热辐射和辐射换热.ppt

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1、热辐射和辐射换热现在学习的是第1页，共35页本章中将阐述热辐射的本章中将阐述热辐射的本质、特征本质、特征，以及有关的以及有关的基本概念和基本规律基本概念和基本规律，在此，在此基础上，进一步分析辐射换热的基础上，进一步分析辐射换热的计算计算和和辐射换热的辐射换热的网络求解法网络求解法。本专业主要介绍热辐射的本质、特征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，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。对后半部分内容不做要求。现在学习的是第2页，共35页8-1 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、辐射和热辐射辐射：辐射：从宏观的角度、辐射是

2、从宏观的角度、辐射是连续的电磁连续的电磁波波传递能量的过程；从微观的角度，辐射传递能量的过程；从微观的角度，辐射是是不连续的量子不连续的量子传递能量的过程。因此，传递能量的过程。因此，物体向外界物体向外界以电磁波的形式以电磁波的形式发射发射携带能量携带能量的量子的量子的过程称为辐射的过程称为辐射。辐射能：辐射能：通过辐射所传递的能量称为通过辐射所传递的能量称为辐射辐射能能(也把辐射这个术语用来表明辐射能本身也把辐射这个术语用来表明辐射能本身)。热辐射：热辐射：通常把物质由于自身通常把物质由于自身与温度有关与温度有关的原因的原因而激发产生的电磁波传播称为而激发产生的电磁波传播称为热辐热辐射射。现

3、在学习的是第3页，共35页p任何物体在绝对零度以上都能发射出电磁波任何物体在绝对零度以上都能发射出电磁波。p物质可对外发射物质可对外发射从零到无穷大从零到无穷大的任何波长的电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不相同，它们投射到物体上产生的效应也不同。p热射线：热射线：0.1m0.1m100m100m；可见光：可见光：0.38m0.38m0.76m0.76m现在学习的是第4页，共35页p热辐射是电磁波多种辐射形式的一种，所有电磁辐射热辐射是电磁波多种辐射形式的一种，所有电磁辐射都以都以光速光速进行

4、传播，其值进行传播，其值等于辐射波长与频率的乘等于辐射波长与频率的乘积积：c c (8-1)(8-1)式中式中 c c 光速；光速；波长；波长；频率。频率。p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，每个每个量子的能量量子的能量为：为：E Ehh (8-2)(8-2)式中式中 h 普朗克常数，其值为普朗克常数，其值为6.625610-34JS。现在学习的是第5页，共35页p辐射换热：辐射换热：物体之间相互辐射和相互吸收过程的总效果，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。称为辐射换热。p特点特点：1 1、不依靠物体间相互接触不依靠物体间相互接

5、触而进行热量传递，只要彼此可见的而进行热量传递，只要彼此可见的物体就能互相进行热辐射。物体就能互相进行热辐射。2 2、辐射换热过程伴随着、辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化能量形式的两次转化，即物体的部，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。吸收时，辐射能又转化为该物体的内能。3 3、辐射换热过程中，高温物体向低温物体辐射能量的同时，、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，低温物体也向高温物体辐射能量，热辐射是双向的热辐射是双向的。能量。能量最

6、终由高温物体传向低温物体。最终由高温物体传向低温物体。现在学习的是第6页，共35页二、辐射能的吸收、反射和透射二、辐射能的吸收、反射和透射 各种辐射射线都是电磁波，因而它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，和可见光一样也有投射到物体上时，和可见光一样也有吸吸收，反射和透射收，反射和透射现象发生。现象发生。现在学习的是第7页，共35页p 根据能量守恒原则：根据能量守恒原则：GGGG G/GG/GG/G1 其中：其中：G G/G/G、G G/G/G、G

7、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)现在学习的是第8页，共35页p单色辐射：单色辐射：在某个特定波长下的辐射称为在某个特定波长下的辐射称为单色单色辐射辐射，如果投射能量是单色辐射，上述关系也，如果投射能量是单色辐射，上述关系也同样适用。同样适用。(8-3b)(8-3b)式中式中:、分别为分别为单色吸收率、单色单色吸收率、单色反射率和单色透射率反射率和单色透射率。p 、和和、是是物体表面的物体表面的辐射特性，和物体的性质，温度及表面状况有辐射特性，和物体的性

