《传热学》杨世铭-陶文铨-第八章热辐射.ppt

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1、第八章热辐射基本定律及辐射特性1意义和目的qq意义：热辐射是热量传递的三种基本方式之一，在许多领域中具有重要应用，特别是航天器热控制中，热辐射更是必须考虑的，如：2意义和目的意义：日常生活中也随处可见热辐射的例子，如：(1)当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；在冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时要舒服；(3)太阳能传递到地面冬天，在蔬菜大棚内的空气温度在0℃以上，但地面却可能结冰。3目的：(1)认识热辐射的性质；(2)掌握表面热辐射的基本传递规律；(3)了解气体辐射的过程(4

2、)掌握热辐射换热的基本研究方法和过程4§8-1热辐射的基本概念一.热辐射的定义及区别于导热对流的特点(1)定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)特点：a任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b可以在真空中传播；c伴随能量形式的转变；d具有强烈的方向性；e辐射能与温度和波长均有关；f发射辐射取决于温度的4次方。5（3）热辐射的定义及区别于导热对流的特点a:热辐射的能量传递不需要其他介质存在，而且在真空中传递的效率最高；b:在物体发射与吸收辐射能量的过程中发生了电磁能与

3、热能两种能量形式的转换6二从电磁波的角度描述热辐射的特性1.传播速率与波长、频率间的关系热辐射具有一般辐射现象的共性，以光速在空间传播。电磁波的速率与波长、频率间的关系式中：f—频率，s-1;λ—波长，μm72.电磁波谱物体辐射的电磁波波长可以包括整个波谱，如图8-1所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1~100μm。注1：红外线区段：0.76~20μm可见光区段：0.38~0.76μm太阳辐射：0.2~2μm注2：波长在1mm~1m之间的电磁波称为微波。8电磁辐射波谱图8

4、-19当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图8-2所示。1）物体对热辐射的吸收、反射和穿透图8.2物体对热辐射的吸收反射和穿透3.物体表面对电磁波的作用10对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：镜体或白体：透明体：2）反射又分镜反射和漫反射两种图8-3镜反射图8-4漫反射11黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。图8-5黑体模型三黑体模型及其重要性黑体：镜

5、体：透明体：1.定义：12§8-2黑体辐射的基本定律1.热辐射能量的表示方法辐射力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)；光谱辐射力Eλ：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)；13E、Eλ关系:显然，E和Eλ之间具有如下关系：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Ebλ142.黑体辐射的三个基本定律及相关性质式中，λ—波长，m；T—黑体温度，K；c1—第一辐射常数，3.74

6、2×10-16Wm2；c2—第二辐射常数，1.4388×10-2WK；(1)Planck定律(第一个定律)：图8-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。λm与T的关系由Wien位移定律给出，图8-6Planck定律的图示15(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：式中，σ=5.67×10-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。16普朗克定律与斯蒂芬—玻耳兹曼定律的关系光谱辐射力曲线下的面积就是该温度下黑体的辐射力练习题：分析为何炼钢时随着

7、温度的升高，钢锭表面颜色由暗红逐渐变白？17黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力，如图8-7所示：(3)黑体辐射能按波段的分布图8-7特定波长区段内的黑体辐射力18黑体辐射函数:注：在任意两个波长之间黑体的辐射能为：19(4)立体角前面涉及到的只是半球空间内的光谱特性，下面将要介绍的是黑体发射辐射的空间方向特性。首先引入立体角的概念。定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)。20要说明黑体向半球空间辐射出去的能量按不同方向分布的规律，只有对不同方向的相等的立体角来比较才有意义

8、。如图8-8和8-9所示：图8-9立体角定义图21图8-9计算微元立体角的几何关系称为经度角，称为纬度角22定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量。参见图8-10。注：对于黑体辐射可以预期，由于对称性在相同的纬度角下从微元黑体面积dA向空间不同经度角方向单位立体角中辐射出去的能量是相等的。因此，研究黑体辐射在空间不同方向的分布只要查明辐射能按不同纬度角分布的规律就可以了。根据前面辐射力的定义，，如果考察落到d