[工学]传热学V4-第八章-热辐射基本定律和辐射特性.ppt

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[工学]传热学V4-第八章-热辐射基本定律和辐射特性

第八章 热辐射基本定律和辐射特性 Shanghai Jiao Tong University SJTU-OYH 传热学 Heat Transfer 8-1 热辐射的基本概念 热辐射:由物体内部微观粒子热运动产生的,以电磁波形式传递的能量; 辐射传热:物体间通过相互热辐射与吸收传递热量的过程。 热辐射的特点: 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; 无需介质,可以在真空中传播。 辐射传热与导热、对流传热的区别(回忆:the barn is on fire!) 无需任何的介质; 伴随能量形式的转变(发射时热能转变为辐射能,吸收时辐射能转变为热能); 辐射能力正比于热力学温度的四次方; 发射和吸收不仅与自身的温度和表面状况相关,还取决于波长和方向; 辐射传热量是物体间相互辐射与吸收的动态平衡(当物体间处于热平衡时,净辐射换热量等于零,但是相互间的辐射与吸收仍在进行)。注意热辐射与辐射传热的概念区别 传热学 Heat Transfer 8-1 热辐射的基本概念 电磁波:交变电磁场在空间的传播。与弹性介质中的机械波不同,电磁波的传播不需要 介质,且传播速度等于光速。 电磁波传播速度、频率与波长的关系: c = fλ 真空 c=3×108 m/s 电磁波频谱: High-energy physicist / nuclear engineer Thermal engineer Electrical engineer 计及太阳辐射(5800K)的热射线: λ=0.1~100μm 工业领域温度范围(2000K)的热射线: λ=0.76~20μm 可见光(λ=0.38~0.76μm) 红外线(λ=0.76~1000μm ) 微波(λ=1mm~1m ) 传热学 Heat Transfer 8-1 热辐射的基本概念 物体对热辐射的吸收、反射与穿透: 可见光、声波、热射线 式中α、ρ和τ 分别为吸收比、反射比和穿透比 黑体:α=1 镜体(白体): ρ= 1 透明体: τ=1 对于大多数的固体和液体: 对于不含颗粒的气体: 辐射表面的状况影响大 辐射表面的状况影响小,容器的形状影响大 理想辐射体 能量守恒 传热学 Heat Transfer 8-1 热辐射的基本概念 物体对热辐射的吸收、反射与穿透: 镜面反射 (表面粗糙度 波长) 漫反射 (表面粗糙度 波长) 辐射表面的状况对固体、液体辐射能的反射 一般工程材料表面均为漫反射 传热学 Heat Transfer 8-1 热辐射的基本概念 热辐射的基本属性:发射和吸收不仅与自身的温度和表面状况相关,还取决于波长和方向 频谱分布特性 方向性分布特性 传热学 Heat Transfer 8-2 黑体热辐射基本定律 黑体: 吸收比α=1 ,能够全部吸收各种波长热辐射能的理想物体。 在相同温度的物体中,黑体的辐射能力最大。 辐射换热的基本研究方法:将真实物体的辐射与黑体进行比较和修正,通过实验获得修正系数,从而获得真实物体的热辐射规律。 黑体模型 内壁吸收比0.6时,如果小孔与内壁面积比小于0.6%,则该模型的吸收比 0.996,近似为黑体 传热学 Heat Transfer 热辐射的能量表示参数: 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);(亦称为半球辐射力,注意单位) 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); (亦称为半球光谱辐射力) 辐射力是光谱辐射力曲线下的总面积 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 黑体辐射三大定律:普朗克定律、斯忒潘-玻耳兹曼定律、兰贝特定律 8-2 黑体热辐射基本定律 一定温度下单位面积黑体辐射的总能量=? 总能量中各个波段的能量分别占多少比例? 辐射能在空间是如何分布的? 传热学 Heat Transfer 普朗克定律 : 揭示了黑体辐射能的光谱特性,即黑体的光谱辐射力Ebλ 随波长和温 度变化的规律。Ebλ=f(λ,T) λ— 波长,m; T — 黑体温度,K; c1 — 第一辐射常数,3.7419×10-16 W?m2; c2 — 第二辐射常数,1.4388×10-2 m?K; 8-2 黑体热辐射基本定律 传热

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