第6章辐射换热.pptx

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1、由肋片散入外界的全部热量都必须通过由肋片散入外界的全部热量都必须通过x x=0=0处的处的肋根截面。肋根截面。第1页/共77页引入过余温度：引入过余温度：初始条件为：初始条件为：能量守恒能量守恒：单位时间物体热力学能的变：单位时间物体热力学能的变化量应该等于物体表面与流体之间的对化量应该等于物体表面与流体之间的对流换热量流换热量,t0AQc,c,V,t0第2页/共77页积分得：积分得：指数可写成：指数可写成：是傅立叶数是傅立叶数第3页/共77页将一个直径12mm加热到1150K,然后慢慢冷却到400K进行褪火,冷却过程在周围空气中进行,空气温度为325K,h=20W/(m2K).假定钢的特性系

2、数k=40W/(m*K),=7800kg/m3,c=600J/kg*K,求冷却过程所需要的时间?第4页/共77页将一块厚0.15m,起始温度T=300K的大铝板放在炉中,炉内环境温度800K,对流换热系数h=500W/m2k);求(1).平板中间温度达到700K时所需要的时间?(2).此时平板表面温度是多少?第5页/共77页第第六六章章 热辐射基础热辐射基础6-1 热辐射的基本概念 6-2 黑体辐射和吸收的基本性质 6-3 实际物体的辐射和吸收 第6页/共77页6-1 热辐射的基本概念 热辐射在机理上与导热、对流有根本的不同。热辐射在机理上与导热、对流有根本的不同。导热与对流是由于物质微观粒子

3、的热运量和导热与对流是由于物质微观粒子的热运量和物体的宏观运动所造成的能量转移。物体的宏观运动所造成的能量转移。热辐射是由于物质的热辐射是由于物质的电磁运动电磁运动所引起的能量所引起的能量的传递。的传递。第7页/共77页 辐射辐射是电磁波传递能量的现象。是电磁波传递能量的现象。电磁辐射的波长范围很广，从长达数电磁辐射的波长范围很广，从长达数百米的无线电波到小于百米的无线电波到小于10-1410-14米的宇宙射米的宇宙射线。线。由于热的原因而产生的电磁辐射称为由于热的原因而产生的电磁辐射称为热辐射。热辐射。第8页/共77页电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱第9页/共77页 在在工工业业上上所所遇

4、遇到到的的温温度度范范围围内内（2000K2000K以以 下下），最最感感兴兴趣趣的的是是波波长长约约从从0.38m到到0.76m的的可可见见光光和和波波长长从从可可见见光光谱谱的的红红端端之之外外延延伸伸到到1000m的红外线。的红外线。有有时时以以波波长长25m为为界界，又又将将红红外外线线区区分分为为近红外区和远红外区。近红外区和远红外区。第10页/共77页只要物体的温度高于只要物体的温度高于0K，物体总是不断，物体总是不断地把热能变化辐射能，向外发出热辐射。地把热能变化辐射能，向外发出热辐射。同时，物体也不断地吸收周围物体投射到同时，物体也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸

5、收的辐射能重新它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。转变成热能。辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸收辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。的总效果。一个物体如果与另一个物体相互能够看得一个物体如果与另一个物体相互能够看得见，那么它们之间就会发生辐射热交换。见，那么它们之间就会发生辐射热交换。第11页/共77页 当当热热辐辐射射的的能能量量投投射射到到物物体体表表面面上上时时，会会发发生生吸吸收收、反反射射和和穿穿透透现现象象。若若外外界界投投射射到到物物体体表表面面上上的的总总能能量量为为Q，一一部部分分Q 被被物物体体吸吸收收，一一部部分分Q 被被物物体体反反射射，一一部部

