热辐射和辐射换热.ppt

第八章 热辐射和辐射换热 热辐射和辐射换热应用: 1.井喷点燃时涉及到热辐射的计算； 2.辐射采暖，辐射干燥； 3.辐射原理测定物体温度; 4.研究设计太阳能热水器，太阳能电池，太 阳能发电站和太阳能冷却机； 5.利用热辐射性质，为高速飞行器表面散热 提供设计数据和依据； 本章中将阐述热辐射的本质、特征 ，以及有关的基本概念和基本规律 ，在此基础上，进一步分析辐射换 热的计算和辐射换热的网络求解法 。 本专业主要介绍热辐射的本质、特 征，以及有关的基本概念和基本规 律，对后半部分内容不做要求。 8-1 热辐射的基本概念 一、辐射和热辐射 辐射：从宏观的角度、辐射是连续的电磁波 传递能量的过程；从微观的角度，辐射是不 连续的量子传递能量的过程。因此，物体向 外界以电磁波的形式发射携带能量的量子的 过程称为辐射。 辐射能：通过辐射所传递的能量称为辐射能 (也把辐射这个术语用来表明辐射能本身)。 热辐热辐 射：通常把物质质由于自身与温度有关 的原因而激发产发产 生的电电磁波传传播称为为热辐热辐 射。 p任何物体在绝对零度以上都能发射出电磁波。 p物质可对外发射从零到无穷大的任何波长的电 磁波，激发方式不同，所产生的电磁波波长就 不相同，它们投射到物体上产生的效应也不同 。 p热射线：0.1m100m； 可见光：0.38m0.76m p热辐射是电磁波多种辐射形式的一种，所有电 磁辐射都以光速进行传播，其值等于辐射波长 与频率的乘积： c (8-1) 式中 c 光速； 波长； 频率。 p热辐射的传播是以不连续的量子形式进行的， 每个量子的能量为： Eh (8-2) 式中 h 普朗克常数，其值为6.625610-34JS。 p辐射换热：物体之间相互辐射和相互吸收过程的总 效果，称为辐射换热。 p特点： 1、不依靠物体间相互接触而进行热量传递，只要彼此 可见的物体就能互相进行热辐射。 2、辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体 的部分内能转化为辐射能发射出去，当射及另一物体 表面而被吸收时，辐射能又转化为该物体的内能。 3、辐射换热过程中，高温物体向低温物体辐射能量的 同时，低温物体也向高温物体辐射能量，热辐射是双 向的。能量最终由高温物体传向低温物体。 二、辐射能的吸收、反射和透射 各种辐射射线都是电磁波，因而 它们之间并无绝对的对立，可见光与 不可见的热射线也无本质的区别。当 热辐线投射到物体上时，和可见光一 样也有吸收，反射和透射现象发 生。 p 根据能量守恒原则： GGGG G/GG/GG/G1 其中：G/G、G/G、G/G 分别称为该物体对投射辐射的 吸收率，反射率和透射率 p 依次用符号、表示，即有： 1 (8-3a) p单色辐射：在某个特定波长下的辐射称为单色 辐射，如果投射能量是单色辐射，上述关系也 同样适用。 (8-3b) 式中:、分别为单色吸收率、单色 反射率和单色透射率。 p 、和、是物体表面的 辐射特性，和物体的性质，温度及表面状况有 关。、还和投射能量的波长分布有关 。 p 固体和液体不允许热辐射透过。透射 率，即。即：吸收能力大 的物体其反射本领就小；反之吸收能力 小的物体其反射本领就大。 p 气体对辐射能几乎没有反射能力，可 认为反射率，即。显 然，吸收性大的气体，其穿透性就差。 多原子气体才具有吸收能力。 p 固体和液体物体表面状况对这些特性 的影响是至关重要的。 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漫反射两种情况。 当表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于投射 辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角 等于反射角。当表面不平整尺寸（表面粗糙 度）大于投射辐射的波长时，入射射线被反 射后沿各个方向均匀分布、形成漫反射。一 般工程材料的表面大都形成漫反射。 自然界所有物体的吸收率，反射率和 透射率的数值都在 0到1 的范围内变化 ，每个量的数值又因具体条件不同而千差 万别。为了使问题简化，可以从理想物体 入手进行研究。 黑体：如物体能全部吸收外来辐射线，则称 为黑体，即； 白体：如物体全部反射外来射线，则不论镜 面反射或漫反射均称为白体，即； 透明体：如物体能被外来射线所全部透射， 则称为透明体，即。 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射性能的理想模型。 但也存在接近理想模型的实际物体，如吸收力 很强的煤烟炱和黑丝绒等，0.97；高度磨 光的纯金. p黑体、白体和透明体都是对全波长射线而言的 。 p不能按物体的颜色来判断（可见光只是全波长 射线中的一小部分），白颜色的的物体不一定 是白体。例如雪对可见光吸收率很小，但对全 波长射线其吸收率0.98，非常接近黑体； 白布和黑布对可见光的吸收率不同，但对红外 线的吸收率基本相同，普通玻璃能透过可见光 ，对3m的红外线几乎是不透明体。 p因此，物体对外来辐射的吸收和反射能力是和 物体的性质、表面状况、所处温度和发射物体 的温度有关。 三、辐射强度和辐射力 辐射强度是物体表面朝向某给定方向，对 垂直于该方向的单位面积，在单位时间单位 立体角内所发射全波长的能量，用符号表 示，它的单位是W(mSr)。Sr是立体角的 单位称为球面度。 若辐射强度仅指某波长下波长间隔d范围 内所发射的能量，则称为单色辐射强度， 用符号I表示，单位是W(mmSr) p辐射力是物体参与辐射的单位表面积在单位 时间内向半球空间辐射出去的0波长范围 内的总能量，用符号E表示，单位是Wm。 p单色辐射力指若辐射力仅指某波长下波长 间隔d范围内所发射的能量。用符号E表示 ，单位是W(mm)， 8-2 热辐射基本定律 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量。黑体吸收率最 大，辐射力亦最强，是一个理想化的物体。 此后凡与黑体辐射有关的物理量，均以右下 角标“b”表示。 一、普朗克定律 (黑体辐射按波长分布的规律) 普朗克定律即黑体单色辐射力Eb与波长和物 体表面绝对温度T之间的函数关系式： (8-9) 其中：C1=3.743108 wm4/m2 C2=1.4387104 m K 维恩位移定律 德国物理学家维恩在1896年用经典热力学 方法确定了Eb为最大值时的波长max与温 度T之间的关系： maxT2897.6mK (8-10) 二、斯蒂芬玻尔兹曼定律 上式说明：黑体的单位表面积上在单位 时间内发出的(包括全波长范围的)热辐射总能 量，和它的绝对温度四次方成正比。这就是斯 蒂芬-玻尔兹曼定律，亦称四次方定律。 p波段辐射力:波段区间的辐射能。 pFb(）:波段辐射力占同温度下黑体辐射力Eb 的百分数。 (8-12a) (8-12b) 例8-2 试求当温度为2000K时黑体最大的单色辐 射力所对应的波长；此时可见光与红外线在总辐 射中所占份额各为多少? 解：应用式(8-10)，该黑体最大的辐射力所对应 的波长max为： max2897.6/20001.4488m 可见光的波长范围为0.380.76m，红外线波 长范围为0.761000m可分别算出各波长下的 值并由表8-1查出对应的Fb(0T) 值。 0.38m T760mK F b(00.38)0.1 10-4 0.76m T1520mK Fb(00.76）0.1610-1 1000m T210mK Fb(01000）1.0 可见光在总辐射中所占的份额 Fb(0.380.76) 0.0160.110-40.01599 1.599 红外线在总辐射中所占的份额 Fb(0.76 1000) 0.0160.984 98.4 显然，在这样的温度下，可见光辐射 所占份额是微不足道的。 四、克希霍夫定律 黑度 ：把实际物体的辐射力E与同温度下黑 体的辐射力Eb之比称为该物体的黑度，用符号表 示： E/b (8-18a) 单单色黑度 ：是实际实际 物体的单单色辐辐射力与同 温度下黑体的单单色辐辐射力之比。 E/b 或EEb (8-18b) 与的关系为 ： 灰体是指物体的单色辐射率即黑度与波长 无关的物体。 灰体的辐射力遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律 EEbbT (8-19a) cb（T/100)4 (8-19b) 实际实际 物体的辐辐射力并非严严格遵守四次方定 律，但工程上为为方便仍用式(8-19)来计计算 ，所引起的误误差都归归到实际实际 物质质的黑度中 去修正。此外，自然界中并无绝对绝对 灰体， 它仅仅作为一种假想物体。实际物体在红外 波长范围内，可以近似地看作是灰体。 物体对于投射能量吸收的百分数是该物 体的吸收率，实际物体的吸收率既决 定于投入射线的方向和波长，又决定于 物体本身的材料、表面温度及表面状况 。引入灰体概念后，认为灰体的吸收率 和单色吸收率都与波长无关，大小仅取 决于吸收表面的状况。 实际物体在吸收与辐射之间内在联系 p 克希霍夫(Kirchhoff)揭示了与周围 环境处于热平衡状态下实际物体的黑度与 吸收率之间的关系。 有两块相距很近而面积又很大的 平行平板。设平板I为黑体表面 ，其辐射力为Eb，吸收率b ，表面温度T；平板为非 黑体表面，其辐射力为E，吸收 率为，黑度为，表面温度T ，分析两平板在单位时间，单 位面积上的能量收支。 板的能量收支为 qEb qEb 当系统处于热平衡时T，q，则 Eb 或 E/b 推广到任意物体： E/E/E/b (8- 21) 即克希霍夫定律的数学表达式，它说明 任何物体的辐射力与其吸收率之比恒等于同 温度下黑体的辐射力，并只和温度有关。必 须指出，这一关系是在热平衡的条件下推导 出来，所以，在实际物体和黑体构成的系统 中只有符合热平衡条件时应用才正确。 据黑度的概念，克希霍夫定律还可写作 ： E/b (8-22a) 对于特定波长，同理可有： (8-22b) 这是克希霍夫定律的又一表达式，它说 明在热平衡条件下，任意物体的吸收率 等于同温度下该物体的辐射率(黑度)。 对于灰体，当温度一定时，灰体的吸收率和黑度也 是一定的，即灰体能吸收投射来的各种不同波长的 辐射能；同时灰体向外发射能量时，其黑度 也不随波长