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1、 第十二章 热辐射基础化工过程机械化工过程机械 1第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性12-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念1.热辐射热辐射(1)(1)定义定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)(2)特点特点：a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 0 K，就会不停地向周，就会不停地向周围空间发出热辐射；围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c 伴随能量形伴随能量形式的转变；式的转变；d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长辐射能与温度和波长均有关；均有关；f 发射辐射取决于温度
2、的发射辐射取决于温度的4次方。次方。2.电磁波谱电磁波谱电磁辐射包含了多种形式电磁辐射包含了多种形式，而我们所感兴趣的而我们所感兴趣的则是则是工业上有工业上有实际意义的热辐射区域一般为实际意义的热辐射区域一般为0.11000.1100mm。电磁波的传播速度：电磁波的传播速度：c=f 式中：式中：f 频率，频率，s-1;波长，波长，m2第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图12-1 12-1 电磁辐射波谱电磁辐射波谱3第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性当热辐射投射到物体表面上时，一般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、反射和穿会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如透，
3、如右右图所示。图所示。3.3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 图图12-212-2物体对热辐射的物体对热辐射的 吸收反射和穿透吸收反射和穿透4第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：对于黑体：镜体或白体：镜体或白体：透明体：透明体：反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种（镜体和白体）（镜体和白体）（a）镜反射镜反射（b）漫反射漫反射5第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性1.1.黑体概念黑体概念黑体：黑体：是指能吸收投入到其面是指能吸收投入到其面上的所有热
4、辐射能的物体，是上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。工制造出近似的人工黑体。图图12-412-4黑体模型黑体模型12-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律6第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性定定义义：球球面面面面积积除除以以球球半半径径的的平平方方称称为为立立体体角角，单单位位：sr(球面度球面度)，如图，如图12-6和和12-7所示：所示：立体角立体角定义：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
5、射的一切波长的能量，单位立体角内发射的一切波长的能量，如如见图见图12-512-5。定向辐射强度定向辐射强度I I：图图12-512-5定向辐射强度定向辐射强度的定义图的定义图 2.2.热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法7第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图12-612-6立体角定义图立体角定义图8第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图12-712-7 计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几何关系9第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性辐射力辐射力E 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。长的能
6、量总和。(W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力E E：单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长包含某一给定波长)，物体，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。的单位表面积向半球空间发射的能量。(W/m3)；E、E关系关系:显然，显然，E和和E之间具有如下关系：之间具有如下关系：黑体一般采用下标黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为Eb，黑，黑体的体的光谱辐射力光谱辐射力为为Eb10第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性 3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质黑体辐射的三个基本定律及相关性质式中，式中，波长，波长，m m；T T 黑体温度，黑体温度
7、，K K；c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.6.542103.6.54210-16-16 W W m m2 2；c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.4388101.438810-2-2 W W K K；(1)(1)普朗克普朗克定律：定律：右图右图是根据上式描绘的黑是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温体光谱辐射力随波长和温度的变度的变化化关系。关系。mmaxax与与T T 的关系由的关系由维恩维恩位位移定律给出，移定律给出，图图12-8普朗克普朗克定律的图示定律的图示11第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性(2)(2)斯特藩斯特藩-波尔兹曼波尔兹曼定律：定律：式中，式
8、中，=5.66=5.6696961010-8-8 w/(m w/(m2 2 K K4 4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。a.a.黑体辐射函数黑体辐射函数黑体在波长黑体在波长11和和22区段内所区段内所发射的辐射力，如发射的辐射力，如右右图所示：图所示：图图12-912-9特定波长区段内的黑体辐射力特定波长区段内的黑体辐射力b.b.相对辐射力相对辐射力:12第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性(3)兰贝特兰贝特定律定律它说明黑体的定向辐射力随它说明黑体的定向辐射力随纬纬度度角角 呈余弦规律变化，见图呈余弦规律变化，见图12-10，因此，因此