6、分分Q 穿透物体。按能量守恒定律有：穿透物体。按能量守恒定律有：Q Q Q QQ Q Q Q 或或第12页/共77页各各部部分分百百分分数数Q Q/Q Q 、Q Q/Q Q 、Q Q/Q Q 分分别别称称为为该该物物体体对对投投入入辐辐射射的的吸吸收收比比、反反射射比比和和透透射射比比，记为记为 、和和 。于是于是实实际际上上，当当辐辐射射能能进进入入固固体体或或液液体体表表面面后后，在在一一个个极极短短的的距距离离内内就就吸吸收收完完了了。故故对对于于固固体体和和液体有液体有因而对固体和液体，吸收能力大的物体其反射因而对固体和液体，吸收能力大的物体其反射本领就小。本领就小。第13页/共77页

7、由于热射线不能穿过固体和液体，于是可以把由于热射线不能穿过固体和液体，于是可以把它们的吸收和反射视为一个表面过程，它们自它们的吸收和反射视为一个表面过程，它们自身辐射也应在表面完成。因此，固体和液体上身辐射也应在表面完成。因此，固体和液体上的热辐射是表面辐射。的热辐射是表面辐射。辐辐射射能能投投射射到到气气体体上上时时，情情况况与与投投射射到到固固体体或或液液体体上上不不同同。气气体体对对辐辐射射能能几几乎乎没没有有反反射射能力，可认为反射比，能力，可认为反射比，=0=0，故有，故有 +=1=1气体对热射线的吸收和穿透是在空间中进行的，气体对热射线的吸收和穿透是在空间中进行的，其自身的辐射也是

8、在空间中完成的。因此，气其自身的辐射也是在空间中完成的。因此，气体的热辐射是容积辐射。体的热辐射是容积辐射。第14页/共77页由于不同物体的吸收比、反射比和透射比因具由于不同物体的吸收比、反射比和透射比因具体条件不同差别很大，给热辐射的计算带来很体条件不同差别很大，给热辐射的计算带来很大困难。为了使问题简化，我们定义了一些理大困难。为了使问题简化，我们定义了一些理想物体。想物体。对于透射比对于透射比=1的物体称为的物体称为透明体透明体。反射比反射比=1物体称为物体称为白体白体（具有漫反射的表面）（具有漫反射的表面）或或镜体镜体（具有镜反射的表面）。（具有镜反射的表面）。物体表面是漫反射还是镜反

9、射，这要取决于物物体表面是漫反射还是镜反射，这要取决于物体表面相对于辐射波长的表面粗糙程度。体表面相对于辐射波长的表面粗糙程度。第15页/共77页 当当表表面面的的不不平平整整尺尺寸寸小小于于投投入入辐辐射射的的波波长长时时，形形成成镜镜面面反反射射，此此时时入入射射角角等等于于反反射射角角。高高度度磨磨光光的的金金属属板板会会形成镜面反射。形成镜面反射。当当表表面面的的不不平平整整尺尺寸寸大大于于投投入入辐辐射射的的波波长长时时形形成成漫漫反反射射。这这时时从从某某一一方方向向投投射射到到物物体体表表面面上上的的辐辐射射向向空空间间各方向反射出去。各方向反射出去。1 2 1=2第16页/共7

10、7页吸吸收收比比=1的的物物体体，称称为为绝对黑体绝对黑体，简称，简称黑体黑体；尽管自然界并不存在黑体，用人尽管自然界并不存在黑体，用人工的方法可以制造出十分接近于工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。黑体的模型。选用吸收比小于选用吸收比小于1的材料制造一个空腔，的材料制造一个空腔，并在空腔壁面上开一个小孔，再设法使并在空腔壁面上开一个小孔，再设法使空腔壁面保持均匀的温度。这时空腔上空腔壁面保持均匀的温度。这时空腔上的小孔就具有黑体辐射的特性。的小孔就具有黑体辐射的特性。第17页/共77页 若小孔占内壁面积小于若小孔占内壁面积小于0.6%，当内壁吸收比为，当内壁吸收比为0.6时，小孔时，小孔

