东南大学传热学课件第七章 第一、二节

第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性 热 辐 射 是 三 种 基 本 热 量 传 递 方 式 之 一 。 热 辐 射 是 通 过 电 磁 波 来 传 递 能 量 的 。 热 辐 射 的 机 理 与 导 热 和 对 流 不 同 ， 它 是 非 接 触式 的 热 量 传 递 。 本 章 ， 我 们 将 首 先 从 电 磁 辐 射 的 观 点 来 认 识 热辐 射 的 本 质 及 辐 射 能 量 传 递 过 程 中 的 一 些 特 点 ，然 后 着 重 讨 论 热 辐 射 的 几 个 基 本 定 律 ， 最 后 介绍 实 际 物 体 （ 固 体 和 液 体 ） 的 辐 射 特 性 ， 以 便为 下 一 章 讨 论 辐 射 的 计 算 打 下 基 础 。 第一节 热辐射的基本概念 辐 射 是 电 磁 波 传 递 能 量 的 现 象 。 按 照 产 生 电 磁 波 的 不 同 原 因 可 以 得 到 不 同 频 率的 电 磁 波 。 高 频 振 荡 电 路 产 生 的 电 波 就 是 一 种电 磁 波 。 此 外 还 有 红 外 线 、 可 见 光 、 紫 外 线 、X射 线 及 射 线 等 各 种 电 磁 波 。 由 于 热 的 原 因 而 产 生 的 电 磁 波 辐 射 称 为 热 辐 射（ 热 辐 射 这 一 名 词 有 时 也 指 热 辐 射 传 递 能 量 的过 程 ） 。 热辐射的机理 由 于 物 体 内 部 微 观 粒 子 在 不 停 的 进 行 着 热 运 动 ， 当 其运 动 状 态 发 生 改 变 时 会 激 发 出 电 磁 波 ， 从 而 产 生 热 量的 传 递 。 只 要 物 体 的 温 度 高 于 “ 绝 对 零 度 ” ， 物 体 内 部 的 分 子就 在 不 停 地 进 行 热 运 动 ， 就 会 不 断 地 产 生 电 磁 波 ， 向外 发 出 热 辐 射 。 同 时 ， 物 体 也 不 断 地 吸 收 周 围 物 体 投 射 到 它 上 面 的 热辐 射 ， 并 把 吸 收 的 辐 射 能 重 新 转 变 成 热 能 。 辐 射 换 热 就 是 指 物 体 之 间 相 互 辐 射 和 吸 收 的 总 效 果 。 当 物 体 与 环 境 处 于 热 平 衡 时 ， 其 表 面 上 的 热 辐 射 仍 在不 停 地 进 行 ， 只 是 其 辐 射 换 热 量 等 于 零 。 热辐射的特点 热 辐 射 具 有 一 般 辐 射 现 象 的 共 性 。 例 如 ， 各 种 电 磁 波 都 以 光 速 在 空 间 传 播 ， 这 是电 磁 波 辐 射 的 共 性 ， 热 辐 射 也 不 例 外 。 电 磁 波 的 速 度 、 波 长 和 频 率 之 间 存 在 如 下 的 关系 ： ： 电 磁 波 的 传 播 速 度 ， ； ： 频 率 ， ； ： 波 长 ， 单 位 为 ， 常 用 单 位 为 （ 微 米 ） ， 。fc cf m/s1s m m 电磁波的波谱 电 磁 波 的 波 长 范 围 成 为 电 磁 波 的 波 谱 。 在 整 个 波 谱 范 围 内 可 以 将 电 磁 波 进 行 命 名 。 插 入 波 谱 图 。 从 理 论 上 说 ， 物 体 热 辐 射 的 电 磁 波 也 可 以 包 括整 个 波 谱 ， 即 波 长 从 零 到 无 穷 大 。 热射线的波长范围 从 理 论 上 说 ， 物 体 热 辐 射 的 电 磁 波 也 可 以 包 括整 个 波 谱 ， 即 波 长 从 零 到 无 穷 大 。 然 而 ， 在 工 业 上 所 遇 到 的 温 度 范 围 内 ， 即2000K以 下 ， 有 实 际 意 义 的 热 辐 射 波 长 位 于0.38 100之 间 ， 且 大 部 分 能 量 位 于 红 外 线 区 段的 0.76 20范 围 内 ， 所 以 热 射 线 人 们 的 眼 睛 是看 不 见 的 。 如 果 我 们 把 温 度 的 范 围 扩 大 到 太 阳 辐 射 。 