傳熱學(xué)第七章實(shí)用教案

1、2021-12-161二、熱輻射的特性描述二、熱輻射的特性描述(mio sh)(mio sh)（從電磁（從電磁波角度）波角度）以光速在空間(kngjin)(kngjin)中傳播u傳播速度與波長、頻率(pnl)的關(guān)系范圍廣：從0 0到無窮。fc u電磁波的波長 一般為2000K2000K以下3108m/s工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域：一般為0.10.1100100mm。 第1頁/共29頁第一頁，共30頁。2021-12-162電電 磁磁 輻輻 射射 波波 譜譜大部分能量(nngling)(nngling)聚積在紅外線區(qū)段：0.7620m0.7620m，在可見光區(qū)段(q dun)(q dun)：0

2、.380.76m0.380.76m，熱輻射能量的比重不大。第2頁/共29頁第二頁，共30頁。2021-12-163當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般(ybn)會發(fā)生三種現(xiàn)象：（1）吸收（2）反射（3）穿透11QQQQQQQQQQ物體對熱輻射的吸收、反射(fnsh)和穿透 u物體表面(biomin)對電磁波的作用第3頁/共29頁第三頁，共30頁。2021-12-164對于(duy)大多數(shù)的固體和液體：鏡反射(fnsh)漫反射對于不含顆粒(kl)的氣體：固體表面的兩種反射第4頁/共29頁第四頁，共30頁。2021-12-165111絕對(judu)透明體（簡稱：透明體）：絕對黑體(hit)（簡稱黑體

3、(hit)）：絕對(judu)鏡體或絕對(judu)白體（簡稱：鏡體或白體）：三、黑體模型及其重要性三、黑體模型及其重要性 由于不同物體的吸收比、反射閉合透射比的因不同條件不同差別很大，給輻射計(jì)算帶來了困難。為方便計(jì)算，從理想物體入手研究。 若小孔占內(nèi)壁面積小于0.6%，當(dāng)內(nèi)壁的吸收比為0.6時(shí)，小孔的吸收比可大于0.996第5頁/共29頁第五頁，共30頁。2021-12-166 單位時(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量(nngling)(nngling)總和，(W/m2)(W/m2)。一、熱輻射能量一、熱輻射能量(nngling)(nngling)的的表示方法表示方法u輻射

4、力（E） 單位時(shí)間內(nèi)，單位波長范圍內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量，(W/m(W/m3 3) )。u光譜輻射力E：第6頁/共29頁第六頁，共30頁。2021-12-167uE與E的關(guān)系(gun x)dEE0注意： 黑體(hit)一般采用下標(biāo)b表示，則：（1）黑體(hit)的輻射力為Eb（2）黑體的光譜輻射力為Eb二、二、PlanckPlanck定律定律1)(512TcbecE第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.43881.43881010-2-2 W W K Ku描述黑體光譜輻射力隨波長和溫度的變化關(guān)

5、系德國人，諾貝爾獲得者，量子力學(xué)的奠基人第7頁/共29頁第七頁，共30頁。2021-12-168 隨著(su zhe)(su zhe)溫度的升高，曲線峰值向較短波長移動。KmTm3108976. 2光譜輻射力隨波長的增加(zngji)而增加(zngji)，達(dá)到某一最大值后又隨著波長的增加(zngji)而減小。在同一波長下黑體(hit)溫度越高，對應(yīng)的光譜輻射力越大。u維恩定律 Eb最大處的波長隨溫度不同而變化，令德國人，諾貝爾獲得者（1911年）第8頁/共29頁第八頁，共30頁。2021-12-169 21dEEbb40)(51012TdecdEETcbb黑體在波長(bchng)1(bchng

6、)1和22區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力。三、斯忒藩波耳茲曼三、斯忒藩波耳茲曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)定律定律(dngl)(dngl)u描述黑體輻射力隨溫度(wnd)的變化關(guān)系5.675.671010-8-8 w/(mw/(m2 2 K K4 4) )u黑體輻射函數(shù) 斯忒藩在18791879年由實(shí)驗(yàn)的方法確定，18841884年由波耳茲曼從熱力學(xué)關(guān)系式導(dǎo)出。第9頁/共29頁第九頁，共30頁。2021-12-1610球面(qimin)面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面(qimin)度)()(1112)0()0(00440)(1212212121

7、TfTfFFdEdETdETdEdEFbbbbbbbbu黑體(hit)輻射函數(shù)四、蘭貝特（四、蘭貝特（LambertLambert）定律）定律(dngl)(dngl)u立體角第10頁/共29頁第十頁，共30頁。2021-12-1611ddsindd2rAc第11頁/共29頁第十一頁，共30頁。2021-12-1612 單位時(shí)間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切(yqi)(yqi)波長的能量。 dcosd),(d),(ALcosdd),(dbLA 黑體單位(dnwi)面積輻射出去的能量在空間的不同方向分布不均勻，隨呈余弦規(guī)律變化。u定向(dn xin)輻射強(qiáng)度L(, )