11、的吸收比可大于的吸收比可大于0.996。黑黑体体将将所所有有投投射射在在它它上上面面的的一一切切波波长长和和所所有有方方向向上上的的辐辐射射能能全全部部吸吸收收，在在所所有有物物体体之之中中，它吸收热辐射的能力最强。它吸收热辐射的能力最强。第18页/共77页6-26-2黑体辐射和吸收的基本性质黑体辐射和吸收的基本性质 1 1 辐射力辐射力 总辐射力辐射力也称全色辐射力，其定义为辐射力也称全色辐射力，其定义为单位时间单单位时间单位辐射面积向半球空间辐射出去的一切波长的位辐射面积向半球空间辐射出去的一切波长的辐射能量。辐射能量。E为辐射力，其单位为为辐射力，其单位为W/m2；dQ为微元面积为微元面

12、积dA向半球空间辐射出去的总辐射能。向半球空间辐射出去的总辐射能。第19页/共77页 单色辐射力单色辐射力 单色辐射力被定义为单色辐射力被定义为单位时间单位辐射面积向单位时间单位辐射面积向半球空间辐射出去的某一波长范围半球空间辐射出去的某一波长范围 的辐射能量的辐射能量，用来描述辐射能量随波长的分布特征。用来描述辐射能量随波长的分布特征。E E为物体表面的单色辐射力；为物体表面的单色辐射力；dQdQ为微元面积为微元面积dAdA向半球空间辐射出去的某一波长的辐射能；向半球空间辐射出去的某一波长的辐射能；为热射线的波长，单位为为热射线的波长，单位为mm。辐射力和单色辐射力之间的关系辐射力和单色辐射

13、力之间的关系 :第20页/共77页 方向辐射力方向辐射力 方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在半球空间中的分布特征，其定义为量在半球空间中的分布特征，其定义为单单位时间单位辐射面积向半球空间中某一个位时间单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。射能量。d为微元立体角为微元立体角第21页/共77页立体角是用来衡量空间中的面相对于某一点所张开的空间角度的大小，如图所示，其定义为：df为空间中的微元面积，r为该面积与发射点之间的距离。dAdA dAdfrddQdQ（a a）微元表面总辐射）微

14、元表面总辐射 （b b）微元表面单色辐射）微元表面单色辐射 （c c）微元表面方向辐射）微元表面方向辐射第22页/共77页第23页/共77页在球坐标系中，如图所示，按几何关系有在球坐标系中，如图所示，按几何关系有其单位为其单位为W/(m2Sr)，Sr为为球面度球面度,是立体角是立体角的单位的单位。dddfn n球坐标系中的立体角球坐标系中的立体角r由于半球面积为由于半球面积为2r2r2 2,故半球面对球心故半球面对球心所张开的立体角所张开的立体角=2=2SrSr。第24页/共77页辐射强度辐射强度 由于处于不同的空间位置由于处于不同的空间位置所能看见的辐射面积是变所能看见的辐射面积是变化的，也

15、就是随着化的，也就是随着 角的角的增大，辐射面积在该方向增大，辐射面积在该方向上的可见面积（投影面积）上的可见面积（投影面积）就越小就越小。dAcosdAcosdAdAn ndd辐射强度的定义图辐射强度的定义图定义辐射强度，用以定义辐射强度，用以表示单位时间在某表示单位时间在某一辐射方向上的一辐射方向上的单位可见辐射面积单位可见辐射面积向该向该方向单位立体角内辐射的所有波长的辐方向单位立体角内辐射的所有波长的辐射能。射能。第25页/共77页dAcosdAcosdAdAn ndd辐射强度的定义图辐射强度的定义图单位为单位为W/(mW/(m2 2Sr)Sr)，式中，式中 为给定方向上的可见辐射面积

16、，为给定方向上的可见辐射面积，也就是垂直于该方向的流通面也就是垂直于该方向的流通面积。积。与辐射力之间的关系与辐射力之间的关系 :第26页/共77页2 2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 普朗克定律普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分布规律，给布规律，给出了黑体的单色辐射力与热力学温出了黑体的单色辐射力与热力学温度度T T、波长、波长 之间的函数关系，由量子理论得到之间的函数关系，由量子理论得到的数学表达式为：的数学表达式为：c c1 1为第一辐射常数，为第一辐射常数，c c1 1=3.742=3.742 1010-16-16W Wm m2 2

