高教传热学第四版课件-PPT.pptx

高教传热学第四版课件作业7-10,7-18,7-21,7-23,7-24,7-26 8-1 8-1 热辐射得基本概念热辐射得基本概念一、一、热辐射特热辐射特点点 二、二、电磁波谱电磁波谱1 1、定义定义:由热运动产生得由热运动产生得,以电磁波形式传递得能量以电磁波形式传递得能量 2 2、特点特点:a 任何物体任何物体,只要温度高于只要温度高于0 0 K,就会不停地向就会不停地向周围空间发出热辐射周围空间发出热辐射;b 可以在真空中传播可以在真空中传播;c 伴随能伴随能量形式得转变量形式得转变;d 具有强烈得方向性具有强烈得方向性;e 辐射能与温度辐射能与温度与波长均有关与波长均有关;f 发射辐射取决于温度得发射辐射取决于温度得4次方。次方。电磁波得传播速度电磁波得传播速度:c=f 式中式中:f 频率频率,s-1;波长波长,m8-1 8-1 热辐射得基本概念热辐射得基本概念电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱电磁辐射包含了多种形式电磁辐射包含了多种形式,工业上有实际意义得热辐工业上有实际意义得热辐射区域一般为射区域一般为0 0、1 1100100mm。8-1 8-1 热辐射得基本概念热辐射得基本概念当热辐射投射到物体表面上时当热辐射投射到物体表面上时,一般会发生三种现象一般会发生三种现象,即吸收、即吸收、反射与透反射与透射射三、三、物体物体对热辐射得吸收、反射与透射射得吸收、反射与透射物体对热辐射得物体对热辐射得吸收反射与透吸收反射与透射射1、吸收、反射与透、吸收、反射与透射特射特性性8-1 8-1 热辐射得基本概念热辐射得基本概念对于大多数得固体与液体对于大多数得固体与液体:镜面反射镜面反射 漫反射漫反射对于气体对于气体:8-2 8-2 热辐射得基本概念热辐射得基本概念黑体模型黑体模型:就是指能吸收投就是指能吸收投入到其面上得所有热辐射入到其面上得所有热辐射能得物体能得物体,就是一种科学假就是一种科学假想得物体想得物体,现实生活中就是现实生活中就是不存在得。但却可以人工不存在得。但却可以人工制造出近似得人工黑体。制造出近似得人工黑体。黑体模型黑体模型透明体透明体:黑体黑体:镜体或白体镜体或白体:2、三种理想模型、三种理想模型:8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律辐射力辐射力E E:一、一、热辐射能量得表示方法射能量得表示方法E、E关系关系:光谱辐射力光谱辐射力E E:单位时间内单位时间内,物体得单物体得单位表面积向半球空间所位表面积向半球空间所有方向发射出去得全部有方向发射出去得全部波长得辐射能得总量波长得辐射能得总量(W/m2)二、二、黑体辐射得基本定黑体辐射得基本定律律波长波长,m m;T T 黑体温度黑体温度,K K;c c1 1 第一辐射常数第一辐射常数,3,3、7421074210-16-16 W W m m2 2;c c2 2 第二辐第二辐射常数射常数,1,1、438810438810-2-2 m m K;K;1 1、PlanckPlanck定律定律:WienWien位移位移定律定律:8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律m、K 10大家应该也有点累了,稍作休息大家有疑问得大家有疑问得大家有疑问得大家有疑问得,可以询问与交流可以询问与交流可以询问与交流可以询问与交流8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律2 2、Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律定律(四次方定律四次方定律):):=5=5、67106710-8-8 W/(m W/(m2 2 K K4 4)黑体黑体辐射函数射函数黑体在波长黑体在波长1 1与与2 2区区段内所发射得辐射力段内所发射得辐射力:8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律黑体辐射函数黑体辐射函数:能量份能量份额 可以表示为单一变量可以表示为单一变量 得函数得函数,即即:8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律黑体黑体辐射函数射函数TFb(0-)TFb(0-)TFb(0-)TFb(0-)1000 0、03231900 5、225360040、40600073、811100 0、09162000 6、690380044、38650077、661200 0、214 2200 10、11400048、13700080、831300 0、434 2400 14、05420051、64750083、461400 0、782 2600 