传热学-7热辐射的基本定律.ppt

第七章  热辐射基本定及物体的辐射特性 §7-1 热辐射的基本概念 ２、特点： ① 不需要物体直接接触。热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。 ② 在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。 辐射：辐射体内热能→辐射能； 吸收：辐射能→受射体内热能 ③ 只要温度大于零就有能量辐射。不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能， 　④ 物体的辐射能力与其温度性质有关。与绝对温度的四次方成正比。 电 磁 辐 射 波 谱 自然界和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白体和透明体虽然并不存在，但和它们根相象的物体却是有的。 例如，煤炭的吸收比达到0.96，磨光的金子反射比几乎等于0.98，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。 但是，在分析实际物体表面的吸收、反射和透过特性的时候，必须非常谨慎地对待波长，尤其要注意不能以肉眼的直观感觉来判断某物体吸收比的高低。 在理解上述基本概念时，应注意以下几个问题： ⑴镜反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。 镜面反射：入射角=反射角，表面粗糙度波长 漫反射： 表面粗糙度波长 ⑵物体的颜色。关键在于是物体本身发射可见光还是物体反射可见光。 ⑶理想辐射模型均是对全波长而言的。 黑体具有最大的吸收力(α=1)，同时亦具有最大的辐射力(ε=1)。在实际物体中不存在绝对黑体，为此引出人工黑体，如图所示。 例题7-1 试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大单色辐射力所对应的波长。 解： 应用Wien位移定律 T=2000K 时 ? max=2.9?10-3/2000=1.45 ?m T=5800K 时 ? max=2.9?10-3/5800=0.50 ?m 常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区 太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区 某一温度下，实际物体的定向辐射强度在各方向上的变化是不规则的。 但从图中可以看出，金属在θ=0-400、非金属在θ=0-600的单色辐射率基本为常数 例、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下去面的哪一面结箱?为什么? 如图所示的真空辐射炉，球心处有一黑体加热元件，试指出①，②，③3处中何处定向辐射强度最大?何处辐射热流最大?假设①，②，②处对球心所张立体角相同。 黑体辐射定律小结 １、Stefan-Boltzmann定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的全部波长的能量，即对方向和波长都积分的结果 ２、Planck定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的能量沿波长分布的规律，即只对方向积分，但研究的是某一波长。 ３、Lambert定律 ：描述黑体在某一温度下所辐射的全部波长的能量沿半球空间方向上的分布规律，即只对波长积分，但研究的是某一方向。 对黑体而言，辐射强度是常数。 § 7-3 实际固体和液体的辐射特性 1 发射率 前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长； 真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体； 因此，定义了发射率 (也称为黑度) ? ：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比: 上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。 Wavelength Direction (angle from the surface normal) 因此，我们需要定义方向光谱发射率，对于某一指定的方向(?, ?) 和波长? 对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率，即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比： 对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了半球光谱发射率，即实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比 这样，前面定义的半球总发射率则可以写为： 半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均 对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb?和定向辐射强度L，分别引入了三个修正系数，即，发射率?，光谱发射率?(? )和定向发射率?(? )，其表达式和物理意义如下 实际物体的辐射力与黑体辐射力之比: 实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比： 实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比： 漫发射的概念：表面的方向发射率 ?(?) 与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上诉规律的表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。 图7-15 几种金属导体在不同方向上的定向发射率?(? )(t=150℃) 图7-16 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率?(? )(t=0~93.3℃) 黑体、灰体、白体等都是