情 况就 会 有 变 化 。 太 阳 的 表 面 温 度 大 约 微 5800K，太 阳 辐 射 的 主 要 能 量 集 中 在 0.2 2的 波 长 范 围 ，其 中 可 见 光 区 段 占 有 很 大 的 比 重 。 红外线的分类和应用 红 外 线 又 有 远 红 外 和 近 红 外 之 分 ， 大 体 上 以 25为 限 ， 波 长 在 25以 下 的 红 外 线 称 为 近 红 外 线 ，25以 上 的 称 为 远 红 外 线 。 20世 纪 70年 代 初 期 发 展 起 来 的 远 红 外 加 热 技 术 ，就 是 利 用 远 红 外 线 来 加 热 物 体 的 。 远 红 外 线 可 穿 过 塑 料 、 玻 璃 及 陶 瓷 制 品 ， 但 却会 被 像 水 那 样 的 具 有 极 性 分 子 的 物 体 所 吸 收 ，在 物 体 内 部 产 生 热 源 ， 从 而 使 物 体 比 较 均 匀 的得 到 加 热 。 各 类 食 品 中 的 主 要 成 分 是 水 ， 因 而 远 红 外 加 热是 一 种 比 较 理 想 的 加 热 手 段 。 物体对热射线的反应 当 热 辐 射 的 能 量 投 射 到 物 体 表 面 上 时 ， 和 可 见光 一 样 ， 物 体 也 会 对 热 辐 射 发 生 吸 收 、 反 射 和穿 透 现 象 。 插 入 图 ： 物 体 对 热 辐 射 的 吸 收 、 反 射 和 穿 透 根 据 能 量 守 恒 定 律 有 QQQQ a 1 QQQQQQa 几个定义 吸 收 比 ： 反 射 比 ： 穿 透 比 ： QQ 能 量外 界 投 入 到 该 物 体 上 的被 物 体 吸 收 的 辐 射 能 QQ 能 量外 界 投 入 到 该 物 体 上 的被 物 体 反 射 的 辐 射 能 QQ 能 量外 界 投 入 到 该 物 体 上 的穿 过 物 体 的 辐 射 能 不同物体对热辐射的反应 对 某 一 物 体 而 言 ， 当辐 射 能 投 入 到 其 表 面后 ， 一 定 满 足 当 物 体 为 固 体 或 液 体时 ， 满 足 当 物 体 为 气 体 时 ， 满足 1 a 1a 1a 几种特殊表面的定义 绝 对 黑 体 ： 吸 收 比 为 1的 物 体 称 为 绝 对 黑 体 ，简 称 黑 体 。 透 热 体 （ 透 明 体 ） ： 透 射 比 为 1的 物 体 称 为 透热 体 或 透 明 体 。 绝 对 白 体 ： 反 射 比 为 1的 物 体 称 为 绝 对 白 体 或者 镜 体 ， 当 物 体 表 面 为 漫 反 射 表 面 时 称 为 绝 对白 体 ； 当 物 体 表 面 为 镜 反 射 表 面 时 称 为 镜 体 。 人工黑体 尽 管 在 自 然 界 并 不 存 在 黑 体 ， 但 用 人 工 的 方 法可 以 制 造 出 十 分 接 近 黑 体 的 模 型 。 选 用 吸 收 比 小 于 1的 材 料 制 造 一 个 空 腔 ， 并 在空 腔 壁 面 上 开 一 个 小 孔 ,再 设 法 使 空 腔 壁 面 维 持均 匀 的 温 度 ， 这 时 空 腔 上 的 小 孔 就 具 有 黑 体 的特 性 。 这 种 带 有 小 孔 的 温 度 均 匀 的 空 腔 就 是 一个 黑 体 的 模 型 。 小 孔 面 积 占 空 腔 内 壁 总 面 积 的 份 额 越 小 ， 小 孔的 吸 收 比 就 越 高 。 若 小 孔 占 内 壁 面 积 小 于 0.6 ，当 内 壁 吸 收 比 为 0.6时 ， 计 算 表 明 ， 小 孔 的 吸 收比 可 大 于 0.996。 演 示 ： 黑 体 模 型 黑体在辐射换热中的作用 黑 体 在 热 辐 射 分 析 中 有 其 特 殊 的 重 要 性 。 下 节 的 讨 论 将 表 明 ： 在 相 同 温 度 的 物 体 中 ， 黑体 的 辐 射 能 力 最 大 。 在 研 究 黑 体 辐 射 的 基 础 上 ， 我 们 处 理 其 他 物 体辐 射 的 思 路 是 ： 把 其 他 物 体 的 辐 射 和 黑 体 辐 射相 比 较 ， 从 中 找 出 其 与 黑 体 辐 射 的 偏 离 ， 然 后确 定 必 要 的 修 正 系 数 ， 本 章 下 面 的 讨 论 将 按 照这 一 思 路 来 进 行 。 