传热学第八节 新.ppt

第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性 第八章 热辐射基本定律及 物体的辐射特性 §8-1 热辐射的基本概念 电 磁 辐 射 波 谱 * * 1. 热辐射特点 (1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量； (2) 特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。 2. 电磁波谱 电磁辐射包含了多种形式，如图7-1所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1~100μm。 电磁波的传播速度： c = fλ 式中：f — 频率，s-1; λ— 波长，μm 图8-1 当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图7-2所示。 3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透 图8.2物体对热辐射的吸收反射和穿透 对于大多数的固体和液体： 对于不含颗粒的气体： 对于黑体： 镜体或白体： 透明体： 反射又分镜反射和漫反射两种 图8-3 镜反射 图8-4 漫反射 1.黑体概念 黑体：是指能吸收投入到其面 上的所有热辐射能的物体，是 一种科学假想的物体，现实生 活中是不存在的。但却可以人 工制造出近似的人工黑体。 图8-5 黑体模型 §8-2 黑体辐射的基本定律 辐射力E： 单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。 (W/m2)； 光谱辐射力Eλ： 单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。 (W/m3)； 2.热辐射能量的表示方法 E、Eλ关系: 显然， E和Eλ之间具有如下关系： 黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为Ebλ 3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质 式中，λ— 波长，m ； T — 黑体温度，K ； c1 — 第一辐射常数，3.742×10-16 W?m2； c2 — 第二辐射常数，1.4388×10-2 W?K； (1)Planck定律(第一个定律)： 图7-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。 λm与T 的关系由Wien位移定律给出， 图8-6 Planck 定律的图示 (2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)： 式中，σ= 5.67×10-8 w/(m2?K4)，是Stefan-Boltzmann常数。 (3)黑体辐射函数 黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力，如图7-7所示： 图8-7 特定波长区段内的 黑体辐射力 定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)，如图8-8和8-9所示： (4)立体角 黑体辐射函数: 图8-8 立体角定义图 图8-9 计算微元立体角的几何关系 定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图7-10。 (5) 定向辐射强度L(?,? )： 图8-10 定向辐射强度 的定义图 (6) Lambert 定律(黑体辐射的第 三个基本定律) 它说明黑体的定向辐射力随天顶角?呈余弦规律变化，见图7-11，因此， Lambert定律也称为余弦定律。 图8-11 Lambert定律图示 沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E: § 8-3 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