17、；c c2 2为第二辐射常数，为第二辐射常数，c c2 2=1.4388=1.4388 1010-2-2mKmK第27页/共77页图中给出了在温度为参变量下的单色辐射力随图中给出了在温度为参变量下的单色辐射力随波长变化的一组曲线。单色辐射力随着波长的波长变化的一组曲线。单色辐射力随着波长的增加而增加，达到某一最大值后又随着波长的增加而增加，达到某一最大值后又随着波长的增加而慢慢减小。增加而慢慢减小。在同一波长下黑体温度在同一波长下黑体温度越高，对应的单色辐射越高，对应的单色辐射力越大。力越大。T1T2T1T2 d E 第28页/共77页第29页/共77页E Ebb0 0T T1 1T T2 2

18、T T3 3T T5 5黑体单色辐射力随波长和温度变化黑体单色辐射力随波长和温度变化T T4 4随着温度的升高黑体辐射能的分布在向波长短随着温度的升高黑体辐射能的分布在向波长短的方向集中，也就是高温辐射中短波热射线含的方向集中，也就是高温辐射中短波热射线含量大而长波热射线含量相对少。量大而长波热射线含量相对少。维恩定律维恩定律 第30页/共77页Eb 最最大大处处的的波波长长 m也也随随温温度度不不同同而而变变化。令化。令 可可见见 m与与T成成反反比比，T越越高高，则则 m越越小小，这这一一规规律律为为维维恩恩（Wien）位位移移定定律律，历历史史上上先发现的是维恩位移定律。先发现的是维恩位

19、移定律。第31页/共77页例例6-1：试分别计算温度为：试分别计算温度为2000K和和5800K的黑体的最大的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长光谱辐射力所对应的波长 m。第32页/共77页解：解：按按当当T T=2000K=2000K时，时，当当T=5800KT=5800K时，时，可可见见工工业业上上一一般般高高温温辐辐射射（2000K内内），黑黑体体最最大大光光谱谱辐辐射射力力的的波波长长位位于于红红外外线线区区段段，而而太太阳阳辐辐射射（5800K）对对应应的的最最大大光光谱辐射的波长则位于可见光区段。谱辐射的波长则位于可见光区段。第33页/共77页 斯忒芬波尔兹曼定律斯忒芬波尔兹曼定律

20、在黑体辐射的研究中，斯忒芬（在黑体辐射的研究中，斯忒芬（Stefan）于）于1879年由实验确定黑体的辐射力与热力学温度年由实验确定黑体的辐射力与热力学温度之间的关系，其后由波尔兹曼（之间的关系，其后由波尔兹曼（Boltzmann）于于1884年从热力学关系式导出。年从热力学关系式导出。Eb为黑体的辐射力（为黑体的辐射力（W/m2）；）；T为为黑体的绝对黑体的绝对温度温度（K）；）；0为斯忒芬波尔兹曼常数，其为斯忒芬波尔兹曼常数，其值为值为5.6710-8W/(m2K4)。第34页/共77页例例6-2：一黑体置于室温为一黑体置于室温为27的厂房中，试求在热平衡的厂房中，试求在热平衡条件下黑体表

21、面的辐射力。如条件下黑体表面的辐射力。如果将黑体加热到果将黑体加热到327，它的，它的辐射力又是多少？辐射力又是多少？第35页/共77页解解：在在热热平平衡衡条条件件下下，黑黑体体温温度度与与室室温温相相同同，辐射力为：辐射力为：327黑体的辐射力为黑体的辐射力为第36页/共77页兰贝特定律兰贝特定律 （LambertLambert）黑体辐射的辐射强度与方向无关，即黑体辐射的辐射强度与方向无关，即 因为因为 故故对对于于服服从从兰兰贝贝特特定定律律的的辐射有：辐射有：即即单单位位辐辐射射面面积积发发出出的的辐辐射射能能，落落到到空空间间不不同同方方向向单单位位立立体体角角的的能能量量的的数数值

