化工原理(少学时)课件和辅导教程、考试重点例题复习题及课后答案2.4. 热辐射.ppt

* 返回 北京化工大学化工原理电子课件 第五节 热辐射 Radiation 一、基本概念 （一）热辐射的物理性质： 凡是热力学温度在零度以上的物体，由于物体内部原子复杂的激烈运动能以电磁波的形式向外发射热辐射线，并向周围空间作直线传播。 当与另一物体相遇时，则可被吸收、反射和透过，其中被吸收的热辐射能就转变为热能。 热辐射的特点： 能量传递的同时还伴随着能量形式的转换； 不需要任何介质，可在真空中传播。 0.38～0.76 可见光 0.76～1000 红外线 0.1～0.38 紫外线 波长λ， μm 名称 热辐射线 大部分能量集中在0.76～20μm 被反射Qρ 穿过物体Qτ 被吸收Qα N 总能量Q 能量守恒定律： （二） 吸收率、反射率与透过率 透热体：τ＝1， 即物体对投射来的热辐射既不吸收也不反射，而是全部透过。 1.分子结构对称的双原子气体可认为是近似的透热体,如：O2、H2、N2。 2.分子结构不对称的双原子气体和多原子气体，一般具有较大的辐射能力和吸收能力，如：CO、CO2、SO2、CH4和水蒸气等。 （三）透热体、白体与黑体 白体（镜体）：ρ＝1， 即表示全部反射辐射能。如表面磨光的铜，反射率可达到0.97 黑体：α＝1 即物体全部吸收投射来的各种波长的热辐射能。 固体、液体： 透过率τ=0 吸收率α+反射率ρ=1 固体和液体向外发射热辐射线和吸收投射来的热辐射线都是在物体表面进行的，因而，其表面情况对热辐射的影响较大。 （四）固体、液体与气体的热辐射特点 气体： 气体的辐射和吸收是在整个气体容积内进行的，气体容积发射的热辐射能也是整个容积内气体分子发射的热辐射能的总和。 二、辐射能力与斯蒂芬－波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律 (一)黑体的辐射能力与斯蒂芬－波尔兹曼定律 物体在一定温度下，单位表面积，单位时间内所发射的全部辐射能（波长从0到?），称为该物体在该温度下的辐射能力（emissive power），以E表示。 E=Q/A E－辐射能力，W/m2 Q－辐射能，W A－物体表面积，m2 斯蒂芬－波尔兹曼定律（四次方定律）： Eb=σT4 Eb－黑体的辐射能力，W/m2 σ －斯蒂芬－波尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4) T－黑体表面的热力学温度，K Cb－黑体的辐射系数， 5.67W/(m2·K4) 应用时，常表示为： 例4-22 试计算一黑体的表面温度分别为20℃和600℃时的辐射能力的变化。 结论： 同一黑体在不同温度下辐射能力变化很大，在低温时，温度对辐射能力的影响较小，而高温时可成为主要的传热方式。 （二）实际物体的辐射能力、黑度与灰体 1.实际物体的辐射能力 在一定温度下，黑体的辐射能力最大。实际物体的辐射能力E与同温度下黑体的辐射能力Eb之比称为该物体的黑度（blackness），以ε表示， ε =E/Eb E－实际物体的辐射能力，W/m2 Eb －黑体的辐射能力， W/m2 ε －黑度 C－实际物体的辐射系数， C＝ 5.67εW/(m2·K4) 2.黑度ε 在同一温度下，实际物体的辐射能力E恒小于黑体的辐射能力Eb,ε1。黑度表示实际物体的辐射能力接近黑体辐射能力的程度，实际物体的黑度越大，其辐射能力就越大。 影响因素：（自身状态） （1）表面的材料：一般非金属的黑度较大； （2）温度：金属的黑度常随温度的升高而略增大； （3）表面状况（粗糙度、氧化程度）：对同一金属材料，粗糙表面的黑度较大；氧化表面的黑度常比非氧化表面高一些。 3.灰体（gray body） 物体的单色辐射能力：辐射物体单位面积在单位时间内，在某一波长λ下单位波长间隔向空间辐射的能力，以E?表示，单位W/（m3·μm）。 E? ＝dE/d ? 黑体的单色辐射能力用符号Eb? 表示。 对任一波长，灰体的单色辐射能力与黑体的单色辐射能力之比均等于灰体的黑度，即： 三、克希霍夫定律 T1 T2 A1 A2=1 对灰体: Ⅰ 灰体 Ⅱ 黑体 克希霍夫定律 E Eb (1-α)Eb αEb E 结论： （1）任何物体的发射能力与吸收率的比值均相同，且等于同温度下绝对黑体的辐射能力。物体的辐射能力越强，其吸收率越大。 （2）α=?＝E/Eb 即同温度下，物体的吸收率与黑度在数值上相等。 （３） α ＜１，Ｅ＜Ｅb，即在任何温度下，各种物体中以绝对黑体的发射能力为最大。 （一）辐射传热速率的计算 四、两固体间的辐射传热 式中 Q1-2—辐射传热系数；W C1-2—总辐射系数；W/(m2·K4)（与两壁面的黑度以及黑体的辐射系数有关） A—平面的传热面积；