传热学第4章-32学时

4.4 实际物体的辐射与吸收
灰体： 灰体 ：
灰体—— 单色 光谱）吸收率与波长无关的物体。 灰体 ——单色（ 光谱 ） 吸收率与波长无关的物体 。 —— 单色（
特点： 特点：
理想模型； 理想模型； 吸收率只取决于本身的情况； 吸收率只取决于本身的情况；
相当于对同温度下的黑体打了一个折扣； 相当于对同温度下的黑体打了一个折扣；
4.1辐射的基本概念 辐射的基本概念
单 色 辐 射 强 度
Rayleigh-Jeans公式
λ
4.2黑体辐射的基本定律 黑体辐射的基本定律
基本定义
——单位时间 单位表面积向半球空间所有方向上发 单位时间、 辐射力 Eb —— 单位时间、 2 射的全部波长的辐射能的总量。 射的全部波长的辐射能的总量。W m
4.5基尔霍夫定律 基尔霍夫定律
例题 温度为310K的4个表面置于太阳光的照射下，设此时各 表面的光谱吸收比随波长的变化如图所示。试分析在计算与 太阳能的热交换时，哪些表面可以看作灰体处理？为什么？
∞ ∞
E = ε E b = εσ T 4
4.4 实际物体的辐射与吸收
实际物体辐射的特点： 实际物体辐射的特点 ：
实际物体的黑度(发射率 与温度有关 实际物体的黑度 发射率)与温度有关。 发射率 与温度有关。
50℃ ε = 0.2 ℃ 如严重氧化的铝 500℃ ε = 0.3 ℃
4.4 实际物体的辐射与吸收
单色黑度(单色发射率、光谱发射率) 单色黑度 单色发射率、光谱发射率 ελ —实际物体的单色辐射 单色发射率 力与同温度下黑体的单色辐射力之比 同温度下黑体的单色辐射力之比。 力与同温度下黑体的单色辐射力之比。 E ελ = λ Ebλ
E ∫0Eλ dλ ∫0ε λ Ebλ dλ = = ε= 4 Eb σT σT 4
4.4 实际物体的辐射与吸收
实际物体吸收的特点： 实际物体吸收的特点 ：
定义： 定义 ：
投入辐射— 单位时间从外界投入到物体单位表面上的能量。 投入辐射— 单位时间从外界投入到物体单位表面上的能量。 吸收率(吸收比 吸收比) 物体对投入辐射能吸收的百分数。 吸收率 吸收比 α — 物体对投入辐射能吸收的百分数 。
定向辐射强度L与辐射力 之间的关系为： 定向辐射强度 与辐射力Eb之间的关系为： 与辐射力 dΦ (θ ) E b = ∫Ω = 2π = L ∫Ω = 2π cos θdΩ = Lπ dA
4.3 两无限大黑体平板间的辐射换热
T1 T2
Φ q = = σ T14 − T24 = σ T12 + T22 (T1 + T2 )(T1 − T2 ) A
4.1辐射的基本概念 辐射的基本概念
由于起因不同，物体发射电磁波的波长也不同，可分为： 由于起因不同，物体发射电磁波的波长也不同，可分为：
4.1辐射的基本概念 辐射的基本概念
由于起因不同，物体发射电磁波的波长也不同，可分为： 由于起因不同，物体发射电磁波的波长也不同，可分为：
λ<0.38µm 紫外线、X射线、γ射线 紫外线、 射线 射线 射线、 0.38<λ<0.76µm 可见光 0.76<λ<1000µm 红外线 0.76<λ<4µm 近红外 4<λ<1000µm 远红外 λ>1000µm 无线电波 热辐射的波段λ=0.1~100μm 热辐射的波段λ
辐射换热(Radiation Heat Transfer) 第四章 辐射换热
4.1辐射的基本概念 4.1辐射的基本概念
一、辐射的本质
辐射——物体通过电磁波传递能量的过程 物体通过电磁波传递能量的过程 辐射 热辐射——是由于物体内部微观粒子的热运动状态改变时， 是由于物体内部微观粒子的热运动状态改变时， 热辐射 是由于物体内部微观粒子的热运动状态改变时 而将部分内能转变成电磁波的能量发射出去的过程。 而将部分内能转变成电磁波的能量发射出去的过程。 热辐射的两大特点 可以在真空中传播； 可以在真空中传播； 能量形式在传播过程中发生了变化
4.2黑体辐射的基本定律 黑体辐射的基本定律
基本定义
——单位时间 单位表面积， 单位时间、 单色辐射力 Ebλ —— 单位时间、 单位表面积，在某一特定波长 (光谱辐射力 光谱辐射力) 光谱辐射力 下单位波长间隔向半球空间所有方向上 3 发射的辐射能。 发射的辐射能。W m 或W ( m 2 ⋅ µm )
微元立体角 dΩ =
dAc = sin θdθdϕ 2 r
4.2黑体辐射的基本定律 黑体辐射的基本定律
四、兰贝特定律
兰贝特定律—— 定向辐射强度与方向无关 兰贝特定律 ——定向辐射强度与方向无关。 给出了黑体辐 —— 定向辐射强度与方向无关。 能按空间分布的规律。 能按空间分布的规律 。
L(θ ) = L = 常数
Eb = ∫ Ebλ dλ
0
∞
4.2黑体辐射的基本定律 黑体辐射的基本定律
黑体辐射的基本定律
黑体辐射的基本定律： 黑体辐射的基本定律 ： 普朗克定律
维恩(位移) 定律 维恩( 位移) 斯第芬-波尔兹曼定律 兰贝特定律 斯第芬-
一 、 普朗克定律