第二节 黑体辐射的基本定律 本 节 着 重 介 绍 黑 体 辐 射 的 三 个 基 本 定 律 ，它 们 分 别 是 ：（ 1） 表 征 黑 体 总 辐 射 能 力 的 斯 蒂 芬 玻耳 兹 曼 定 律 ；（ 2） 表 征 黑 体 在 某 一 波 长 时 辐 射 能 力 大 小的 普 朗 克 定 律 ；（ 3） 表 征 黑 体 在 某 一 方 向 上 辐 射 能 力 大 小的 兰 贝 克 定 律 。 两个基本概念 辐 射 力 单 位 时 间 内 物 体 的 单 位 表 面 积 向 半球 空 间 所 有 方 向 发 射 出 去 的 全 部 波 长 的 辐 射 能的 总 量 ， 称 为 物 体 的 辐 射 力 ， 辐 射 力 用 符 号 E表 示 ， 其 单 位 为 。 对 于 黑 体 ， 辐 射 力 用 表 示 。 辐 射 力 从 总 体 上 表 征 了 物 体 发 射 辐 射 能的 本 领 。 光 谱 辐 射 力 （ 单 色 辐 射 力 ） 单 位 时 间 内 物体 的 单 位 表 面 积 向 半 球 空 间 所 有 方 向 发 射 出 去的 在 包 含 的 单 位 波 长 范 围 内 的 辐 射 能 ， 称 为光 谱 辐 射 力 ， 用 符 号 表 示 ， 其 单 位 为 。黑 体 的 光 谱 辐 射 力 用 表 示 。 2W/m bE E 3W/mbE 光 谱 辐 射 力 与 波 长 有关 。 即 在 同 一 温 度 下 ，当 波 长 不 同 时 ， 其 光谱 辐 射 力 不 同 ； 光 谱 辐 射 力 与 温 度 有关 。 即 在 同 一 波 长 下 ，当 温 度 不 同 时 ， 其 光谱 辐 射 力 不 同 ,而 且 温度 越 高 ， 同 样 条 件 下光 谱 辐 射 力 越 大 ； 每 条 曲 线 下 的 面 积 表示 相 应 温 度 下 黑 体 的辐 射 力 。 辐射力和光谱辐射力的关系 由 上 面 的 图 可 以 看 出 ， 物 体 的 辐 射 力 和 光 谱 辐射 力 之 间 存 在 着 如 下 的 关 系 对 于 黑 体 ， 其 关 系 为0E E d 0b bE E d 普朗克定律 普 朗 克 定 律 揭 示 了 黑 体 的 辐 射 能 力 按 波 长 分 布的 规 律 ， 说 明 了 黑 体 的 单 色 辐 射 力 与 波 长 和 温度 的 关 系 。 根 据 量 子 理 论 可 以 得 到 普 朗 克 定 律的 表 达 形 式 为 式 中 ， 称 为 第 一 辐 射 常 数 称 为 第 二 辐 射 常 数 1 / 512 Tcb e cE 2161 mW10742.3 c Km104388.1 22 c 对普朗克定律的解释 普 朗 克 定 律 说 明 的 是 黑 体 的 光 谱 辐 射 力 随 温 度和 波 长 的 变 化 关 系 。 当 温 度 一 定 时 ， 黑 体 的 光 谱 辐 射 力 随 波 长 的 增加 ， 其 变 化 为 先 增 后 减 ， 有 一 个 最 大 值 。 该 最 大 值 对 应 的 波 长 用 表 示 。 当 温 度 增 加 时 ， 最 大 光 谱 辐 射 力 所 对 应 的 波 长逐 渐 变 小 ， 即 向 短 波 方 向 移 动 。 温 度 与 的 关 系 可 由 维 恩 定 律 来 表 述 。 mm 维恩定律 维 恩 定 律 表 述 的 是 最 大 光 谱 辐 射 力 所 对 应 的 波长 与 温 度 之 间 的 关 系 。 此 关 系 为 说 明 ， 温 度 与 最 大 光 谱 辐 射 力 所 对 应 的 波 长 成反 比 。 所 以 ， 当 温 度 增 加 时 ， 最 大 光 谱 辐 射 力所 对 应 的 波 长 变 短 ， 即 向 短 波 方 向 移 动 。 所 以维 恩 定 律 也 称 为 维 恩 位 移 定 律 。 该 定 律 是 通 过 普 朗 克 定 律 对 求 导 数 并 令 其为 零 而 得 到 的 。 