第五章热辐射的基本概念及基本定律

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,*,5-1,热辐射的本质和辐射换热特点,5-2,热辐射表面的一般性质,5-3,辐射力和有效辐射,5-4,黑体辐射基本定律,5-5,灰体和基尔霍夫定律,5-6,气体辐射,5-7,太阳辐射,第五章 热辐射基本概念,及基本定律,9/21/2024,1,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,1.,理解热辐射的本质和特点以及吸收比、反射比、穿透比、黑体、透明体、灰体、漫射体、辐射力、有效辐射等概念。,2.,掌握热辐射的基本定律及黑体辐射函数表的应用。,3.,理解实际物体的辐射特性及其黑度、吸收比的确定方法。,4,掌握气体辐射的特点，了解太阳辐射的特点。,基 本 要 求,9/21/2024,2,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,第一节 热辐射的本质和辐射换热特点,辐射,:,物体以电磁波的形式释放能量的现象。,热辐射,:,物体由于热的原因发生的辐射现象。,热辐射是大部分物体固有的属性，物体之间可以依靠热辐射进行辐射换热。,辐射能依靠电磁波在真空或介质中传播，传播速度等于光速。,c=,9/21/2024,3,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,电磁波波谱：,热射线,包括,:,可见光,:,=0.38,0.76m,部分紫外线,:,0.38m,部分红外线,:,0.76m,=0.1,100m,9/21/2024,4,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,工程上，辐射物体温度一般在,2000K,以下，,热辐射主要集中于红外线区域,。,辐射体温度不同，辐射能量的强度不同，辐射光的颜色也不同。,在工程技术中，常常可根据灼热物体的颜色来近似估计物体的温度 。,例如，金属工件的加热。,9/21/2024,5,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,发光颜色与对应温度的关系,9/21/2024,6,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,辐射换热的特点：,（,1,）辐射换热与导热和对流换热不同，发生辐射换热时不需要存在任何形式的中间介质。,即使在真空中热辐射也可以进行。,辐射换热,:,当物体温度不同时，物体之间通过热射线的相互辐射和吸收，进行能量交换的现象。,9/21/2024,7,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,（,3,）辐射换热量与两个物体热力学温度的四次方之差成正比。,导热量或对流换热量只与物体温度的一次方之差成正比,两个物体的温度差对于辐射换热量的影响更强烈,。,（,2,）,在辐射换热过程中，不仅有能量的交换，而且还有能量形式的转化。,吸收热辐射时：辐射能 内热能,发射热辐射时：内热能 辐射能,9/21/2024,8,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,（,4,）,物体间辐射换热时进行的能量传递是双向的。,大部分温度高于,0K,的物体都具有发射热辐射的能力，温度愈高，发射和吸收热辐射的能力愈强。,即使两个物体温度相同，辐射换热也在不断进行，只是处于热动平衡状态，净辐射换热量为零。,高温物体,低温物体,9/21/2024,9,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,辐射换热的主要影响因素,（,1,）物体本身的温度、表面辐射特性；,（,2,）物体的大小、几何形状及相对位置。,返回,9/21/2024,10,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,第二节 热辐射表面的一般性质,热辐射线落到表面上会发生,反射,、,吸收,和,透射,现象。,当辐射能量为,G,的热射线落到物体表面时，,G,部分被物体吸收，,G,部分被物体反射,G,部分则透过物体。,根据能量守恒原理：,G= G,+G,+ G,9/21/2024,11,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,物体的,吸收比,，表示物体所吸收的能量占投入辐射能量的份额；,物体的,反射比,，表示物体所反射的能量占投入辐射能量的份额；,物体的,透射比,，表示物体所穿透的能量占投入辐射能量的份额。,定义：,9/21/2024,12,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,对于某一波长射线（单色射线）上式仍然成立。,单色透射比,单色吸收比,单色反射比,9/21/2024,13,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,固体和液体：,由于分子排列紧密，只要稍具厚度，热射线就不能穿透（,=0,）。,气体：,几乎对热射线不反射（,=0,）。,可见，吸收能力大的气体，其穿透能力就小，反之亦然。,可见，对固体和液体而言，吸收能力大的物体其反射能力就小，反之亦然。,9/21/2024,14,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,几种假想物理模型,:,黑体：,=1,的物体,能够吸收外来投入辐射所有方向全波长的辐射能。,镜体：,=1,且为,镜反射,的物体。,白体：,=1,且为,漫反射,的物体。,透热体,:,=1,的物体。,9/21/2024,15,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,例：煤烟、炭黑、粗糙的钢板等，吸收比,=0.9,0.95,以上，近于黑体。,磨光的纯金反射比,0.98,，近似于白体。