8、质，温度及表面状况有关关。、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。现在学习的是第9页，共35页p 固体和液体固体和液体不允许热辐射透过。透射不允许热辐射透过。透射率率，即，即。即：。即：吸收能力大吸收能力大的物体其反射本领就小的物体其反射本领就小；反之吸收能力；反之吸收能力小的物体其反射本领就大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，可气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为认为反射率反射率，即，即。显。显然，吸收性大的气体，其穿透性就差。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。多原子气体才具有吸收能力。p 固体和液体固体和液体物体表面状况物体

9、表面状况对这些特性对这些特性的影响是至关重要的。的影响是至关重要的。现在学习的是第10页，共35页辐射能投射到物体表面后的反射现象，也和辐射能投射到物体表面后的反射现象，也和可见光一样有可见光一样有镜面反射和漫反射镜面反射和漫反射两种情况。两种情况。当表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于投射当表面不平整尺寸（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。一射后沿各

10、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。般工程材料的表面大都形成漫反射。现在学习的是第11页，共35页自然界所有物体的吸收率自然界所有物体的吸收率，反射率，反射率和和透射率透射率的数值都在的数值都在 0 0到到1 1 的范围内变化的范围内变化，每个量的数值又因具体条件不同而千差，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，可以从万别。为了使问题简化，可以从理想物体理想物体入手进行研究。入手进行研究。现在学习的是第12页，共35页黑体黑体：如物体能全部吸收外来辐射线，则称如物体能全部吸收外来辐射线，则称为黑体，即为黑体，即；白体白体：如物体全部反射外来射线，则不

11、论镜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，即面反射或漫反射均称为白体，即；透明体透明体：如物体能被外来射线所全部透射，如物体能被外来射线所全部透射，则称为透明体，即则称为透明体，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，它们只是实际物体热辐射性能的理想模型理想模型。但也存在接近理想模型的实际物体，如吸收力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，很强的煤烟炱和黑丝绒等，0.970.97；高度磨；高度磨光的纯金光的纯金.现在学习的是第13页，共35页p黑体、白体和透明体都是对黑体、

12、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（可见光只是全波长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波长射线其吸收率0.980.98，非常接近黑体；，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线的吸收率基本相同，普通玻璃能透过可见光，对，对3m3m的红外线几乎是不透明体。的红外线几乎是不透明体。p

13、因此，因此，物体对外来辐射的吸收和反射能力是和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物体的性质、表面状况、所处温度和发射物体的温度有关的温度有关。现在学习的是第14页，共35页三、辐射强度和辐射力三、辐射强度和辐射力 辐射强度辐射强度是物体表面朝向某给定方向，对垂直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，用符号所发射全波长的能量，用符号表示，它的单位表示，它的单位是是W(mSr)。SrSr是立体角的单位称为球面度是立体角的单位称为球面度。若辐射强度仅指某波长若辐射

14、强度仅指某波长下波长间隔下波长间隔dd范围内范围内所发射的能量，则称为所发射的能量，则称为单色辐射强度单色辐射强度，用符号，用符号I表示，单位是表示，单位是W(mmSr)ddIIdII或0现在学习的是第15页，共35页现在学习的是第16页，共35页p辐射力辐射力是物体参与辐射的单位表面积在单位是物体参与辐射的单位表面积在单位时间内向时间内向半球空间半球空间辐射出去的辐射出去的0 0波长范围波长范围内的总能量，用符号内的总能量，用符号E E表示，单位是表示，单位是W Wm m。p单色辐射力单色辐射力指若辐射力仅指某波长指若辐射力仅指某波长下波长下波长间隔间隔dd范围内所发射的能量。用符号范围内所

15、发射的能量。用符号E E表表示，单位是示，单位是W(mm)，ddEEdEE或0现在学习的是第17页，共35页8-2 8-2 热辐射基本定律热辐射基本定律 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。个方向各种波长的全部能量。黑体吸收率最黑体吸收率最大，辐射力亦最强大，辐射力亦最强，是一个理想化的物体。，是一个理想化的物体。此后凡与黑体辐射有关的物理量，均以右下此后凡与黑体辐射有关的物理量，均以右下角标角标“b”表示。表示。现在学习的是第18页，共35页一、普朗克定律一、普朗克定律(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

