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1、第八章热辐射基本定律和辐射特性Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer8-1 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
2、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Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer8-1 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=f 真空 c3108 m/s电磁波频谱：High-energy physicist/nuclear engineer Thermal
3、 engineer Electrical engineer 计及太阳辐射（5800K）的热射线:0.1100m 工业领域温度范围（2000K）的热射线:0.7620m 可见光（0.380.76m）红外线（0.761000m）微波（1mm1m）Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer8-1 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、和 分别为吸收比、反射比和穿透比黑体：1镜体（白体）：1透明体：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
4、大理想辐射体能量守恒Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer8-1 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）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Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer8-1 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Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Hea
5、t Transfer8-2 黑体热辐射基本定律黑体：吸收比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Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH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
6、单位）光谱辐射力 E：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Eb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？Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH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
7、辐射力Eb 随波长和温 度变化的规律。Ebf（,T）波长，m；T 黑体温度，K；c1 第一辐射常数，3.741910-16 Wm2；c2 第二辐射常数，1.438810-2 mK；8-2 黑体热辐射基本定律Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH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Eb 随波长和温 度变化的规律。温度越高，黑体的光谱辐射力越大；一定温度下，黑体的光谱辐射力随波长的增加而“先增后减”。对应黑体最大光谱辐射力的波长m与温度的关系（维恩位移定律）：8-2 黑体热辐射基本定律 The sun em
8、its approximately as a blackbody at 5800K,the maximum emission is in the visible spectral region.A tungsten filament lamp operating at 2900K emits white light,but most of the emission remains in the infrared region.The luminous efficiency is poor.During the steel-making procedure,the surface color o
9、f the steel ingot will vary from red to white with increasing temperature,Why?Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer斯忒潘-玻耳兹曼定律：揭示了黑体辐射能的特性，即黑体的辐射力Eb随波长和温 度变化的规律。黑体辐射常数：=5.6710-8 W/(m2K4)特定波段的黑体辐射力：温度提高一倍，辐射力增加16倍8-2 黑体热辐射基本定律Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer特定波段的
10、黑体辐射力黑体辐射函数黑体辐射力T4黑体辐射函数：特定波段黑体辐射力与相同温度下全波段黑体辐射力T4的百分比。黑体辐射函数表表8-18-2 黑体热辐射基本定律Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer立体角：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)，黑体辐射力定义为半球空间的总能量，如何描述半球空间不同方向的辐射能量分布？半球面立体角 2 （sr）球面微元立体角兰贝特定律：揭示了黑体辐射能的空间分布特性8-2 黑体热辐射基本定律Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 He
11、at Transfer定向辐射强度：单位时间、单位可见辐射面积辐射的在单位立体角内的辐射能量。兰贝特定律：黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。I()Iconstd立体角内的辐射力（定向辐射力）：黑体辐射能的空间分布（定向辐射力）不均匀，在法向最大，切向最小。黑体定向辐射力与定向辐射强度的关系8-2 黑体热辐射基本定律ABC辐射面积辐射面积 Vs 可见辐射面积可见辐射面积Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer半球空间所有波长辐射能量的总和（半球辐射力E）：遵守兰贝特定律的黑体辐射，半球辐射力等于定向辐射强度的倍。Planck定律
12、:给出了特定波长下的辐射力；Stefan-Boltzmann定律:给出了一切波长下的总辐射力；Lambert定律：描述了辐射能量按空间方向分布的规律；Wien位移定律：给出了单色辐射力峰值波长m与温度T 的关系8-2 黑体热辐射基本定律Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer8-3 实际固体和液体的辐射特性由于实际物体的辐射能力小于同温度下的黑体，实际物体引入发射率（黑度）第一章黑体 1实际物体实际物体:(W/m2)(W)MethodologyBlackbodysurface emissivityReal surfaceSha
13、nghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer8-3 实际固体和液体的辐射特性Emission from Real Surface vs.Blackbody Spectral distribution Directional distribution Total,hemisphere 实际物体的辐射力空间分布不同于黑体，其定向辐射强度与方向有关。定向发射率()：实际物体定向辐射强度与同温度黑体定向辐射强度的比值Emission from Real Surface vs.Blackbody Spectral distribution Dir