,纯净的空气对于热射线基本上不吸收也不反射，,1,，认为是透热体。,9/21/2024,16,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,镜反射：,物体表面平整光滑,反射遵循几何光学规律，,反射角等于入射角,的反射。,漫反射：,物体表面粗糙,反射向不同方向且在各个方向均匀分布时,的反射。,一般工程材料都形成漫反射。,(a),镜反射,(b),漫反射,9/21/2024,17,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,注意：,1.,有些物体对热射线的透过具有选择性。,例如玻璃,对于波长,4m,的红外线是不透明的,而对于可见光和紫外线则是透热体。,2.,对热射线而言的黑白概念与日常的不同,(,对热射线而言的黑白概念是对整个热射线范围而言的，可见光只是其中的一部分,),。,9/21/2024,18,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,例如,白布与黑布,对于工业温度下的红外辐射其特性几乎相同,吸收比很高,区别仅表现在白布对太阳辐射的吸收比很低,而黑布则相反。,白雪,的吸收比高达,0.985,近似于黑体。,对于工业高温下的热辐射来说,对射线的吸收和反射有重大影响的是表面的粗糙程度,而不是表面的颜色。,返回,9/21/2024,19,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,第三节 辐射力和有效辐射,一、辐射力,辐射力,E,：,物体在单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的全波长辐射能的总和,单位为,W/m,2,。,一、辐射力,二、有效辐射,9/21/2024,20,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,单色辐射力,E,:,物体在单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的某一波长,的辐射能,单位为,W/m,3,。,根据定义,辐射力与单色辐射力之间的关系为,9/21/2024,21,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,在相同的温度下，以,黑体的辐射力,E,b,最大,则,实际物体的辐射力,E,为,E =,E,b,物体的发射率（或黑度）,E,b,同温度下黑体的辐射力,W/m,2,9/21/2024,22,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,二 、有效辐射,一般物体表面不仅由于温度特性本身向外界发出本身辐射,而且对周围物体投射来的投射辐射还有部分反射出去。,返回,9/21/2024,23,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,有效辐射在辐射换热的分析和计算中非常重要。,有效辐射,J,：,物体本身辐射与反射辐射之和。,J = E +,G,W/m,2,G,该表面接受到的,投入辐射,。,【,例,5-1】,返回,9/21/2024,24,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,第四节 黑体辐射基本定律,一、黑体模型,二、普朗克定律,三、维恩位移定律,四、斯蒂芬,玻尔兹曼定律,五、波段辐射力,9/21/2024,25,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,一 、黑体模型,一个空腔壁上开有小孔,小孔面积比空腔面积小的多,小孔具有黑体性质。,一束能量为,G,的射线通过小孔进入空腔内时,在空腔内壁上经过多次吸收和反射,最终通过小孔离开空腔反射出去的能量几乎为零,认为射入的能量全部被空腔吸收。,9/21/2024,26,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,二 、普朗克定律,E,b,黑体单色辐射力,W/m,3,波长,m,T,黑体热力学温度,K,c,1,普朗克第一常数,c,1,=3.74310,16,Wm,2,c,2,普朗克第二常数,c,2,=1.43910,2,mK,普朗克于,1900,年据量子理论揭示了黑体在不同温度下单色辐射力与波长的函数关系。,9/21/2024,27,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,黑体辐射力,E,b,与波长,、温度,T,的关系,9/21/2024,28,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,特点：,（,1,）,在一定的温度下，黑体的光谱辐射力在某一波长下具有最大值，,黑体辐射随波长连续变化,而且很大或很小时,E,b,均趋于零；,（,2,）在,一定的波长下,发射辐射,E,b,随温度升高而增大；,（,3,）,随着温度的升高，,E,b,取得最大值的波长,max,减小，即,辐射能量向短波区域集中。,9/21/2024,29,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,三、维恩位移定律,从上图可看出在不同的温度下,总有一个,最大的黑体单色辐射力,E,bmax,存在,且随温度的升高,出现,E,bmax,的波长向短波方向移动。,维恩（,Wien,）归纳了出现,E,bmax,时对应的波长,max,与温度,T,的关系。,max,T,=2898(mK)2.910,-3,(mK),常数,2898(mK),也称第三辐射常数。,9/21/2024,30,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,四、斯蒂芬,玻尔兹曼定律,对黑体辐射从普朗克定律积分可得：,E,b,b,T,4,W/m,2,b,5.6710,8,W/,（,m,2,K,4,）,黑体辐射常数,；,T,黑体热力学温度，,K,。