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冶金传输原理第8章辐射换热
8.2 热辐射的工程应用 3)?辐射和吸收在整个气体容积中进行 气体对吸收光带内的投入辐射,有: 2、气体的辐射力和黑度 气体的辐射力仍可以表示为 热平衡条件下, * * 8.1.1 热辐射的本质及特点. 8.1.2 热辐射的基本概念及基本定律. 1、绝对黑体的概念 2、普朗克定律. 3、斯蒂芬-波尔茨曼定律. 4、灰体和实际物体的辐射力. 5、基尔霍夫定律. 8.1 热辐射基础 8.1 热辐射基础 8.1.1 热辐射的本质及特点 辐射—电子受激和振动时,产生交替变化的电场和磁场,发出电磁波向空间传播。 热辐射—物体自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播效应。投射到物体上,为物体吸收转变为内能,使其温度升高. 热辐射波长范围--0.1-100μm。主要包括红外线和可见光,也有少量紫外线。工业上所说的热辐射主要是指红外辐射。 8.1 热辐射基础 特点: 1、不依靠物质接触传递热量,可在真空中传播; 2、换热过程伴随能量形式转换; 3、换热结果: 温度不同时,高温物体将能量传给低温物体. 温度相同时,物体间换热处于动平衡. 8.1 热辐射基础 8.1.2 热辐射的基本概念及基本定律 1、绝对黑体的概念 (1)辐射能的吸收、反射和投射 如下图所示,当热射线投射到物体上,一部分被吸收,一部分被反射,其余则透过物体。 投射总辐射Q,物体吸收部分为Qα, 反射部分为Qρ,透射部分为Qτ.由能量 守恒原理可有 两端同除Q,得 物体对热射线的吸收、反射和投射 8.1 热辐射基础 8.1 热辐射基础 黑体模型:用工程材料制作一空腔,壁面温度保持均匀,空腔表面开一小孔,小孔面积远小于空腔面积。则该小孔就具有黑体性质,原因:进入小孔的热射线经空腔内多次吸收和反射,再由小孔投射出去的可能性很小,可认为被空腔 完全吸收。 黑体吸收率α=1。对黑体模型, 小孔相对面积愈小,α愈接近1,小 孔→黑体。 黑体模型 8.1 热辐射基础 辐射力--物体在单位时间内,由单位表面积向半球空间发射的全部波长(0-∞)的辐射能量(或称半球向辐射力)。 辐射力用符号E表示,单位为W/m2. 物体向外辐射的能量是按波长和空间分布的。 单色辐射力—物体在单位时间内,由单位表面积向半球空间发射的某一波长的辐射能量。 单色辐射力用符号Eλ表示 辐射力和单色辐射力的关系为 ↑ 黑体辐射力: 8.1 热辐射基础 2、普朗克定律 普朗克定律揭示了黑体辐射能量按波 长的分布规律,即Ebλ=f(λ,T)的具体表达形式 公式(8.4) 图8.3 T 8.1 热辐射基础 若将式(8.4)对λ求导,并令其等于零,即 式(8.5)称为维恩定律。利用维恩定律可粗略估计物体加热所达到的温度范围。 则得 例如:太阳可近似视为黑体,测得太阳光辐射力的 代入(8.5)式得太阳表面温度近似为5800K。 8.1 热辐射基础 3、斯蒂芬-波尔茨曼定律 黑体在某一温度下的辐射力可通过将普朗克定律沿整个波长积分求得,即 对上式积分得 式(8.7)又称为斯蒂芬-波尔茨曼定律(四次方定律)。 式(8.7)通常写为 。 8.1 热辐射基础 4、灰体及其辐射力 ● 辐射光谱连续; ● 光谱曲线与黑体的光谱曲线相似, 单色辐射力Eλ与同温度、同波长 下黑体的单色辐射力Ebλ之比为定 值,并且与波长和温度无关,即 如果物体满足(如图8.4所示): 图8.4 灰体与黑体辐射光谱的比较 a—黑体(ε=1);b—灰体(ε=0.67); C—灰体( ε=0.33) 则这种物体被定义为灰体。 8.1 热辐射基础 根据灰体的定义,有 即灰体的黑度与它的单色黑度在数值上相等。 8.1 热辐射基础 5、基尔霍夫定律及实际物体的吸收比 基尔霍夫定律揭示了实际物体辐射力E与吸收比α之间的关系。 设有两个相距很近、面积相等的平行大平面,如下图所示。两 者温度相等。 F1面——任意物体,吸收比α1,黑度为ε1 Fb面——黑体,吸收比1 Fb面辐射→F1面,其中被F1吸收Eb ·α1 F1面辐射→Fb面,全部被Fb吸收Eb·ε1 ∵T1=T2,体系处于热平衡状态,F1 面的热支出等于热收入,热平衡方程为 该式即为基尔霍夫定律 平行平壁间的辐射换热 8.1 热辐射基础 基尔霍夫定律可描述为:热平衡条件下任意物体对黑体辐射能 的吸收比等于同温度下该物体的黑度。 从该式可以看出:凡吸收比大的物质,其发射率也大 如前述,对于灰体,有: 因此,如果是灰体,则(8.11)式可写为 引入灰体的重要性:用基尔霍夫定律确定α的可能性。 注
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