傳熱學第四版第8章

1、傳熱學,第八章熱輻射基本定律及物體的輻射特性,課件制作：尹華杰,8-1熱輻射現(xiàn)象的基本概念,熱輻射的定義及區(qū)別于導熱對流的特點熱輻射定義由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射熱輻射產(chǎn)生的條件及輻射與吸收的統(tǒng)一性熱輻射產(chǎn)生的條件熱的電磁波是物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動狀態(tài)改變時激發(fā)出來的。只要物體的溫度高于“絕對零度”，物體總是不斷地把熱能變?yōu)檩椛淠?，向外發(fā)出熱輻射,8-1熱輻射現(xiàn)象的基本概念,熱輻射的定義及區(qū)別于導熱對流的特點熱輻射產(chǎn)

2、生的條件及輻射與吸收的統(tǒng)一性輻射與吸收的統(tǒng)一性物體在輻射的同時，亦不斷地吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射，并把吸收的熱輻射能重新轉變成熱能。輻射換熱就是指物體之間相互輻射和吸收的總效果。當物體與環(huán)境處于熱平衡時，其表面上的熱輻射仍在不停地進行，但其輻射換熱量等于零,8-1熱輻射現(xiàn)象的基本概念,熱輻射的定義及區(qū)別于導熱對流的特點熱輻射傳熱與對流、導熱傳熱的區(qū)別的兩個特點熱輻射的能量傳遞不需要其他介質(zhì)存在，而且在真空中傳遞的效率最高

3、在物體發(fā)射與吸收輻射能量的過程中發(fā)生了電磁能與熱能兩種能量形式的轉換,8-1熱輻射現(xiàn)象的基本概念,從電磁波的角度描述熱輻射的特性電磁波的速率、波長和頻率的關系 c=fλ式中： c—電磁波的傳播速率，在真空中c=3×108m/s在大氣中的傳播速率略低于此值；f—頻率，s-1；λ—波長，單位為m，常用單位為μm（微米），1μm=10-6m工業(yè)所遇到的溫度范圍：＜2000K,8-1熱輻射現(xiàn)象

4、的基本概念,電磁波的波譜＜2000K時有實際意義的輻射波長范圍是：0.38～100μm 多數(shù)能量位于紅外區(qū)段：0.76～20μm可見光區(qū)段： 0.38～ 0.76 μm，熱輻射能量的比重不大,8-1熱輻射現(xiàn)象的基本概念,從電磁波的角度描述熱輻射的特性太陽的溫度約5800K，主要能量集中在 0.2～ 2 μm的波長范圍，可見光占有很大比重包括太陽光的熱輻射范圍：0.1～100μm 近紅外線：波長＜25μm遠紅外線：波長＞2

5、5μm微波波長在1mm～1m的電磁波可穿透塑料、玻璃及陶瓷制品，會被像水一樣的具有極性分子的物體吸收，在物體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)熱源，從而使物體比較均勻地得到加熱。微波爐就是這一原理的產(chǎn)品,8-1熱輻射現(xiàn)象的基本概念,從電磁波的角度描述熱輻射的特性吸收比、反射比和穿透比的定義熱輻射總能量一部分吸收Qα，一部分反射Qρ，一部分穿透Qτ吸收比、反射比和穿透比的定義,8-1熱輻射現(xiàn)象的基本概念,從電磁波的角度描述熱輻射的特性固體或

6、液體情況下對固體或液體，輻射能在極短的距離內(nèi)就被吸收完了，可認為τ=0。金屬導體的這一距離為1μm的數(shù)量級，大多數(shù)非導電材料，這一距離小于1μm氣體情況下反射能力很小，可以認為ρ=0鏡面反射當表面的粗糙度較小，表面不平整尺寸小于投入輻射的波長時，入射角等于反射角,8-1熱輻射現(xiàn)象的基本概念,從電磁波的角度描述熱輻射的特性漫反射當表面不平整尺寸大于投入輻射的波長時，從某一方向投射到物體表面的輻射向空間各個方向反射出去。

7、一般工程材料的表面都形成漫反射表面狀況的影響對固體和液體，吸收和反射均在表面進行，表面的粗糙度影響很大。而氣體的輻射主要是在容積內(nèi)進行，表面狀況無關緊要,8-1熱輻射現(xiàn)象的基本概念,黑體模型及其重要性α=1的物體稱為絕對黑體ρ=1的物體稱為鏡體τ=1的物體稱為絕對透明體漫反射的物體稱為絕對白體光譜吸收比與波長無關的物體稱為灰體黑體模型帶小孔的溫度均勻的空腔,8-1熱輻射現(xiàn)象的基本概念,黑體模型及其重要性黑體模型