,c,0,5.67,黑体辐射系数。,上式表明黑体的辐射力与热力学温度的四次方成正比，故又称,四次方定律。,或写成,9/21/2024,31,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,五、波段辐射力,波段辐射：,某一波段内的辐射能量。,黑体在某一温度下，,1,-,2,之间的波段辐射,（图中阴影面积）占全波辐射能量的份额,用,表示。,9/21/2024,32,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,黑体辐射函数,9/21/2024,33,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,【,例,5-2】,【,例,5-3】,返回,为方便，黑体辐射函数,已制成表,在给定波段,1,2,间隔内的辐射力：,9/21/2024,34,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,第五节 灰体和基尔霍夫定律,一,、,实际物体的辐射和吸收特性,二、灰体,三、基尔霍夫定律,9/21/2024,35,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,一,、,实际物体的辐射和吸收特性,实际物体辐射和吸收大多是在物体的表面进行，具有表面辐射特性，但实际物体的辐射和吸收不同于黑体。,下面,以黑体辐射规律作为比较的依据来分析实际物体的辐射和吸收特性。,9/21/2024,36,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,1.,实际物体的辐射特性,同温度下黑体与实际物体单色辐射力的比较,同一波长下实际物体的单色辐射力低于黑体的单色辐射力，且辐射曲线并不光滑。,9/21/2024,37,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,实际物体总黑度：,黑度表征实际物体的辐射力接近同温度下黑体的辐射力的程度。,物体表面的黑度是物性参数,其值取决于物体的种类、表面温度和表面状况。,具体数值由实验确定,常用工程材料的,值可查阅资料,。,实际物体的单色黑度：,9/21/2024,38,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,2,、实际物体的吸收特性,实际物体吸收特性取决于两方面因素：,1.,吸收物体本身的材料种类、温度及表面状况。,2.,发出投射辐射物体的材料种类、温度及表面状况。,物体表面,总吸收比,和,单色吸收比,的关系为,=f,（,）,9/21/2024,39,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,二、灰体,灰体：,单色吸收比,与波长无关的物体,不论投入辐射是何种情况，物体的总吸收比,定值。,工业上遇到的热辐射，主要位于红外线范围。一般物体在红外线辐射范围内,不随波长作明显变化,在热辐射计算中，把工程材料作为灰体对待不会引起太大的误差。,这种简化处理给辐射换热计算带来很大方便。,9/21/2024,40,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,黑体平壁,任意平壁,平壁,12,间辐射换热,的净热流密度为,当平壁,12,温度相等,(,热平衡,),时,q,21,=0,三、基尔霍夫定律,基尔霍夫（,Kirchhoff,）定律揭示了,实际物体辐射力,E,与,吸收比,间的关系。,9/21/2024,41,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,表述：在热平衡条件下，任何物体的辐射力与它对黑体辐射的吸收比之比恒等于同温度下黑体的辐射力。,显然，这个比值仅与热平衡温度有关，而与物体的本身性质无关。,一般表达式为：,由于平壁,2,为任意壁面，故可写成,9/21/2024,42,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,从基尔霍夫定律可得出下面的结论：,（,1,）辐射力大的物体对同温下黑体辐射能的吸收比也大。,善于辐射的物体也善于吸收同温度下黑体的辐射能。,（,2,）,实际物体的辐射力,E,小于同温下黑体的辐射力,E,b,(,因为实际物体,1,),。,同一温度下黑体的辐射力最大。,9/21/2024,43,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,（,3,）,由黑度定义式和基尔霍夫定律表达式可得基尔霍夫定律的另一表达式：,（,T,）,=,（,T,）,可表述为：在与黑体处于热平衡的条件下，任何物体对黑体的吸收比等于同温下该物体的发射率。,（,4,）对于单色辐射：,（,，,T,）,=,（,，,T,）,不需要附加其它条件。,9/21/2024,44,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,对于灰体，吸收比与投射辐射的波长无关，即只取决于本身情况而与外界条件无关。,灰体的吸收比等于同温下本身的发射率,。,一般工程材料在红外范围内都可近似按灰体处理，恒有,(T,)=,(T,),这给工程辐射换热条件下吸收比的确定带来实质性的简化，只要从资料上查出其发射率，即得灰体同温下的吸收比。,返回,9/21/2024,45,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,第六节 气体辐射,辐射性气体：,二氧化碳（,CO,2,）、水蒸气（,H,2,O,）、甲烷（,CH,4,）、一氧化碳（,CO,）等三原子、多原子及结构不对称的双原子气体，一般都具有较强的辐射和吸收能力。,空气中氧气、氮气等分子结构对称的双原子气体，辐射和吸收能力很弱，可认为无辐射和吸收能力。