，q21=0，可得，可得，可得，可得既然平壁既然平壁既然平壁既然平壁2 2 2 2为任意壁面，可写成为任意壁面，可写成为任意壁面，可写成为任意壁面，可写成基基基基尔尔尔尔霍霍霍霍夫夫夫夫定定定定律律律律 表达式之一表达式之一表达式之一表达式之一基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律 基尔霍夫定据发射率的概念，克希霍夫定律还可写作：据发射率的概念，克希霍夫定律还可写作：E/b对于特定波长，同理可有：对于特定波长，同理可有：这这是是基基尔尔霍霍夫夫定定律律的的又又一一表表达达式式，它它说说明明在在热热平平衡衡条条件件下下，任任意意物物体体的的吸吸收收率率等等于于同同温度下该物体的发射率温度下该物体的发射率(黑度黑度)。据发射率的概念，克希霍夫定律还可写作：当当温温度度一一定定时时，灰灰体体的的吸吸收收率率和和黑黑度度也也是是一一定定的的，即即灰灰体体能能吸吸收收投投射射来来的的各各种种不不同同波波长长的的辐辐射射能能；同同时时灰灰体体向向外外发发射射能能量量时时，其其黑黑度度也也不不随随波波长长改改变变。根据基尔霍夫定律，灰体有：。根据基尔霍夫定律，灰体有：灰灰体体的的吸吸收收率率与与黑黑度度相相等等而而又又与与外外界界条条件件无无关关，也也就就无无所谓是否处于热平衡的条件所谓是否处于热平衡的条件了。了。在在工工业业高高温温下下多多数数材材料料的的热热辐辐射射主主要要处处于于红红外外线线波波长长范范围围内内，材材料料的的值值随随的的变变化化不不大大因因此此允允许许把把工工程程材材料料作作为为灰灰体体处处理理。若若热热辐辐射射中中可可见见光光所所占占的的份份额额较较大大，则不能把材料作灰体处理，否则将导致较大误差。则不能把材料作灰体处理，否则将导致较大误差。对于灰体对于灰体当温度一定时，灰体的吸收率和黑度也是一定的，即灰体能吸收投射作业：作业：155页习题：页习题：8-1提示：四次方定律、普朗提示：四次方定律、普朗克定律克定律8-3提示：四次方定律、波段提示：四次方定律、波段辐射力、维恩位移定律辐射力、维恩位移定律作业：