揭示了黑体辐射能按波长的分布规律， 给出了黑体单色( 揭示了黑体辐射能按波长的分布规律 ， 给出了黑体单色 ( 光 辐射力与波长和温度的依变关系： 谱 ) 辐射力与波长和温度的依变关系 ：
Eb ,λ C1λ−5 = C exp 2 − 1 λT
C1 = 3.742 × 10−16 W ⋅ m 2
C2 = 1.4388 × 10−2 W ⋅ K 2
4.2黑体辐射的基本定律 黑体辐射的基本定律
黑体辐射的基本定律
维恩(位移) 二、维恩(位移)定律
给出了单色(光谱)辐射力为最大值时的波长与温度的关系 给出了单色(光谱)辐射力为最大值时的波长与温度的关系
JOSEF STEFAN Ludwig Rayleigh Lord Boltzmann Wilhelm Wien Max Planck 1835-1893 1844 -1906 1858 -1947 1842 -1919 1864 -1928 Austrian physicist Germany physicist England physicist Italy physicist
单色吸收率 α λ — 物体对投入辐射某一特定波长的辐射能吸 (光谱吸收率 光谱吸收率) 光谱吸收率 收的百分数。 收的百分数。
4.4 实际物体的辐射与吸收
实际物体吸收的特点： 实际物体吸收的特点 ： 实际物体的吸收率(比 与温度有关 与温度有关； 实际物体的吸收率 比)与温度有关； 实际物体的吸收率与 材料的种类及本身的状况有关； 实际物体的吸收率 与 材料的种类及本身的状况有关； 实际物体的吸收率与投入辐射的波长有关， 实际物体的吸收率与投入辐射的波长有关 ，即与发出辐射的物体 的性质和温度有关； 的性质和温度有关； 颜色对非金属材料的吸收率有一定的影响， 颜色对非金属材料的吸收率有一定的影响，尤其是对可见光的影响 较大，对红外辐射影响较小。 0.12， 较大，对红外辐射影响较小。如白漆对可见光的吸收率为 0.12，黑 0.96， 0.9。 漆对可见光的吸收率为 0.96，两者对红外线的吸收率均为 0.9。
λmaxT = 2.898 × 10−3 （m K） ）
斯第芬三 、 斯第芬 - 波尔兹曼定律
给出了黑体辐射力与温度的关系
Eb = σT 4
σ = 5.67 × 10 −8 W/(m2K4)
4.2黑体辐射的基本定律 黑体辐射的基本定律
四、兰贝特定律
定向辐射强度—— 单位时间、 定向辐射强度—— 单位时间 、 单位立体角单位可见辐射面 积的辐射能量。 积的辐射能量。 dΦ (θ ) L(θ ) = dA cosθdΩ
给处理工程ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ际问题带来很大方便， 误差可接受。 给处理工程实际问题带来很大方便 ， 误差可接受 。
4.5基尔霍夫定律 基尔霍夫定律
解决实际物体的辐射与吸收之间的关系。 解决实际物体的辐射与吸收之间的关系。
例子：实际物体与黑体间的辐射换热。 例子：实际物体与黑体间的辐射换热。 当处于热平衡时得到： 当处于热平衡时得到：Eb =
4.1辐射的基本概念 辐射的基本概念
二、吸收率、反射率、穿透率 吸收率、反射率、
4.1辐射的基本概念 辐射的基本概念
三、辐射换热的发展历程
1879年J.Stefan根据实验数据确立了黑体辐 年 根据实验数据确立了黑体辐 射力正比绝对温度的四次方规律。 射力正比绝对温度的四次方规律。 1884年L.Boltzmann从理论上证实了上述定律。 年 从理论上证实了上述定律。 从理论上证实了上述定律 1889年O.lummer等测定了黑体辐射光谱能量 年 等测定了黑体辐射光谱能量 分布的实验数据。 分布的实验数据。 1896年Wien位移定律。 年 位移定律。 位移定律 19世纪末 世纪末L.Rayleigh-J.H.Jeans公式。 公式。 世纪末 公式 1900年M.Planck定律。 定律。 年 定律
实际物体辐射的特点： 实际物体辐射的特点 ：
实际物体的定向辐射强度不遵从兰贝特定律。 实际物体的定向辐射强度不遵从兰贝特定律。
定义： 定向黑度 ε θ —实际物体定向辐射强度与同温度下黑体 定义： 的定向辐射强度之比。 的定向辐射强度之比。
平均黑度与法向黑度之比变化不大： 平均黑度与法向黑度之比变化不大 ： 高度磨光的金属： 高度磨光的金属 ： 1.2 粗糙表面： 粗糙表面 ： 0.98 光滑表面： 光滑表面：0.95
εθ
εθ
εθ
εθ
4.4 实际物体的辐射与吸收
实际物体辐射的特点： 实际物体辐射的特点 ：
对实际物体辐射特性的总结： 对实际物体辐射特性的总结： 实际物体单色辐射力与波长有关； 实际物体单色辐射力与波长有关； 实际物体的辐射按空间分布不遵从兰贝特定律； 实际物体的辐射按空间分布不遵从兰贝特定律； 黑度与材料种类、 表面状况和温度有关， 与外界无关。 黑度与材料种类、 表面状况和温度有关， 与外界无关。