,一、气体辐射的特点,二 、火焰辐射,9/21/2024,46,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,一、气体辐射的特点,1.,气体辐射和吸收对波长具有选择性,气体不像固体、液体那样具有连续的辐射光谱，而只在某些波段内才有辐射和吸收能力，这些波段称为,光带,一般不能把气体当作灰体。,9/21/2024,47,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,2.,气体的辐射和吸收在整个容积中进行,对于气体，外来射线穿透整个气体层，并被沿途碰到的气体所吸收；当气体对某一表面辐射时，应该是整个容积中各处的气体对该表面辐射的总和,9/21/2024,48,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,气体的辐射和吸收除与本身性质有关外，还与气体容积的形状、大小和压力有关。,气体容积的形状和大小对气体发射率和吸收比的影响，引用,平均射线行程,L,来代替气体层厚度,。,9/21/2024,49,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,平均射线行程,L,：若半球形气体的成分、温度和压力与所研究容积形状的气体相同，半球形气体对球心的辐射等效于所研究容积形状的气体对指定地区的辐射,则等效半球的半径,R,即为所研究容积形状气体对指定地区辐射的平均射线行程,L,。,9/21/2024,50,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,典型容积形状的气体对整个包壁或对某一指定地区的平均射线行程可查相关资料。,理论分析表明，气体对整个包壁辐射的平均射线行程可按下式计算,V,气体容积，,m,3,；,A,气体包壁面积，,m,2,9/21/2024,51,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,二 、火焰辐射,炉膛内燃料燃烧产生的火焰中除了三原子气体外还含有,焦炭粒子、飞灰和烟渣,等具有强辐射能力的固体微粒，而使,火焰的辐射光谱连续,。,火焰的辐射特性不同于气体辐射，而近似于固体的辐射。,可,近似地把火焰当作灰体处理。,9/21/2024,52,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,固体燃料的火焰，工程上有效黑度可按下式计算,k,炉内介质辐射减弱系数,，包括燃烧产物不发光的三原子气体的减弱系数，灰粒减弱系数和焦炭粒子的减弱系数。,p,炉膛里的压力，,MPa,L,炉膛里火焰辐射平均射线行程,返回,9/21/2024,53,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,第七节 太阳辐射,太阳能是一种低密度能源。,太阳相当于温度为,5762K,的热源。,太阳向宇宙空间辐射的能量有,99%,集中在,0.2m3m,短波区。,其中可见光部分约占,43%,红外辐射约占,48.3%,紫外线区约占,8.7%,最大单色辐射力波长约在,0.5m,。,9/21/2024,54,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,大气层外缘太阳能发射光谱,9/21/2024,55,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,太阳在不同时间、地点投射到地球表面的能量不同。落到地球表面的太阳能还因经历大气层的吸收、反射而衰减。,太阳常数,I,SG,：,在平均日地距离时，地球大气层外垂直于太阳辐射的表面上，单位面积、单位时间内所接受到的太阳辐射能。,人造卫星实测结果：,I,SG,1353W/m,2,落在地球表面与太阳射线相垂直的单位面积上的辐射能，小于太阳常数。,9/21/2024,56,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,普通玻璃的光谱透射比,温室,太阳能的利用举例：,1.,暖房温室效应,9/21/2024,57,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,2.,太阳能热水器,太阳能的利用原理：,选择性表面涂层,太阳能热水器,9/21/2024,58,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,大气温室效应：,同理，二氧化碳和水蒸气就像玻璃一样，对红外线区的辐射具有强烈的选择性吸收能力。由于水蒸气和二氧化碳对太阳能光谱的吸收力小，而对地球表面的红外辐射吸收性强，透过率相对弱,形成,温室效应,。,返回,9/21/2024,59,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,第五章 小结,(1),介绍了热辐射的本质和特点，表面的辐射性质，应特别注意黑体和灰体的性质。,(2),讲述了黑体辐射的基本定律：,黑体辐射的辐射力由斯蒂芬,玻尔兹曼定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方，,E,b,0,T,4,。,黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律，,黑体的单色辐射力有峰值，与峰值对应的波长由维恩位移定律确定，,9/21/2024,60,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,(3),基尔霍夫定律揭示了实际物体的辐射力,E,与吸收比,间的关系。,对于实际物体：,，成立的条件是：辐射处于热平衡且投入辐射来自黑体。,对于单色辐射：,，成立的条件是：发射率与方向无关，大多工程材料都满足。,对于灰体：,满足灰体条件，,常数。,(4),介绍,了气体辐射的特点和火焰辐射黑,度的处理，还介绍了太阳辐射的特点。,作业：,返回,9/21/2024,61,第五章,热辐射的基本概念及基本定律,