22、值不不相相等等，其其值值正正比比于于该该方方向向与与辐辐射射面面法法线线方方向向夹夹角角的的余余弦弦。所所以兰贝特定律又称余弦定律。以兰贝特定律又称余弦定律。第37页/共77页它说明黑体的定向辐射力随天顶角它说明黑体的定向辐射力随天顶角 呈呈余弦规律变化。余弦规律变化。第38页/共77页因因此此，对对遵遵守守兰兰贝贝特特定定律律的的辐辐射射，辐辐射射力力在数值上等于辐射强度的在数值上等于辐射强度的 倍。倍。波段辐射与辐射函数波段辐射与辐射函数 在在工工程程上上和和其其它它许许多多实实际际问问题题中中往往往往需需要要计计算算一一定定波波长长范范围围内内黑黑体体辐辐射射的的能能量量，也也就是波段辐

23、射力。就是波段辐射力。第39页/共77页 LambertLambert定律图示定律图示第40页/共77页黑黑体体在在波波长长至至区区段段所所发发射出的辐射能为：射出的辐射能为：Eb02 21 1一定波长范围黑体的辐射力一定波长范围黑体的辐射力亦可写为亦可写为:写出无量纲的形式，且称之写出无量纲的形式，且称之为为波段辐射波段辐射 第41页/共77页式中，式中，是同温度下黑体辐射力；是同温度下黑体辐射力；则表示波长从则表示波长从0 0到到的波段辐射函数。的波段辐射函数。f(T)称为称为黑体辐射函数黑体辐射函数，见表，见表6-1。第42页/共77页3 3 黑体的吸收特性黑体的吸收特性 吸收比是表示物

24、体吸收入射辐射的能力。吸收比是表示物体吸收入射辐射的能力。吸收比可划分为以下四种：吸收比可划分为以下四种：对来自一切方向和所与波长的入射辐射的吸收对来自一切方向和所与波长的入射辐射的吸收比，称之为比，称之为总吸收比总吸收比(简称吸收比简称吸收比);对来自一切方向的某一波长的入射辐射的吸收对来自一切方向的某一波长的入射辐射的吸收比，称之为比，称之为单色吸收比单色吸收比第43页/共77页黑体是理想的吸收体，它对一切波长和所黑体是理想的吸收体，它对一切波长和所有方向入射辐射的吸收比均等于有方向入射辐射的吸收比均等于1。于是。于是对黑体有对黑体有：对来自某一方向的所有波长的入射辐射的对来自某一方向的所

25、有波长的入射辐射的吸收比，称之为吸收比，称之为方向吸收比方向吸收比;对来自某一方向某一波长的入射辐射的吸对来自某一方向某一波长的入射辐射的吸收比，称之为收比，称之为单色方向吸收比单色方向吸收比。第44页/共77页6-36-3实际物体的辐射和吸收实际物体的辐射和吸收 1 实际物体的辐射黑度（发射率）实际物体表面的热辐实际物体表面的热辐射性能均弱于黑体表射性能均弱于黑体表面。面。实际物体的光谱辐射实际物体的光谱辐射力往往随波长作不规力往往随波长作不规则的变化。则的变化。黑体黑体 E 实际物体实际物体图为同温度下黑体辐射和实际物体辐射图为同温度下黑体辐射和实际物体辐射的单色辐射力随温度变化的曲线。的

26、单色辐射力随温度变化的曲线。第45页/共77页Direction(angle from the surface normal)第46页/共77页实际实际表面表面的辐射力与同温度下黑体辐射的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值，称为黑度（发射率）。力的比值，称为黑度（发射率）。黑度仅仅与物体表面自身的辐射特性相黑度仅仅与物体表面自身的辐射特性相关，也就是与物体的种类和它的表面特关，也就是与物体的种类和它的表面特征相关以及和物体的温度相关，而与物征相关以及和物体的温度相关，而与物体外部的情况无关。体外部的情况无关。总发射率总发射率第47页/共77页实际表面的单色辐射力与同温度下黑体实际表面的单色辐射力