16、定律即普朗克定律即黑体单色辐射力黑体单色辐射力E Ebb与与波长波长和物和物体表面体表面绝对温度绝对温度T T之间的函数关系式：之间的函数关系式：(8-9)(8-9)其中：其中：C1=3.743108 wm4/m2 C2=1.4387104 m K)./(12)/(512mmWeCETcb 现在学习的是第19页，共35页现在学习的是第20页，共35页 维恩位移定律维恩位移定律 德国物理学家维恩在德国物理学家维恩在18961896年用经典热力学年用经典热力学方法确定了方法确定了E Ebb为最大值时为最大值时的波长的波长maxmax与与温温度度T T之间的关系：之间的关系：maxT2897.6mK

17、 (8-10)现在学习的是第21页，共35页二、斯蒂芬二、斯蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 上式说明：黑体的单位表面积上在单位上式说明：黑体的单位表面积上在单位时间内发出的时间内发出的(包括全波长范围的包括全波长范围的)热辐射总热辐射总能量，和它的能量，和它的绝对温度四次方成正比绝对温度四次方成正比。这就。这就是斯蒂芬是斯蒂芬-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。2440)/(510/)100(12mWTcTdeCdEEbbTcbb 现在学习的是第22页，共35页p波段辐射力波段辐射力:波段区间的辐射能。波段区间的辐射能。pF Fb(b(）:波段辐射力占同温度下黑体辐射力波

18、段辐射力占同温度下黑体辐射力E Eb b的百分的百分数。数。(8-12a)(8-12a)(8-12b)(8-12b)dEEbb 2121 )(11)10()20()21()10()20(122121)21(400440 bbbbbbbbbbbbbbFFTEFFdEdETdETdEdEF现在学习的是第23页，共35页)()1()(2515TfeTcTETcb ()(0)(0)1221()(0)(0)12214()TTTTbbbbbbbFFFETFF现在学习的是第24页，共35页例例8-2 8-2 试求当温度为试求当温度为2000K2000K时黑体最大的单色辐射力所时黑体最大的单色辐射力所对应的波

19、长；此时可见光与红外线在总辐射中所占份额对应的波长；此时可见光与红外线在总辐射中所占份额各为多少各为多少?解：应用式解：应用式(8-10)(8-10)，该黑体最大的辐射力所对应的，该黑体最大的辐射力所对应的波长波长max为：为：max2897.6/20001.4488m 可见光的波长范围为可见光的波长范围为0.380.380.76m0.76m，红外线波长范，红外线波长范围为围为0.760.761000m1000m可分别算出各波长下的可分别算出各波长下的值并由值并由表表8-18-1查出对应的查出对应的Fb(0T)值。值。0.38m T760mK F b(00.38)0.1 10-4 0.76m

20、T1520mK Fb(00.76）0.1610-1 1000m T210mK Fb(01000）1.0现在学习的是第25页，共35页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)0.0160.110-40.01599 1.599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(0.76 1000)0.0160.984 98.4显然，在这样的温度下，可见光辐射显然，在这样的温度下，可见光辐射所占份额是微不足道的。所占份额是微不足道的。现在学习的是第26页，共35页四、克希霍夫定律四、克希霍夫定律 黑度黑度 ：把实际物体的辐射力把实际物体的辐射力E E与同温

21、度下黑体的与同温度下黑体的辐射力辐射力E Eb b之比称为该物体的黑度，用符号之比称为该物体的黑度，用符号表示：表示：E/b (8-18a)单色黑度单色黑度 ：是实际物体的单色辐射力与同温度是实际物体的单色辐射力与同温度下黑体的单色辐射力之比下黑体的单色辐射力之比。E/b或或EEb(8-18b)与与的关系为的关系为：00 dEdEEEbbb现在学习的是第27页，共35页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黑度与波长黑度与波长无关无关的物体。的物体。灰体的辐射力遵循斯蒂芬灰体的辐射力遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 EEbbT (8-19a)cb（T/100)4 (8-19b