18、34440054、92800085、641500 1、290 2800 22、82460057、96850087、471600 1、979 3000 27、36480060、79900089、071700 2、862 3200 31、85500063、41950090、321800 3、946 3400 36、21550069、1210000 91、438-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律定义定义:球面面积除以半径得平方球面面积除以半径得平方,sr(球面度球面度)(1)(1)立体角立体角3、Lambert 定律定律8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律 可用球坐可用球坐标中的中的纬度微元角度微元角 和精度微元角和精度微元角 表示为：表示为：8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律定义定义:单位时间内、单位可见单位时间内、单位可见辐射面积辐射出去得落在单辐射面积辐射出去得落在单位立体角内得辐射能量位立体角内得辐射能量(2)(2)定向定向辐射射强度度:(3)Lambert 定律定律黑体得定向辐射强度与黑体得定向辐射强度与方向无关方向无关,即黑体在半球即黑体在半球空间得各个方向上得定空间得各个方向上得定向辐射强度相等向辐射强度相等 8-2 8-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律黑体得辐射能随黑体得辐射能随 呈余弦规律变化呈余弦规律变化(4)辐射力与定向射力与定向辐射射强度度间得关系得关系8-3 8-3 实际固体与液体得辐射特性实际固体与液体得辐射特性v发射率发射率(也称为黑度也称为黑度):相同温度下相同温度下,实际物体得实际物体得半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:v光谱发射率光谱发射率 :相同温度下相同温度下,实际物体得光谱辐射力与黑实际物体得光谱辐射力与黑体光谱辐射力之比体光谱辐射力之比:v发射率与光谱发发射率与光谱发射率间得关系射率间得关系:几种金属导体在不同方向上得定向发射率几种金属导体在不同方向上得定向发射率()(t=150)定向发射率定向发射率:实际物体得定向辐射强度与黑体实际物体得定向辐射强度与黑体得定向辐射强度之比得定向辐射强度之比:8-3 8-3 实际固体与液体得辐射特性实际固体与液体得辐射特性几种非导电体材料在不同方向上得定向发射率几种非导电体材料在不同方向上得定向发射率()(t=093、3)漫射表面漫射表面:表面得定向发射率表面得定向发射率 ()与方向无关与方向无关,即定即定向辐射强度与方向无关向辐射强度与方向无关,满足兰贝特定律得表面满足兰贝特定律得表面8-3 8-3 实际固体与液体得辐射特性实际固体与液体得辐射特性表面发射率表面发射率得影响因素得影响因素:物物质种种类、表面温度、表面状况、表面温度、表面状况表面发射率表面发射率只与只与发射射辐射得物体本身有关射得物体本身有关,而不而不涉及外界涉及外界一般材料一般材料:高度磨光得金属表面高度磨光得金属表面:实实际际物物体体得得辐辐射射特特性性与理想物体得区别与理想物体得区别:实际物体、黑体与灰实际物体、黑体与灰体得辐射能量光谱体得辐射能量光谱(1)(1)实际物体得辐射力实际物体得辐射力8-3 8-3 实际固体与液体得辐射特性实际固体与液体得辐射特性(2)(2)实际物物体体得得辐射射力力并并不不完完全全与与热力力学学温温度得四次方成正比度得四次方成正比;(3)(3)实际物物体体得得定定向向辐射射强度度也也不不严格格遵遵守守LambertLambert定律。定律。1 1、投入辐射投入辐射:单位时间内从外界辐射到物体单位表单位时间内从外界辐射到物体单位表面积上得能量面积上得能量 一、基本概念一、基本概念:8-4 8-4 实际物体得吸收比与基尔霍夫定律实际物体得吸收比与基尔霍夫定律2 2、吸收比吸收比:物体对投入辐射所吸收得百分数物体对投入辐射所吸收得百分数,实际物体得吸收比实际物体得吸收比取决于两方面得因素取决于两方面得因素:吸收物体吸收物体得本身情况与投入得本身情况与投入辐射得特性。射得特性。3、光谱吸收比光谱吸收比:物体对某一特定波长得辐射能所吸收物体对某一特定波长得辐射能所吸收得百分数得百分数,也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长得变也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长得变化体现了实际物体得选择性吸收得特性。化体现了实际物体得选择性吸收得特性。