Km102.9Km10897.2 33 Tm m 维恩定律的应用 实 际 物 体 的 光 谱 辐 射 力 按 波 长 分 布 的 规 律 与 普朗 克 定 律 是 不 同 的 ， 但 定 性 上 是 一 致 的 。 所 以 ， 我 们 可 以 应 用 维 恩 位 移 定 律 来 解 释 ， 对一 个 物 体 进 行 加 热 时 ， 为 什 么 随 着 加 热 温 度 的提 高 ， 被 加 热 物 体 会 出 现 由 暗 红 、 鲜 红 、 橘 黄直 至 白 炽 等 颜 色 的 变 化 。 金 属 在 不 同 的 温 度 下 呈 现 的 各 种 颜 色 ， 说 明 了随 着 温 度 的 升 高 ， 热 辐 射 中 可 见 光 及 可 见 光 中短 波 的 比 例 不 断 增 加 。 斯蒂芬玻尔兹曼定律 该 定 律 表 示 的 是 黑 体 的 辐 射 力 与 温 度 之 间 的 关系 。 根 据 辐 射 力 与 光 谱 辐 射 力 的 定 义 ， 可 以 知 道 两者 之 间 有 一 定 的 关 系 ， 即 此 关 系 说 明 ， 黑 体 的 辐 射 力 只 与 温 度 有 关 ， 而且 与 温 度 的 四 次 方 成 正 比 ， 所 以 该 定 律 也 称 为四 次 方 定 律 。 40 / 510 12 Tde cdEE Tcbb 对斯蒂芬玻尔兹曼定律的说明 该 定 律 中 的 称 为 斯 蒂 芬 玻 尔 兹 曼 常 数 。 工 程 上 为 计 算 方 便 ， 常 把 上 式 改 写 为 称 为 黑 体 辐 射 系 数 。 428 KmW/1067.5 40 100 TCEb 420 KmW/67.5 C 某一波段内辐射力的计算 如 计 算 黑 体 在 区 段 的 辐 射 力 ， 即21 bE dEdEdEE bbbb 1221 00 T bb bbb TfTdTEdETdE dEF 0 504000 1 12122121 000040 1 bbbbbbb FFdEdETdE dEF 214 bb FTE 兰贝特定律 该 定 律 要 表 述 的 是 物 体 发 射 的 辐 射 能 与 方 向 之间 有 无 关 系 ？ 如 有 ， 是 什 么 样 的 关 系 ？ 为 了 说 明 辐 射 能 在 空 间 不 同 方 向 上 的 分 布 规 律 ，我 们 要 引 入 一 个 新 的 概 念 立 体 角 。 为 了 理 解 立 体 角 的 概 念 ， 先 来 复 习 平 面 角 。 平面角的定义和计算 定 义 ： 以 角 端 为 圆 心 画 任 意 半 径 的 园 ， 则 任 意段 的 弧 长 与 半 径 之 比 称 为 该 弧 长 所 对 用 的 平 面角 。 计 算 ： 根 据 定 义 可 以 计 算 平 面 角 平 面 角 的 单 位 是 rad（ 弧 度 ）rs 立体角的定义和计算 定 义 ： 以 立 体 角 的 角 端 为 中 心 画 一 个 任 意 半 径的 半 球 ， 在 半 球 表 面 上 任 意 一 块 面 积 与 半 径 平方 之 比 ， 称 为 该 面 积 对 应 的 立 体 角 ， 简 称 立 体角 。 计 算 ： dd r drrdrdAd csin sin22 不同方向辐射能的定义 物 体 单 位 面 积 、 单 位 时 间 、 单 位 立 体 角 沿法 线 方 向 辐 射 的 能 量 ； 物 体 单 位 面 积 、 单 位 时 间 、 单 位 立 体 角 沿方 向 辐 射 的 能 量 。 则 根 据 实 验 观 察 ， 可 以 发 现 ， 物 体 法 线 方 向 辐射 出 去 的 能 量 最 多 ， 而 随 着 离 开 法 线 方 向 角 度的 增 加 ， 辐 射 能 逐 渐 减 小 ， 到 平 面 的 切 线 方 向时 ， 辐 射 能 量 为 零 。 所 以 不 同 方 向 辐 射 能 具 有 如 下 的 关 系nEE srmW/cos 2 nEE 兰贝特定律的表达式 上 述 这 种 表 示 漫 射 表 面 的 辐 射 能 按 不 同 方 向 的分 布 规 律 ， 称 为 兰 贝 特 定 律 ， 或 称 为 余 玄 定 律 。