8、的重要性在相同溫度的物體中，黑體的輻射能力最大在研究了黑體輻射的基礎上，將其他物體的輻射和黑體比較，從中找出其與黑體輻射的偏離，然后確定必要的修正系數(shù),8-2黑體熱輻射的基本定律,輻射力E單位時間內(nèi)物體的單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射出去的全部波長的輻射能的總量。單位是W/m2輻射力表征物體發(fā)射輻射能本領的大小光譜輻射力Eλ單位時間內(nèi)物體單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射出去的包含波長為λ的單位波長范圍內(nèi)的輻射能。其單位是W

9、/m3右圖給出了光譜輻射力與波長、溫度的關系,8-2黑體熱輻射的基本定律,輻射力與光譜輻射力間的關系式黑體輻射力和光譜輻射力的表示黑體輻射力Eb光譜輻射力Ebλ黑體輻射的基本定律普朗克（Planck）定律斯忒藩-玻耳茲曼定律蘭貝特（Lambert）定律,8-2黑體熱輻射的基本定律,普朗克（Planck）定律揭示了黑體輻射能按照波長的分布規(guī)律，它給出了黑體光譜輻射力Ebλ與波長和溫度的關系。根據(jù)量子理論得到如下數(shù)學表達

10、式：,8-2黑體熱輻射的基本定律,維恩（Wien）位移定律普朗克定律對λ求導，求其λ的最大值，可得維恩關于光譜輻射力的最大波長λm與溫度T之間的關系式：斯忒藩-波耳茲曼定律,8-2黑體熱輻射的基本定律,黑體在波長λ1至λ2區(qū)段所發(fā)射出的輻射能黑體輻射力百分數(shù),8-2黑體熱輻射的基本定律,黑體輻射函數(shù)在給定波段區(qū)間,單位時間內(nèi)黑體單位面積所輻射的能量計算式,8-2黑體熱輻射的基本定律,蘭貝特定律立體角的量度平面角,

11、8-2黑體熱輻射的基本定律,蘭貝特定律立體角的量度立體角單位:Sr,8-2黑體熱輻射的基本定律,蘭貝特定律定向輻射強度定義單位時間、單位可見輻射面積輻射出去的落在單位立體角內(nèi)的輻射能強度單位可見輻射面積從任意方向p看到的輻射面積是正交于 的面積,8-2黑體熱輻射的基本定律,蘭貝特定律定向輻射強度定向輻射強度計算式蘭貝特定律（Lambert）黑體的定向輻射強度與方向無關,8-2黑體熱輻射的基本定律,

12、蘭貝特定律符合蘭貝特定律的輻射（余弦定律）符合蘭貝特定律的輻射力,8-2黑體熱輻射的基本定律,總結黑體輻射力由斯忒藩-玻耳茲曼定律確定，正比于熱力學溫度的四次方：Eb=σT4黑體輻射能量按波長的分布服從普朗克定律空間方向的分布服從蘭貝特定律維恩位移定律描述了黑體單色輻射力有個峰值，與該峰值有對應的波長λm隨溫度升高λm向波長短的方向移動,復習題、習題,復習題：1、2、5習題：黑體輻射基本定律：8-1、8-12,8-3

13、固體和液體的輻射特性,實際物體的光譜輻射實際物體的光譜輻射隨波長做不規(guī)則的變化實際物體的光譜輻射力實際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值，稱為實際物體的發(fā)射率，又稱黑度,8-3固體和液體的輻射特性,實際物體的輻射力實驗結果發(fā)現(xiàn)，實際物體的輻射力并不嚴格符合四次方關系。工程中把這一偏差包括到用實驗方法確定到發(fā)射率中。因此發(fā)射率還與溫度有關,8-3固體和液體的輻射特性,實際物體的定向輻射強度實際物體的定向發(fā)射率（定