金属导电体得光谱吸收比同波长得关系金属导电体得光谱吸收比同波长得关系非导电体材料得光谱吸收比同波长得关系非导电体材料得光谱吸收比同波长得关系4、物体得吸收具有选择性、物体得吸收具有选择性:如果投入如果投入辐射来自黑体射来自黑体,则物体得吸收比可以表示成物体得吸收比可以表示成:物体表面对黑体辐射得吸收比与温度得关系物体表面对黑体辐射得吸收比与温度得关系6 6、两种处理方法、两种处理方法:5、灰体、灰体:光谱吸收比与波长无关得物体光谱吸收比与波长无关得物体 =()=const(2)(2)谱带模型法谱带模型法:即将所关心得连续分布得谱带区域划即将所关心得连续分布得谱带区域划分为若干小区域分为若干小区域,每个小区域被称为一个谱带每个小区域被称为一个谱带,在每在每个谱带内应用灰体假设。个谱带内应用灰体假设。(1)(1)灰体法灰体法:将将实际物体作物体作为灰体灰体处理理,即即将光谱吸收比将光谱吸收比 ()作作为常数常数,=()=const)=const。8-4 8-4 实际物体得吸收比与基尔霍夫定律实际物体得吸收比与基尔霍夫定律平行平板间平行平板间得辐射换热得辐射换热8-4 8-4 实际物体得吸收比与基尔霍夫定律实际物体得吸收比与基尔霍夫定律二、基尔霍夫定律二、基尔霍夫定律当体系当体系处于于 的的状态，状态，即处于热平衡条件下时即处于热平衡条件下时:任意物体任意物体:该式式说明明:在在热力力学平衡状态下学平衡状态下,物物体得吸收率等于它得发射率体得吸收率等于它得发射率该式在下列限定性条件下而得该式在下列限定性条件下而得:(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)如物体得吸收率与发射率与温度有关如物体得吸收率与发射率与温度有关,则二者只有处于则二者只有处于同一温度下得值才能相等同一温度下得值才能相等;(3)(3)投射辐射源必须就是同温度下得黑体。投射辐射源必须就是同温度下得黑体。8-4 8-4 实际物体得吸收比与基尔霍夫定律实际物体得吸收比与基尔霍夫定律假设在某一温度假设在某一温度下下,一灰体与黑体一灰体与黑体处于于热平衡平衡,按基按基尔尔霍夫定律霍夫定律对于漫射得灰体表面一定有于漫射得灰体表面一定有漫灰表面漫灰表面:辐射表面就是具有漫射特性得灰体射表面就是具有漫射特性得灰体层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱光谱,定向定向 光谱光谱,半球半球 全波段全波段,半球半球无条件无条件,为天顶角为天顶角 漫射表面漫射表面 与黑体处于热平衡与黑体处于热平衡或或漫灰表面漫灰表面 Kirchhoff Kirchhoff 定律得不同表达式定律得不同表达式几点说明几点说明:8-4 8-4 实际物体得吸收比与基尔霍夫定律实际物体得吸收比与基尔霍夫定律1、基尔霍夫定律有几种不同层次上得表达式、基尔霍夫定律有几种不同层次上得表达式8-4 8-4 实际物体得吸收比与基尔霍夫定律实际物体得吸收比与基尔霍夫定律2、对工程工程计算而言算而言,只要在所研究得波只要在所研究得波长范范围内光内光谱吸收比基本上与波吸收比基本上与波长无关无关,则灰体得假定即可成立灰体得假定即可成立,而不而不必要求在全波段范必要求在全波段范围内内()=常数。在工程常见得温度范围常数。在工程常见得温度范围(2000K)内内,许多工程材料都有这一特点。许多工程材料都有这一特点。3、同温度下黑体得辐射力最大。同温度下黑体得辐射力最大。4、当研究物体表面对太阳能得吸收时、当研究物体表面对太阳能得吸收时,一般不能把物一般不能把物体作为灰体体作为灰体,即不能把物体在常温下得发射率作为对即不能把物体在常温下得发射率作为对太阳能得吸收比。太阳能得吸收比。例题例题1 1如附如附图所示，用一个运所示，用一个运动的的传感器来感器来测定定传送送带上一个上一个热试件的位置。件的位置。设热试件的件的辐射具有黑体射具有黑体的特性。的特性。问传感器与感器与热试件之件之间的距离的距离 多大时，多大时，传感器接收到的辐射能是传感器与试件位于同一竖直线上传感器接收到的辐射能是传感器与试件位于同一竖直线上时的时的75？例题例题1 1解解:设热试件件为表面表面1,传感器感器为表面表面2。当。当传感器感器处于某一位置于某一位置时,传感器所接收到得感器所接收到得辐射能射能为:当当传感器与感器与热试件位于同一件位于同一竖直直线上上时,当当传感器与感器与热试件不在同一件不在同一竖直直线上上时,解得解得m试证明下列论述试证明下列论述:对于腔壁得吸收比为对于腔壁得吸收比为0、6得一等温球壳得一等温球壳,当其上得小孔面积小于球得总表面面积得当其上得小孔面积小于球得总表面面积得0、6时时,该小该小孔得吸收比可大于孔得吸收比可大于99、6。球壳腔壁为漫射体。球壳腔壁为漫射体。例题例题2 21证明证明:例题例题3 3一表面的定向发射率一表面的定向发射率 随随 角的角的变化如附化如附图所示，所示，试确定确定该表面的表面的发射率与法向射率与法向发射率射率 的比值。的比值。解解: