传热学第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性.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 主要内容 热辐射现象的基本概念 黑体热辐射的基本定律 固体和液体的辐射特性 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系 §8-1 热辐射现象的基本概念 电 磁 辐 射 波 谱 黑体辐射规律 黑体辐射的辐射力由Stefan-Boltzmann定律确定，辐射力正比例于热力学温度的四次方；黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律，而按空间方向的分布服从兰贝特定律；黑体的光谱辐射力有个峰值，与此峰值相对应的波长λm由维恩位移定律确定，即随着温度的升高，λm向波长短的方向移动 本章小结 本章首先分析热辐射的本质和特点，结合表面的辐射特性引出有关热辐射的一些术语和概念，然后提出了热辐射的基本定律。学习的基本要求是：理解热辐射的本质和特点；掌握有关黑体、灰体、漫射体、发射率、吸收比的概念；理解和熟悉热辐射的基本定律，重点是Stefan-Boltzmann定律和基尔霍夫定律；了解影响实际物体表面辐射特性的因素 本章小结 （1）作为表面的热辐射性质，主要有：吸收比、反射比、穿透比和发射率。对于实际表面，这些性质既有方向性又具有光谱性，即它们既和辐射的方向有关，又和辐射的波长有关。工程上为简化计算而提出了“漫”、“灰”模型：前者指各向同性的表面，后者指表面的发射辐射能的光谱与同温度黑体的辐射光谱相似，或表面的光谱吸收比不随波长而变化吧，是一个常数。如表面的辐射特性，除了与方向无关外，还与波长无关，则称为“漫—灰”表面，本教材主要针对这类表面作分析计算 本章小结 （2）黑体既是一个理想的吸收体，又是理想的发射体，在热辐射中可把它作为标准物体以衡量实际物体的吸收比和发射率。其特性为：同温度下黑体具有最大的辐射力；黑体的辐射力是温度的单调递增函数；黑体辐射各向同性，定向辐射强度与方向无关 （3）发射率和光谱发射率的定义，对于灰体，两者相等 本章小结 （4）辐射力和定向辐射强度均表示物体表面的辐射能力。只要表面温度大于0K，就会有辐射能量。前者是单位表面积朝半球方向在单位时间内所发射全波长的能量，后者是某方向上单位可见面积在单位时间、单位立体角内所发射的全波长能量。注意两者之间的关系 （5）热辐射的基本定律：五个基本定律，各解决什么问题 图8-19给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。 如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为 图8-19 物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系 物体的选择性吸收特性，即对有些波长的投入辐射吸收多，而对另一些波长的辐射吸收少，在实际生产中利用的例子很多，但事情往往都具有双面性，人们在利用选择性吸收的同时，也为其伤透了脑筋，这是因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦，对此，一般有两种处理方法，即 灰体法，即将光谱吸收比 ?(?) 等效为常数，即? = ?(?) = const。并将?(?)与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的； 谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。 在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一下二者之间具有什么样的联系，1859年，Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff 定律。 最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图8-20所示，板1时黑体，板2是任意物体，参数分别为Eb, T1 以及E, ?, T2，则当系统处于热平衡时，有 图8-20 平行平板间的辐射换热 该定律表述为：在热平衡条件下，任何物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收比的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力 也可表述为：热平衡时，任意物体对黑体投入辐射的吸收比，恒等于同温度下该物体的发射率 对于光谱辐射，有： αλ=ελ 这是该定律更基本的表达式，不受投入辐射沿波长分布的约束 对于灰体，由αλ=常数，可得：ελ=常数 表明灰体辐射沿波长分布与黑体类似 对于灰体，不论投入辐射是否来自黑体，也不论是否处于热平衡条件，恒有α=ε 该结论对辐射换热条件下α的确定带来实质性的简化 引出灰体概念给工程计算带来的方便到此已十分清楚 对于接近灰体性质的材料可近似作为灰体处理，α取同 温度下的ε值。在辐射换热计算中，将工程材料作为灰 体对待 但是不能推广到对太阳辐射的吸收，因为此时可见光占 将近一半，颜色对可见光吸收呈现强烈的选择性，吸收 比与发射率不相等 此即Kirchhoff