14、ectional distribution Total,hemisphere 光谱发射率：实际物体光谱辐射力与同温度黑体光谱辐射力的比值。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer8-3 实际固体和液体的辐射特性Emission from Real Surface vs.Blackbody Spectral distribution Directional distribution Total,hemisphere 发射率：实际物体辐射力与同温度黑体辐射力的比值。光谱发射率Shanghai Jiao Tong Universit
15、ySJTU-OYH传热学 Heat Transfer8-3 实际固体和液体的辐射特性实际物体具有漫射表面（满足兰贝特定律的表面）时，一般忽略空间分布的差异，认为定向发射率的半球空间平均值法向发射率n（高度磨光表面除外），直接查表8-2确定。Ib实际物体黑体漫射体漫射体：定向辐射强度I 随的分布满足兰贝特定律的物体，I()=const,()1物体表面的发射率仅与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。由表8-2：1.对于同一金属材料，高度磨光表面发射率低，粗糙表面或氧化表面发射率高；2.非金属材料表面发射率较高。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学
16、Heat Transfer8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系物体辐射换热热辐射的发射热辐射的吸收发射率与温度和表面状况有关，与外界条件无关，是物性参数热辐射的吸收与外界条件有关！投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能。吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数；选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，称为选择性吸收。光谱吸收比（单色吸收比）：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Hea
17、t Transfer实际物体光谱吸收比与波长的关系利用物体选择性吸收的特性：暖房、墨镜、世间万物的不同色彩 注意解释物体颜色时：物体可见光波段光谱辐射力与物体选择性吸收和反射的概念区别。炼钢炉中钢锭呈红色，常温下物体呈红色，两者的区别？8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer利用物体的光谱吸收比和光谱发射率计算吸收比：投入辐射源为黑体：复杂！简化？8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系下标下标1：所研究的物体：所研究的物体下标下标2：产生投入辐射的物体：产生投入辐射的物体Shang
18、hai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer实际物体的选择性吸收使得计算十分复杂简化灰体灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。不管投入辐射的光谱分布如何，吸收比 都保持不变。与黑体类似，它也是一种假想的理想物体。对于大部分工程热辐射问题来讲，温度范围3002000K之间，光谱能量主要在红外区域，灰体假设带来的误差是可以接受的。即对于大部分红外波段的工程热辐射问题，可以将物体视为灰体。引入漫射表面（体）的假设可忽略实际物体发射辐射能的空间分布特性，引入灰体的假设可忽略实际物体选择性吸收投入辐射的特性。8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的
19、关系Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat TransferEmission from Real SurfacesAbsorption by Real SurfacesEmission from Real Surface is directional dependent Emission from Real Surface is directional independent Diffuse surface(漫射表面)Absorption by Real Surface is spectral dependent Gray surface(灰
20、体表面)Absorption by Real Surface is spectral independent 8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系关联关联?Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer物体辐射换热热辐射的发射热辐射的吸收基尔霍夫定律基尔霍夫定律：建立了实际物体辐射力与吸收比的关联。在热平衡时，任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下物体的发射率。注意：实际物体与黑体间满足基尔霍夫定律的前提在于处于热平衡状态（T1=T2）8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系Shanghai Jiao Tong Univ
21、ersitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer具有漫反射特性的灰体严格满足基尔霍夫定律说明：1.存在三种表述方式；2.“善辐射者必善吸收”？2.大多数工业领域温度范围内（2000K）的物体均可视为漫灰体；3.研究物体表面对太阳辐射的吸收时不适用。漫灰体8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer研究物体表面对太阳辐射的吸收时不能视为灰体，即因为大多数的物体对于太阳辐射的可见光的吸收具有较强的选择性（选择性吸收）1.白漆、黑漆常温下发射率0.9，但是吸收比差异大；2.太阳能集
22、热器；3.温室效应：暖房：玻璃对太阳辐射具有强烈的选择性吸收 大部分太阳辐射（0.22m）穿透玻璃，而内部的物体热辐射（3m）穿透率低。地球：CO2、CFC制冷剂（R12等）对3m的红外波段吸收率高，而对于太阳辐射穿透率高 温室效应。温室效应8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer1.到达大气层外缘的太阳辐射 5762K的黑体辐射；2.太阳常数Sc13706 W/m2，太阳辐射总辐射能1.761017W。3.太阳辐射的光谱特性及其受大气层的削弱。8-5 太阳与环境辐射太阳能利用1.到达
23、地面的太阳辐射能？2.大气层对太阳辐射的削弱？光谱特性：99辐射能集中于0.23m波长，最大光谱辐射力位于0.48m。大气层削弱：1.大气层气体的吸收；2.大气散射。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer环境辐射：地球以及大气层中具有辐射能力物体的辐射。地球表面辐射：1，Te250320K大气层对地球表面的投入辐射：Tsky为等效天空温度：寒冷晴空230K，暖和雾天285K。8-5 太阳与环境辐射冬天晴朗的夜晚，室外气温Ta高于0度，而为何地面结霜（Te 273K）？Shanghai Jiao Tong University
24、SJTU-OYH传热学 Heat Transfer本章小节一个中心：热辐射定义及性质；两个基本点：理想物体和实际物体、自身辐射和对投入辐射的吸收；三个理想物体：黑体、白体、透明体；四个重要概念：立体角，选择性吸收，漫灰表面，黑体辐射函数；五个定律：Stefan-Boltzmann 定律、Planck 定律、Lambert 定律、Wien 位移定律、Kirchhoff 定律六个辐射能表示层次：光谱辐射力、定向辐射力、辐射力 光谱辐射强度、定向辐射强度、辐射强度七个系数：发射率、光谱发射率、定向发射率、吸收比、光谱吸收比、穿透比、反射比表8-5 本章基本定律与概念小结Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer作业：8-38-48-88-178-208-25