9、，Lambert定律定律也称为余弦定律。也称为余弦定律。图图12-1012-10 Lambert Lambert定律图示定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:E:13第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性 12-3-1 实际实际物体物体的辐射特性的辐射特性 灰体灰体1 发射率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；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；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；因此，定
10、义了发射率因此，定义了发射率(也称为黑度也称为黑度)：相同温度下，：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实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:14第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性 对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力，光谱辐射力Eb 和定向辐射强度和定向辐射强度L，分别引入了三个修正系数，即，发射率，分别引入了三个修正系数，即，发射率，单色单色发射率发射率()和和定向发射率定向发射率()，其表达式和物理意义如下，其表达式和物理意义如下实际物体的辐射力与实际物体的辐射力与黑体辐射力之比黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射实际物体的光谱辐射力与黑体的
11、光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：力之比：实际物体的定向辐射实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐强度与黑体的定向辐射强度之比：射强度之比：15第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性2 吸收比吸收比 与黑体不同，实际物体对投射辐射不能完全吸收，还存与黑体不同，实际物体对投射辐射不能完全吸收，还存在反射和透射，即只有不封透射辐射能被物体吸收。在反射和透射，即只有不封透射辐射能被物体吸收。吸收比不仅与吸收比不仅与表面的材料性质、表面状况和温度表面的材料性质、表面状况和温度有关，有关，同时与同时与透射辐射的特性透射辐射的特性有关。基尔霍夫定律将重点讨论物有关。基尔霍夫定律将重点讨论物体辐射率与吸收比之
12、间的关系。体辐射率与吸收比之间的关系。3 反射比反射比 被表面反射的能量与透射到表面的能量之比。被表面反射的能量与透射到表面的能量之比。4 灰体灰体 单色发射率不随波长变化的物体，发射的光谱和黑体相单色发射率不随波长变化的物体，发射的光谱和黑体相似，只是单色辐射力低于同温度下的黑体似，只是单色辐射力低于同温度下的黑体。16第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性黑黑体体、灰灰体体、白白体体等等都都是是理理想想物物体体，而而实实际际物物体体的的辐辐射射特特性性并并不不完完全全与与这这些些理理想想物物体体相相同同，比比如如，(1)(1)实实际际物物体体的的辐辐射射力力与与黑黑体体和和灰灰体体的的辐辐
13、射射力力的的差差别别见见图图12-1112-11；(2)(2)实实际际物物体体的的辐辐射射力力并并不不完完全全与与热热力力学学温温度度的的四四次次方方成成正正比比；(3)(3)实实际际物物体体的的定定向向辐辐射射强强度度也也不不严严格格遵遵守守LambertLambert定定律律，等等等等。所所有有这这些些差差别别全全部部归归于于上上面面的的系系数数，因因此此，他他们们一一般般需需要要实实验验来来确确定定，形形式式也也可可能能很很复复杂杂。在在工工程程上上一一般般都都将将真实表面假设为漫发射面。真实表面假设为漫发射面。图图12-11 实际物体、黑体实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱和灰体的辐射
14、能量光谱17第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性12-3-2固、液表面的热辐射特征固、液表面的热辐射特征图图12-12 几种金属导体在不同方向上的定向发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率()1.1.金属表面的辐射特征金属表面的辐射特征金属表面的辐射特征金属表面的辐射特征金属表面的投射比为零金属表面的投射比为零金属表面的投射比为零金属表面的投射比为零金属与非导体的定向发射率随金属与非导体的定向发射率随金属与非导体的定向发射率随金属与非导体的定向发射率随 角的变化有明显的区别。角的变化有明显的区别。角的变化有明显的区别。角的变化有明显的区别。18第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性图图1
15、2-13 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率()2.2.非金属表面的辐射特征非金属表面的辐射特征非金属表面的辐射特征非金属表面的辐射特征19第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性12-312-3-3 3 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的辐射投入上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？18591859年，年，基尔霍夫基尔霍夫用热力学方法回答了这个问用热力学方法回答了这个问题，从而提出了题
16、，从而提出了基尔霍夫基尔霍夫定律。定律。最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图平衡方法。如图12-1412-14所示，板所示，板1 1是是黑体，板黑体，板2 2是是任意物体，参数分别为任意物体，参数分别为E Eb b ，T T1 1 以及以及E E,T,T2 2，则当系统处于热平衡时，有则当系统处于热平衡时，有 图图12-1412-14 平行平板平行平板间的辐射换热间的辐射换热20第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性 此即此即Kirchhoff Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热力定律的表达式之一。该式说明，在热力学平
17、衡状态下，物体的吸收率等学平衡状态下，物体的吸收率等于于它的发射率。但该式它的发射率。但该式具有如下具有如下限制限制：(1)(1)整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；(2)(2)如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；同一温度下的值才能相等；(3)(3)投射辐射源必须是同温度下的黑体投射辐射源必须是同温度下的黑体。为了将为了将Kirchhoff Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式，见式，见表表12-112-1。21第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向光谱，半球光谱，半球全波段，半球全波段，半球无条件，无条件，为为维度维度角角漫射表面漫射表面与黑体处于热平衡或对与黑体处于热平衡或对漫灰表面漫灰表面表表1212-1 1 Kirchhoff Kirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式22第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性23第七章 热辐射基本定律及物体的辐射特性