由 该 定 律 可 知 ， 物 体 向 各 个 方 向 发 射 的 辐 射 能是 不 同 的 ， 法 线 方 向 最 大 ， 而 切 线 方 向 最 小 。 兰 贝 特 定 律 的 表 达 式 为 srmW/cos 2 nEE 各个方向辐射能不同的原因 为 什 么 各 个 方 向 的 辐 射 能 分 布 不 同 呢 ？ 这 主 要 是 因 为 发 射 辐 射 能 的 物 体 面 积 在 半 球空 间 各 个 方 向 上 的 投 影 面 积 不 同 ， 或 者 说 可见 辐 射 面 积 不 同 而 造 成 的 。 对 于 辐 射 面 积 ， 其 在 各 个 方 向 的 投 影 面 积 两 者 的 关 系 可 表 述 为 ： dAdAdA dA cos dAdA dAdA方 向 的 可 见 辐 射 面 积其 在 射 面 积其 在 法 线 方 向 的 可 见 辐 不同方向定向辐射强度的定义 定 向 辐 射 强 度 的 定 义 ： 单 位 时 间 、 单 位 可 见 辐射 面 积 、 单 位 立 体 角 内 的 辐 射 能 称 为 定 向 辐 射强 度 ， 并 记 为 法 线 方 向 的 定 向 辐 射 强 度 :单 位 时 间 、 单 位 可见 辐 射 面 积 、 单 位 立 体 角 内 法 线 方 向 的 辐 射 能称 为 法 线 方 向 定 向 辐 射 强 度 ， 并 记 为 方 向 的 定 向 辐 射 强 度 ： 单 位 时 间 、 单 位 可 见辐 射 面 积 、 单 位 立 体 角 内 方 向 的 辐 射 能 称 为方 向 的 定 向 辐 射 强 度 ， 并 记 为 srmW/ 2 L nL L 不同方向定向辐射强度的关系 根 据 定 向 辐 射 强 度 的 定 义 ， 有 上 面 的 分 析 表 明 ， 对 于 黑 体 辐 射 而 言 ， 在 半 球空 间 上 物 体 的 定 向 辐 射 强 度 与 方 向 无 关 ， 且 各个 方 向 的 定 向 辐 射 强 度 都 相 等 ， 即 nnn EdAdAEdAdAEnL nn EdA dAEdAdAEL coscos 常 数 LLnL 兰贝特定律的另一种表述 将 定 向 辐 射 强 度 与 方 向 无 关 的 规 律 也 称 为 兰 贝特 定 律 。 兰 贝 特 定 律 有 两 种 表 述 形 式 。 当 从 发 射 辐 射 能 的 物 体 考 虑 问 题 时 ， 物 体 向 各个 不 同 方 向 发 射 的 辐 射 能 都 是 相 同 的 ， 且 遵 从兰 贝 特 定 律 。 当 从 接 受 辐 射 能 的 物 体 考 虑 问 题 时 ， 由 于 接 受物 体 在 不 同 方 向 可 以 看 到 的 发 射 物 体 的 面 积 不同 ， 因 而 感 受 到 的 辐 射 能 也 不 同 ， 且 也 遵 从 兰贝 特 定 律 。 定向辐射强度与辐射力之间的关系 假 设 有 一 个 漫 射 表 面 ， 其 单 位 时 间 向 外 某 一个 方 向 发 射 的 辐 射 能 为 。 则 根 据 定 向 辐 射 强度 的 定 义 ， 有 再 根 据 辐 射 力 的 定 义 ， 有dAdQ dLdAdLdAdQ cos LL ddL ddL dLdA dLdAdAdQEb 2/0220 2/02 222 sin212 cossinsincos coscos 关于黑体辐射的总结 黑 体 辐 射 的 辐 射 力 由 斯 蒂 芬 玻 尔 兹 曼 定 律来 确 定 ， 即 黑 体 的 辐 射 力 只 与 温 度 有 关 ， 而 且与 温 度 的 四 次 方 成 正 比 ， 其 比 例 系 数 即 为 斯 蒂芬 玻 尔 兹 曼 常 数 ； 黑 体 辐 射 能 量 按 波 长 分 布 服 从 普 朗 特 定 律 ； 黑 体 辐 射 能 量 按 空 间 分 布 服 从 兰 贝 特 定 律 ； 黑 体 的 光 谱 辐 射 力 有 一 个 峰 值 ， 与 此 峰 值 相 对应 的 波 长 由 维 恩 定 律 确 定 ， 即 随 着 温 度 的升 高 ， 峰 值 所 对 应 的 波 长 向 短 波 方 向 移 动 。 m