27、与同温度下黑体表面的单色辐射力之比表面的单色辐射力之比 单色发射率单色发射率 发射率与单色发射率之间的关系为发射率与单色发射率之间的关系为 第48页/共77页物体表面在某方向上的方向辐射力与同温度黑物体表面在某方向上的方向辐射力与同温度黑体辐射在该方向上的方向辐射力之比，亦可表体辐射在该方向上的方向辐射力之比，亦可表示为物体在某方向上的辐射强度与同温度黑体示为物体在某方向上的辐射强度与同温度黑体辐射在该方向上的辐射强度之比辐射在该方向上的辐射强度之比方向发射率方向发射率 如果实际物体的方向辐射力遵守兰贝特如果实际物体的方向辐射力遵守兰贝特定律，该物体表面称为漫射表面。黑体定律，该物体表面称为漫

28、射表面。黑体表面就是漫射表面。表面就是漫射表面。第49页/共77页如果实际物体是漫射表面，则其方向辐如果实际物体是漫射表面，则其方向辐射率应等于常数，而与角度无关。射率应等于常数，而与角度无关。事实上实际物体不是漫发射体，即辐射事实上实际物体不是漫发射体，即辐射强度在空间各个方向的分布不遵循兰贝强度在空间各个方向的分布不遵循兰贝特定律，是方向角的函数。特定律，是方向角的函数。对于非金属表面在很大范围内方向黑度对于非金属表面在很大范围内方向黑度为一个常数值，表现出等强辐射的特征，为一个常数值，表现出等强辐射的特征，而在而在60之后方向黑度急剧减小之后方向黑度急剧减小 第50页/共77页第51页/

29、共77页对于金属表面在一个小的对于金属表面在一个小的角范围内亦有等强辐角范围内亦有等强辐射的特征，方向黑度可视为不变，然后随着射的特征，方向黑度可视为不变，然后随着角角增大而急剧增大，直到增大而急剧增大，直到接近接近90才有减小。才有减小。单色方向发射率 第52页/共77页实际物体的辐射力实际物体的辐射力 实际结果发现，实际物体的辐射力并不严实际结果发现，实际物体的辐射力并不严格地同热力学温度的四次方成正比，但工格地同热力学温度的四次方成正比，但工程计算中仍认为一切实际物体的辐射力都程计算中仍认为一切实际物体的辐射力都与热力学温度的四次方成正比，而把由此与热力学温度的四次方成正比，而把由此引起

30、的修正包括到用实验方法确定的发射引起的修正包括到用实验方法确定的发射率中。率中。第53页/共77页前前面面讲讲过过，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射射力力的的差差别别见见图图7-147-14；(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Lam

31、bertLambert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。第54页/共77页实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱第55页/共77页本节中，还有几点需要注意本节中，还有几点需要注意将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难理论确定，实际将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难理论确定，实际上是一种权宜之计；上是一种权宜之计；服

32、从服从Lambert定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完定律的表面成为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合全符合Lambert定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律，定律，这有许多原因；这有许多原因；物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发射率只与物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件第56页/共77页例例6-3：试计算温度处于：试计算温度处于1400的碳化硅涂料表面的辐射力。的

33、碳化硅涂料表面的辐射力。解：解：由表查得对由表查得对10101400，碳，碳化硅化硅 n=0.820.92，故可取对应，故可取对应1400的的 n为为0.92，即，即 =n=0.92，辐射力为，辐射力为第57页/共77页例例6-4：实实验验测测得得2500K钨钨丝丝的的法法向向单单色色发发射射率率如如图图所所示示，计计算算其其辐辐射射力力及及发光效率。发光效率。解：解：0.450.450.10.1/mm1 2 31 2 3第58页/共77页第59页/共77页由表查得由表查得:再再计计算算可可光光范范围围的的辐辐射射能能，取取可可见见光光波波长长为为0.380.76 m第60页/共77页由表查得