22、)实际物体的辐射力并非严格遵守四次方定实际物体的辐射力并非严格遵守四次方定律律，但工程上为方便仍用式，但工程上为方便仍用式(8-19)(8-19)来计算来计算，所引起的误差都归到实际物质的黑度中，所引起的误差都归到实际物质的黑度中去修正。此外，自然界中并无绝对灰体，去修正。此外，自然界中并无绝对灰体，它仅它仅作为一种假想物体。实际物体在红外作为一种假想物体。实际物体在红外波长范围内，可以近似地看作是灰体。波长范围内，可以近似地看作是灰体。现在学习的是第28页，共35页物体对于投射能量吸收的百分数是该物物体对于投射能量吸收的百分数是该物体的吸收率体的吸收率，实际物体的吸收率既决，实际物体的吸收率

23、既决定于投入射线的方向和波长，又决定于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。引入灰体概念后，认为灰体的吸收率灰体的吸收率和单色吸收率都与波长无关和单色吸收率都与波长无关，大小仅取，大小仅取决于吸收表面的状况。决于吸收表面的状况。现在学习的是第29页，共35页实际物体在吸收与辐射之间内在联系实际物体在吸收与辐射之间内在联系p 克希霍夫克希霍夫(Kirchhoff)(Kirchhoff)揭示了与周围环境揭示了与周围环境处于处于热平衡状态热平衡状态下下实际物体的黑度与吸收率实际物体的黑度与吸收率之间的关系。之间的

24、关系。现在学习的是第30页，共35页有两块有两块相距很近相距很近而而面积又很大面积又很大的的平行平板。设平板平行平板。设平板I I为黑体表面为黑体表面，其辐射力为，其辐射力为E Eb b，吸收率，吸收率b b，表面温度，表面温度T T；平板；平板为非为非黑体表面，其辐射力为黑体表面，其辐射力为E E，吸收，吸收率为率为，黑度为，黑度为，表面温度，表面温度T T，分析两平板在单位时间，单，分析两平板在单位时间，单位面积上的能量收支。位面积上的能量收支。板板的能量收支为的能量收支为 qEb现在学习的是第31页，共35页 qEb当系统处于热平衡时当系统处于热平衡时T，q，则，则 Eb 或或 E/b

25、推广到任意物体：推广到任意物体：E E/E E/E/E/b b(8-21)(8-21)即即克希霍夫定律的数学表达式克希霍夫定律的数学表达式，它说明，它说明任何物体的辐射力与其吸收率之比恒等于同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温度下黑体的辐射力，并只和温度有关。必，并只和温度有关。必须指出，这一关系是在须指出，这一关系是在热平衡的条件热平衡的条件下推导下推导出来，所以，出来，所以，在实际物体和黑体构成的系统在实际物体和黑体构成的系统中只有符合中只有符合热平衡条件热平衡条件时应用才正确时应用才正确。现在学习的是第32页，共35页据黑度的概念，克希霍夫定律还可写作据黑度的概念

26、，克希霍夫定律还可写作：E/b (8-22a)对于特定波长，同理可有：对于特定波长，同理可有：(8-22b)这是这是克希霍夫定律的又一表达式克希霍夫定律的又一表达式，它说，它说明在热平衡条件下，任意物体的吸收率明在热平衡条件下，任意物体的吸收率等于同温度下该物体的辐射率等于同温度下该物体的辐射率(黑度黑度)。现在学习的是第33页，共35页对于灰体，当温度一定时，灰体的吸收率和黑度也是一定对于灰体，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，其黑度也不随波长改；同时灰体向外发射能量时，其

27、黑度也不随波长改变变。根据克希霍夫定律，灰体有：。根据克希霍夫定律，灰体有：(8-23)灰体的吸收率与黑度相等而又与外界条件无关，也就灰体的吸收率与黑度相等而又与外界条件无关，也就无所谓无所谓是否处于热平衡的条件是否处于热平衡的条件了。了。在工业高温下多数材料的热辐射主要处于红外线波长范在工业高温下多数材料的热辐射主要处于红外线波长范围内，材料的围内，材料的值随值随的变化不大因此允许把工程材料的变化不大因此允许把工程材料作为灰体处理。若热辐射中可见光所占的份额较大，则不作为灰体处理。若热辐射中可见光所占的份额较大，则不能把材料作灰体处理，否则将导致较大误差。能把材料作灰体处理，否则将导致较大误差。现在学习的是第34页，共35页作业：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 克克定律定律 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、维恩位移定律现在学习的是第35页，共35页