14、向黑度）定向發(fā)射率隨θ的變化規(guī)律黑體的定向發(fā)射率是半徑為1的半圓漫射體的定向發(fā)射率是半徑小于1的半圓,8-3固體和液體的輻射特性,實際物體的定向輻射強度實際物體的定向發(fā)射率（定向黑度）定向發(fā)射率隨θ的變化規(guī)律金屬材料的定向發(fā)射率,8-3固體和液體的輻射特性,實際物體的定向輻射強度實際物體的定向發(fā)射率（定向黑度）定向發(fā)射率隨θ的變化規(guī)律金屬材料的定向發(fā)射率,8-3固體和液體的輻射特性,實際物體的定向輻射強度實

15、際物體的定向發(fā)射率（定向黑度）定向發(fā)射率隨θ的變化規(guī)律非金屬材料的定向發(fā)射率,8-3固體和液體的輻射特性,實際物體的定向輻射強度實際物體的定向發(fā)射率（定向黑度）定向發(fā)射率隨θ的變化規(guī)律非金屬材料的定向發(fā)射率,8-3固體和液體的輻射特性,實際物體的定向輻射強度定向發(fā)射率ε(θ) 與半球平均發(fā)射率ε間的關系定向發(fā)射率ε(θ) 與半球發(fā)射率ε間的關系法向發(fā)射率εn 與半球發(fā)射率ε間的關系,8-3固體和液體的輻射

16、特性,實際物體的定向輻射強度定向發(fā)射率ε(θ) 與半球平均發(fā)射率ε間的關系物體的半球平均發(fā)射率ε與法向發(fā)射率εn的比值金屬表面M=1.0～1.3（高度磨光的表面取上限）非導體表面M=0.95～1.0（粗糙表面取上限）除高度磨光的表面外，工程計算中一般取M=1.0,8-3固體和液體的輻射特性,實際物體的定向輻射強度漫射表面物體的半球平均發(fā)射率基本上不變，符合蘭貝特定律。這樣的表面稱為漫射表面影響物體發(fā)射率的因素物質(zhì)種類、

17、表面溫度、表面狀況常用材料表面的法向發(fā)射率表8-2 P369～370,8-4實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系,物體的投入輻射單位時間內(nèi)從外界輻射到物體單位表面積上的能量物體的吸收比物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)影響實際物體吸收比的兩個因素吸收物體本身的情況物質(zhì)種類、表面溫度、表面狀況投入輻射的特性,8-4實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系,實際物體的吸收比光譜吸收比α（λ）物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分

18、數(shù),8-4實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系,實際物體的吸收比物體光譜吸收的選擇性物體的光譜吸收比隨波長而異的性質(zhì)選擇性與自身表面性質(zhì)、溫度有關，還與發(fā)出投入輻射物體的表面性質(zhì)和溫度有關實際物體吸收的選擇性對輻射傳熱計算所造成的困難設物體1為研究的對象，物體2為產(chǎn)生投入輻射的物體,8-4實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系,實際物體的吸收比投入輻射來自黑體的物體吸收比,8-4實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系,灰體的概念及其工

19、程應用光譜吸收比與波長無關的物體稱為灰體在一定溫度下：工業(yè)上通常遇到的熱輻射位于紅外線范圍內(nèi)（絕大多數(shù)能量位于0.76～10μm之間）。大多數(shù)工程材料在此范圍內(nèi)，當作灰體處理引起的誤差是可以容許的,8-4實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系,吸收比與發(fā)射率的關系-基爾霍夫定律實際物體吸收比和發(fā)射率間的關系板1為黑體，板2為一般物體，兩板間輻射換熱的熱流密度,8-4實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系,吸收比與發(fā)射率的關系-基爾

20、霍夫定律實際物體吸收比和發(fā)射率間的關系在熱平衡條件下任何物體的輻射和它對來自黑體輻射的吸收比的比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力?；驘崞胶鈼l件滿足時，任意物體對黑體投入輻射的吸收比等于同溫度下該物體的發(fā)射率,8-4實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系,吸收比與發(fā)射率的關系-基爾霍夫定律漫射灰體吸收比和發(fā)射率間的關系 按灰體的定義其吸收比與波長無關，在一定溫度下是一個常數(shù)；其次物體的發(fā)射率是物性參數(shù)，與環(huán)境無關。假設在某一溫度T下，

21、一灰體與黑體處于熱平衡，按基爾霍夫定律 。然后，考慮改變灰體的環(huán)境，使其所受的輻射不是來自同溫下的黑體輻射，但保持其自身溫度不變，此時考慮到發(fā)射率及灰體吸收比的上述性質(zhì)，顯然仍應有 。所以，對于漫射的灰體表面一定有 。也就是說，對于灰體，不論投入輻射是否來自黑體，也不論是否處于熱平衡條件，其吸收比恒等于同溫度下的發(fā)射率,8-4實際物