34、由表查得:于是可见光范围的辐射能为：于是可见光范围的辐射能为：发光效率为发光效率为:可见发光效率很低。可见发光效率很低。第61页/共77页辐射源温度对吸收比的影响是因为实际辐射源温度对吸收比的影响是因为实际物体的单色吸收比不等于常数的缘故。物体的单色吸收比不等于常数的缘故。假定投入辐射来自黑体表面假定投入辐射来自黑体表面2，那么吸收，那么吸收表面表面1对其的吸收比可以定义为：对其的吸收比可以定义为：为物体表面对黑体辐射的单色吸收比为物体表面对黑体辐射的单色吸收比 下面给出了实验得出的一些材料对黑体辐射的下面给出了实验得出的一些材料对黑体辐射的单色吸收比随黑体温度的变化关系。单色吸收比随黑体温度

35、的变化关系。第62页/共77页第63页/共77页如果投入辐射不是来自黑体，则必须研究物体如果投入辐射不是来自黑体，则必须研究物体表面单色吸收率随投入辐射波长变化的规律。表面单色吸收率随投入辐射波长变化的规律。如果物体表面的单色吸收比为常数如果物体表面的单色吸收比为常数 那么它的吸收比也就为常数那么它的吸收比也就为常数。把把灰体灰体定义为单色吸收比为常数的物体定义为单色吸收比为常数的物体。灰体也是一种理想的辐射表面，实际表面在一灰体也是一种理想的辐射表面，实际表面在一定条件下可以认为其具有灰体的特性。定条件下可以认为其具有灰体的特性。第64页/共77页灰体是从物体表面对投入辐射的吸收特性上去灰体

36、是从物体表面对投入辐射的吸收特性上去定义的，定义的，如果再在其发射特性上给予等强如果再在其发射特性上给予等强辐射的假设辐射的假设，即认为是漫射表面，也就是漫，即认为是漫射表面，也就是漫射灰表面，射灰表面，简称简称漫灰表面。漫灰表面。漫射灰表面的方向发射率和方向吸收比与漫射灰表面的方向发射率和方向吸收比与方向无关，单色发射率和单色吸收比与波方向无关，单色发射率和单色吸收比与波长无关，所以它对于来自任何方向和任何长无关，所以它对于来自任何方向和任何波长的入射辐射的吸收比均为常数，同时波长的入射辐射的吸收比均为常数，同时其发射的辐射也等于对任何方向和任何波其发射的辐射也等于对任何方向和任何波长的黑体

37、辐射的一个固定份额。长的黑体辐射的一个固定份额。第65页/共77页3 3 实际物体辐射与吸收之间的关系实际物体辐射与吸收之间的关系T T1 1T2EEb Eb(1-)Eb实际物体的辐射和吸收之间有联实际物体的辐射和吸收之间有联系，这就是基尔霍夫定律。系，这就是基尔霍夫定律。假定两块平行平板距离很近，从假定两块平行平板距离很近，从一块板发出的辐射能全部落到另一块板发出的辐射能全部落到另一块板上。若板一块板上。若板1为黑体表面，为黑体表面，板板2为任意物体的表面。为任意物体的表面。两者的辐射力、吸收比和表面两者的辐射力、吸收比和表面温度分别为温度分别为Eb、b(=1)、T1、E、和和T2。第66页

38、/共77页Semi-transparent medium第67页/共77页板板2发出的辐射能发出的辐射能E全部被板全部被板1吸收，而板吸收，而板1发发出的辐射能出的辐射能Eb只被板只被板2吸收吸收 Eb，对板，对板2能量收能量收支为：支为：当体系处于热平衡时当体系处于热平衡时T1=T2，q=0,所以有所以有或或T T1 1T2EEb Eb(1-)Eb第68页/共77页基尔霍夫定律的两种数学表达式。基尔霍夫定律的两种数学表达式。在热平衡条件下，任何物体的辐射力和在热平衡条件下，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。于同温度下

