工程热力学与传热学16)热辐射与辐射换热.ppt

2024/11/4第一节热辐射的基本概念任何物体在绝对零度以上都能发射出电磁波。
物质可对外发射从零到无穷大的任何波长的电磁波，激发方式不同，所产生的电磁波波长就不相同，它们投射到物体上产生的效应也不同。
热射线：0.1μm—100μm；
可见光：0.38μm—0.76μm热辐射是电磁波多种辐射形式的一种，所有电磁辐射都以光速进行传播，其值等于辐射波长与频率的乘积：
c＝λν(16-1)
式中c——光速；
λ——波长；
ν——频率。
热辐射的传播是以不连续的量子形式进行的，每个量子的能量为：
E＝hν(16-2)
式中h—普朗克常数，其值为6.6256×10-34J·S。辐射换热：物体之间相互辐射和相互吸收过程的总效果，称为辐射换热。
特点：
1、不依靠物体间相互接触而进行热量传递，只要彼此可见的物体就能互相进行热辐射。
2、辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体的部分内能转化为辐射能发射出去，当射及另一物体表面而被吸收时，辐射能又转化为该物体的内能。
3、辐射换热过程中，高温物体向低温物体辐射能量的同时，低温物体也向高温物体辐射能量，热辐射是双向的。能量最终由高温物体传向低温物体。二、辐射能的吸收、反射和透射根据能量守恒原则：
Gα＋Gρ＋Gτ＝G
Gα/G＋Gρ/G＋Gτ/G＝1
其中：Gα/G、Gρ/G、Gτ/G
分别称为该物体对投射辐射的
吸收率，反射率和透射率单色辐射：在某个特定波长下的辐射称为单色辐射，如果投射能量是单色辐射，上述关系也同样适用。
αλ＋ρλ＋τλ＝１(16-3b)
式中:αλ、ρλ、τλ分别为单色吸收率、单色反射率和单色透射率。
α、ρ、τ和αλ、ρλ、τλ是物体表面的辐射特性，与物体的性质、温度及表面状况有关。α、ρ、τ还和投射能量的波长分布有关。固体和液体不允许热辐射透过。透射率τ＝０，即α＋ρ＝１。即：吸收能力大的物体其反射本领就小；反之吸收能力小的物体其反射本领就大。
气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反射率ρ＝０，即α＋τ＝１。显然，吸收性大的气体，其穿透性就差。多原子气体才具有吸收能力。
固体和液体物体表面状况对这些特性的影响是至关重要的。辐射能投射到物体表面后的反射现象，也和可见光一样有镜面反射和漫反射两种情况。当表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于投射辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角等于反射角。当表面不平整尺寸（表面粗糙度）大于投射辐射的波长时，入射射线被反射后沿各个方向均匀分布、形成漫反射。一般工程材料的表面大都形成漫反射。
自然界所有物体的吸收率α，反射率ρ和透射率τ的数值都在0到1的范围内变化，每个量的数值又因具体条件不同而千差万别。为了使问题简化，可以从理想物体入手进行研究。黑体：如果物体能全部吸收外来辐射线，则称为黑体，即α＝１；
白体：如果物体全部反射外来射线，则不论镜面反射或漫反射均称为白体，即ρ＝１；
透明体：如果物体能被外来射线所全部透射，则称为透明体，即τ＝１。
自然界中并不存在绝对的黑体、白体和透明体，它们只是实际物体热辐射性能的理想模型。但也存在接近理想模型的实际物体，如吸收力很强的煤烟炱和黑丝绒等，α≈0.97；高度磨光的纯金ρ＝０.９８黑体、白体和透明体都是对全波长射线而言的。
不能按物体的颜色来判断（可见光只是全波长射线中的一小部分），白颜色的的物体不一定是白体。例如雪对可见光吸收率很小，但对全波长射线其吸收率α≈0.98，非常接近黑体；白布和黑布对可见光的吸收率不同，但对红外线的吸收率基本相同，普通玻璃能透过可见光，对λ＞3μm的红外线几乎是不透明体。
因此，物体对外来辐射的吸收和反射能力是和物体的性质、表面状况、所处温度和发射物体的温度有关。三、辐射强度和辐射力辐射力是物体参与辐射的单位表面积在单位时间内向半球空间辐射出去的0～∞波长范围内的总能量，用符号E表示，单位是W／m２。
单色辐射力指若辐射力仅指某波长λ下波长间隔dλ范围内所发射的能量。用符号Eλ表示，单位是W／(m２·μm)，第二节热辐射基本定律一、普朗克定律(黑体辐射按波长分布的规律)维恩位移定律

德国物理学家维恩在1896年用经典热力学方法确定了Ebλ为最大值时的波长λmax与温度T之间的关系：

λmax·T＝2897.6μm·K(16-10)二、斯蒂芬—玻尔兹曼定律波段辐射力:波段区间的辐射能。

(16-12a)
Fb(λ１－λ２）:波段辐射力占同温度下黑体辐射力Eb的百分数。



(16-12b)例8-2试求当温度为2000K时黑体最大的单色辐射力所对应的波长；此时可见光与红外线在总辐射中所占份额各为多少?
解：应用式(16-10)，该黑体最大的辐射力所对应的波长λmax为：
λmax＝2897.6/2000