22、體對輻射能的吸收與輻射的關系,吸收比與發(fā)射率的關系-基爾霍夫定律三個層次上的基爾霍夫定律基爾霍夫定律有幾種不同層次上的表達式，其適用條件不同,8-4實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系,關于基爾霍夫定律及灰體假設的幾點說明對工程計算而言，只要在所研究的波長范圍內(nèi)光譜吸收比基本上與波長無關，則灰體的假定即可成立，而不必要求在全波段范圍內(nèi) 為常數(shù)。在工程常見的溫度范圍（≤2000K）內(nèi)，許多工程材料都具有這一特點物體的輻射

23、力越大，其吸收能力也越大。善于輻射的物體必善于吸收，反之亦然。所以同溫度下黑體的輻射力最大,8-4實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系,關于基爾霍夫定律及灰體假設的幾點說明當研究物體表面對太陽能的吸收時，一般不能把物體作為灰體，即不能把物體在常溫下的發(fā)射率作為對太陽能的吸收比。因為太陽輻射中可見光占了近一半，而大多數(shù)物體對可見光波的吸收表現(xiàn)出強烈的選擇性。如白漆常溫下的發(fā)射率高達0.9，但在可見光范圍內(nèi)，吸收比僅0.1～0.2。,8-4

24、實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系,溫室效應4.78mm厚的普通玻璃，對于波長0.3μm＜λ＜3μm的熱輻射有很高的穿透比，而對λ＞3μm的熱輻射的穿透比甚小。太陽光譜99%的能量集中在λ=0.2～3μm的波長段，大部分太陽光輻射能量穿過玻璃，進入由面向太陽光的玻璃形成的有吸熱面構成的封閉腔內(nèi)，如果封閉腔內(nèi)的吸熱面材料的光譜發(fā)射率在該波長段較小，使得吸收的熱輻射能量大于發(fā)射輻射能量，從而產(chǎn)生所謂溫室效應該溫室效應被用于：

25、太陽能熱水器、植物溫室等方面,8-4實際物體對輻射能的吸收與輻射的關系,溫室效應在過去一個世紀中由于世界范圍內(nèi)工業(yè)發(fā)展排放的大量對紅外波段的輻射具有一定吸收率的氣體，如二氧化碳、多種CFC（氯氟烴）制冷劑，聚集在地球的外圍，一方面好像給地球罩了一層玻璃窗，以可見光為主的太陽能可以達到地球表面，而地球上一般溫度下的物體所輻射的紅外范圍的熱輻射則大量被這些氣體吸收，無法散發(fā)到宇宙空間中，使得地球表面的溫度逐漸升高，形成溫室效應,8-4實際

26、物體對輻射能的吸收與輻射的關系,溫室效應CFC制冷劑分解的氯氣造成對臭氧層的嚴重破壞，造成南極臭氧層出現(xiàn)空洞,8-5太陽與環(huán)境輻射,概述太陽能的合理利用是解決世界能源問題的有效途徑之一太陽是一個巨大的熱輻射體，其直徑為1.393×109m，是地球的109倍。太陽與地球的平均距離為1.5×1011m。太陽能是一種無污染的清潔能源，它的利用越來越受到世界各國的重視。我國幅員遼闊，太陽能資源十分豐富。雖然太陽

27、發(fā)出的能量大約只有二十二億分之一到達地球，但平均每秒照射到地球上的能量遠遠高于全球能源的總消費量。因此太陽能的合理利用是解決世界能源問題的有效途徑之一,8-5太陽與環(huán)境輻射,概述利用太陽能要了解的一些問題達到地球表面的太陽輻射有多大？太陽能在從太空穿過大氣層到達地球表面的過程中會遇到哪些吸收與削弱影響？太陽的輻射能中各種波長能量的分布如何？,8-5太陽與環(huán)境輻射,太陽能輻射的特點輻射溫度太陽是個熾熱的氣團，它的內(nèi)部不斷地進行

28、著核聚變反應，由此產(chǎn)生的巨大能量以輻射方式向宇宙空間發(fā)射出去。到達地球的大氣層外緣的能量（即太陽的入射能），具有如圖中位置較高的實線所示的光譜特性，相當于溫度為5762K的黑體輻射,8-5太陽與環(huán)境輻射,太陽能輻射的特點輻射波長范圍與光譜能量分布99%的能量集中在λ=0.2～3μm的波長段，最大能量位于0.48μm的波長處光譜能量分布如圖隨一年的日期、一天中的時間、地球緯度及大氣污染等因素不同，地面接受到的太陽輻射在0～1100

29、W/m2范圍內(nèi)變化,8-5太陽與環(huán)境輻射,太陽常數(shù)日地間平均距離處，大氣層外緣與太陽射線相垂直的單位面積所接受到的太陽輻射能稱為太陽常數(shù)，記為Sc，其值為：1367±1.6W/m2。它與地理位置或一天中的時間無關,8-5太陽與環(huán)境輻射,大氣層外緣水平面上每單位面積接受到的太陽輻射能,8-5太陽與環(huán)境輻射,照射到地球上的太陽輻射能的近似值式中d為地球直徑1kg標準煤的發(fā)熱值是29.3×106J，因此照射到地球

30、的太陽能相當于每秒燃燒600萬噸標準煤的熱量地球上多種能量的來源，來自于太陽輻射能充分有效地利用太陽能對于實施能源的可持續(xù)發(fā)展方針，保持地球的良好生態(tài)環(huán)境具有重要意義,8-5太陽與環(huán)境輻射,太陽能穿過大氣層時的削弱大氣的反射云層和大氣中漂浮的較大顆粒把太陽輻射反射回宇宙空間大氣的散射和吸收大氣中的O3、N2、O2、H2O及各種CFC氣體對太陽輻射有吸收作用。其中O3對紫外線有強烈的吸收作用，減少紫外線對人類的傷害工業(yè)城市的

31、污染大氣可使到達地面的太陽輻射能降低10%～20%,8-5太陽與環(huán)境輻射,太陽能穿過大氣層時的削弱散射對太陽投入輻射的重新輻射分子散射(Rayleigh散射)基本向整個空間均勻地進行,因此大約一半射向宇宙空間,另一半到達地面,8-5太陽與環(huán)境輻射,太陽能穿過大氣層時的削弱米散射(Mie散射)由于大氣層中的塵埃與懸浮微粒所造成,它使得輻射能基本沿著投入方向繼續(xù)向前傳遞,因此這部分散射能量可以認為全部到達地球表面上,8-

32、5太陽與環(huán)境輻射,投射到地面的太陽輻射種類直接輻射由太陽發(fā)出的輻射沒有受到吸收與散射的那部分能量直接到達地球表面的輻射能天空散射宇宙中的物體反射的輻射能，投射入大氣層的輻射，有時可達地面接受天空輻射能量的10%我國太陽能資源豐富，全國有三分之二地區(qū)全年日照在2200小時以上，全年平均可以得到的太陽輻照能量約為5.86×106kJ/m2,8-5太陽與環(huán)境輻射,環(huán)境輻射地球以及大氣層中某些具有輻射能力成分的輻射地面輻

33、射地球表面的輻射力可用下式計算：發(fā)射率ε之值常接近于1，例如水表面的ε約為0.96。由于一年四季地球表層溫度變化大約在250K到320K之間，因而其輻射能集中在4～40μm的范圍內(nèi)，如果按平均地面溫度為290K計算，按維恩位移定律,地球的輻射能量中以波長為10μm的紅外線為最多,8-5太陽與環(huán)境輻射,環(huán)境輻射地球的平均表面溫度,8-5太陽與環(huán)境輻射,環(huán)境輻射大氣層輻射雖然大氣層輻射并不具備黑體輻射性質(zhì),但經(jīng)驗表明,可以用

34、一個所謂的有效天空溫度Tsky來計算大氣層對地球表面的投入輻射，而且把天空當作黑體，即有效天空溫度之Tsky值取決于大氣的條件，大致在230K（冬天晴朗的夜晚）到285K（夏天、多云條件）。在夜里，云層的輻射是地球表面得到的唯一投入輻射。在寒冷而晴朗的夜晚，有效天空溫度較低，此時即使水面上的空氣溫度高于273K，水面仍可能凍結,8-5太陽與環(huán)境輻射,部分材料對太陽輻射的吸收比及自身發(fā)射率,復習題、習題,復習題：7、8、9習題：實