39、黑体的辐射力。热平衡时任意物体对黑体投入辐射的吸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该物体的发射率。收比等于同温度下该物体的发射率。或或第69页/共77页基基尔尔霍霍夫夫定定律律是是在在物物体体与与黑黑体体投投入入辐辐射射处处于于热平衡热平衡条件下得出的。条件下得出的。对于灰体，由于其单色吸收比不随波长变化，对于灰体，由于其单色吸收比不随波长变化，所以灰体的吸收比等于其发射率与投射源的所以灰体的吸收比等于其发射率与投射源的温度无关，那么不论物体与外界是否处于热温度无关，那么不论物体与外界是否处于热平衡状态，也不论投入辐射是否来自黑体，平衡状态，也不论投入辐射是否来自黑体，都存在都

40、存在灰体是无条件满足基尔霍夫定律的。灰体是无条件满足基尔霍夫定律的。第70页/共77页说明说明（1 1）基尔霍夫定律有几种不同层次上的表达）基尔霍夫定律有几种不同层次上的表达式，归纳为下表式，归纳为下表层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件单色，定向单色，定向(,T T)=)=(,T T)无条件，无条件，为纬度角为纬度角单色，半球单色，半球(,T T)=)=(,T T)漫射表面漫射表面全波段，半球全波段，半球(T T)=)=(T T)与黑体热平衡或漫射表面与黑体热平衡或漫射表面（2 2）对工程计算而言，只要在所研究的波长）对工程计算而言，只要在所研究的波长范围内单色吸收率基本上与波长无

41、关，则灰体范围内单色吸收率基本上与波长无关，则灰体假设成立。在工程常见的温度范围假设成立。在工程常见的温度范围（2000K2000K）内，许多工程材料都具有这一特）内，许多工程材料都具有这一特点。点。第71页/共77页（3 3）由基尔霍夫定律，物体的辐射力越大，）由基尔霍夫定律，物体的辐射力越大，其吸收能力也就越大，换句话说，善于辐射的其吸收能力也就越大，换句话说，善于辐射的物体必善于吸收，反之亦然。所以，同温度下物体必善于吸收，反之亦然。所以，同温度下黑体的辐射力最大。黑体的辐射力最大。（4 4）当研究物体表面对太阳能的吸收时，一）当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体作为灰体，即不

42、能把物体在常温般不能把物体作为灰体，即不能把物体在常温下的发射率作为对太阳能的吸收比。下的发射率作为对太阳能的吸收比。第72页/共77页例例6-5：一火床炉墙内表面温度为：一火床炉墙内表面温度为500K，其光谱发射率可近似地表示为：其光谱发射率可近似地表示为：1.5 m时时,()=0.1;=1.5 10 m时时,()=0.5;10 m时时,()=0.8。（非灰体）；炉墙。（非灰体）；炉墙内壁接受来自燃烧着的煤层的辐射，煤层内壁接受来自燃烧着的煤层的辐射，煤层温度为温度为2000K。设煤层的辐射可作为黑体。设煤层的辐射可作为黑体辐射，炉墙为漫射表面，试计算炉墙发射辐射，炉墙为漫射表面，试计算炉墙发射率及其对煤层辐射的吸收比率及其对煤层辐射的吸收比。第73页/共77页解：（解：（1）查表得查表得查表得查表得故故 第74页/共77页（2）按吸收比定义：）按吸收比定义：因为炉墙是漫射的，因为炉墙是漫射的，其中的辐射函数是其中的辐射函数是2000K下的值：下的值：查图得：查图得：第75页/共77页所以：所以：这这里里(T1)=0.61，而而(T1,T2)=0.395，。这这是是由由于于在在所所研研究究的的波波长长范范围围内内，()不不是是常常数数所致。所致。查图得：查图得：第76页/共77页感谢您的观看！第77页/共77页