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.ppt

1、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）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：物体通过电磁波传递能量的过程。程。热辐射热辐射：由于物体内部微观粒子的热：由于物体内部微观粒子的热运动状态的改变，而将部分内能转换运动状态的改变，而将部分内能转换成电磁波的能量发射出去的过程。成电磁波的能量发射出去的过程。辐射换热辐射换热：物体之间以热辐射方式进：物体之间以热辐射方式进行热量交换。行热量交

2、换。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 0 K，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。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

3、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，mm吸收比、反射比和透射比吸收比、反射比和透射比G=Gr r+Gt t+Ga a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1GGGGGGrtaG=Gr r+Gt t+Ga arta1rta1GGr

4、r r rGGt t t tGGa a a a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：a a+r r=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。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:r r r rGG tt t tGG a a a aGG1 t t r r a a 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。

5、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。t t t tr r r ra a a a,黑体：黑体：吸收比吸收比 a1a1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 r r11的假想物体。的假想物体。透明体：透明体：透射比透射比 t t=1 的假想物体的假想物体。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

6、。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。JEGr有效辐射示意有效辐射示意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。dEE0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。dEE2 cos)(LE dLE2cos)(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

7、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：24681012141618200200040006000800010000120001400021 1000KEb m.m2/m251b/1CTCEe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

8、C1 1普朗克第一常数，普朗克第一常数，C C1 1=3.743=3.7431010-16-16 W W m m2 2C C2 2普朗克第二常数，普朗克第二常数，C C2 2=1.439=1.4391010-2-2 m m K K一、普朗克定律一、普朗克定律1.温度越高，同一温度越高，同一波长下的光谱辐射波长下的光谱辐射力越大；力越大；2.在同一温度下，在同一温度下，光谱辐射力随波长光谱辐射力随波长连续变化，并在某连续变化，并在某一波长下有最大值；一波长下有最大值；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。0.11101

9、0010-210-1100101102103104105106107108109100K500K1000K5800KEb m.m2/m2898maxTm K二、二、Wien位移定律：位移定律：0.111010010-210-1100101102103104105106107108109100K500K1000K5800KEb m.m2/m2898maxTmK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=0.5 m，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=1.45 m，处，处于红外线范围内。于红外线范围

10、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。448221005.67 10/()5.67/()bbbbbTETcWmKcWmK黑体辐射常数黑体辐射常数黑体辐射系数黑体辐射系数24681012141618200200040006000800010000120001400021 1000KEb m.m2/m波段辐射力波段辐射力Eb(1 2)波段辐射力

11、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：1212()()bbbEFE21(0)(0)bbFFT/(mK)Fb(0-)/%T/(mK)Fb(0-)/%10001100120013001400150016001700180019002000220024002600280030003200340036003800400042004400460048005000550060000.03230.09160.2140.4340.7821.2901.9792.8623.9465.2256.69010.1114.0518.3422.8227.3631.8536.2140.4044.384

12、8.1351.6454.9257.9660.7963.4169.1273.81 6500700075008000850090009500100001200014000160001800020000220002400026000280003000035000400004500050000550006000070000800009000010000077.6680.8383.4685.6487.4789.0790.3291.4394.5196.2997.3898.0898.5698.8999.1299.3099.4399.5399.7099.7999.8599.8999.9299.9499.969

13、9.9799.9899.99)0()0(TbbFF 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。1221()(0)(0)bbTbTbEFFE 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能向空间各方向发出均匀辐射强度的物体表面。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

14、射线沿某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上都有均匀的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。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面的既是漫发射表面又是漫反射表面的物体表面。物体表面。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。coscosnELE又称余弦定律又称余弦定律漫发射体：漫发射体：LE 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；辐射力的大小由小由斯蒂芬斯蒂芬-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揭示了最大单色辐射力的分布规律。分布规律。