8、uLambert 定律余弦定律對于黑體，L與角度無關(guān)第12頁/共29頁第十二頁，共30頁。2021-12-1613沿半球方向(fngxing)(fngxing)積分上式，可獲得了半球輻射強(qiáng)度E:E:uLambert 定律(dngl)與波耳茲曼定律(dngl)的關(guān)系bbbLLEdcos2第13頁/共29頁第十三頁，共30頁。2021-12-1614一、實(shí)際一、實(shí)際(shj)(shj)物體的輻射力物體的輻射力（E E）14TEEEb 實(shí)際(shj)(shj)物體的輻射力E E總小于同溫度下黑體的輻射力EbEb發(fā)射率（黑度）：E E與E Eb b的比值。通過實(shí)驗(yàn)測定，取決于物體自身，與周圍環(huán)境條件無

9、關(guān)。二、實(shí)際物體的光譜輻射力（二、實(shí)際物體的光譜輻射力（E） 實(shí)際物體的光譜輻射力隨波長作不規(guī)則變化。第14頁/共29頁第十四頁，共30頁。2021-12-1615實(shí)際物體(wt)(wt)的光譜輻射力小于同溫度下黑體的光譜輻射力bEE)(實(shí)際物體(wt)(wt)的光譜發(fā)射率與發(fā)射率之間的關(guān)系：光譜(gungp)(gungp)發(fā)射率（光譜(gungp)(gungp)黑度）：40)(TdEEEbb三、實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度三、實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度u定向發(fā)射率（定向黑度） bbLLLL第15頁/共29頁第十五頁，共30頁。2021-12-1616u定向(dn xin)發(fā)射率隨角度的變化規(guī)律第16頁

10、/共29頁第十六頁，共30頁。2021-12-1617u定向發(fā)射率與平均(pngjn)發(fā)射率的關(guān)系22)()(dLdLEEbbb 在半球空間的大部分范圍內(nèi)，定向發(fā)射率基本為常數(shù)，所以(suy)(suy)可用法向發(fā)射率代替：nM偏差修正(xizhng)系數(shù) 金屬：M=1M=11.3(1.3(高度磨光表面用上限）非導(dǎo)體：M=0.95M=0.951.01.0除高度磨光表面外，工程上一般用M=1.0M=1.0第17頁/共29頁第十七頁，共30頁。2021-12-1618四、需要四、需要(xyo)(xyo)注意的幾點(diǎn)問題注意的幾點(diǎn)問題u將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于(yuy)熱輻射非常復(fù)雜，很難理論

11、確定，實(shí)際上是一種權(quán)宜之計(jì)。u雖然實(shí)際物體的定向發(fā)射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程(gngchng)材料服從Lambert定律，有助于問題的簡化。u物體表面的發(fā)射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況，與外界無關(guān)。第18頁/共29頁第十八頁，共30頁。2021-12-1619一、實(shí)際一、實(shí)際(shj)(shj)物體的吸收比物體的吸收比投入(tur)(tur)輻射：單位時(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能。吸收比：物體對投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)。)(投入輻射投入的能量吸收的能量吸收比與兩方面有關(guān)：吸收物體本身的情況投入輻射的特性（外界）第19頁/共29頁第十九頁，共30頁

12、。2021-12-1620u光譜(gungp)吸收比定義：物體對某一特定波長(bchng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，叫光譜吸收比。金屬(jn(jnsh)sh)非金屬能量投入的某一特定波長的能量吸收的某一特定波長的),(1T第20頁/共29頁第二十頁，共30頁。2021-12-1621光譜(gungp)吸收比隨波長的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。u實(shí)際物體(wt)的吸收具有選擇性 應(yīng)用(yngyng)（1）植物及蔬菜栽培過程中應(yīng)用的溫室效應(yīng)。（2）焊接工人戴有色眼鏡。u實(shí)際物體吸收的選擇性帶來的困難計(jì)算根據(jù)：（1）吸收一方的性質(zhì)和溫度。（2）投入一方的性質(zhì)和溫度。第21頁/共29頁第二十一

13、頁，共30頁。2021-12-1622 設(shè)下標(biāo)1 1、2 2分別代表所研究(ynji)(ynji)的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體1 1的吸收比為：)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質(zhì)表面的性質(zhì)，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbb計(jì)算(j sun)如果投入(tur)輻射來自黑體，則)1,(d)(),(d)(d)(),(2142021020211的性質(zhì)表面TTfTTETTETETbbb第22頁/共29頁第二十二頁，共30頁。2021-12-1623物體表面對黑體輻射(fsh)(fsh)的吸收比與溫度的關(guān)系第23頁/共29頁第二十三頁，共30頁。2

14、021-12-1624二、灰體的概念二、灰體的概念(ginin)(ginin)及其工程應(yīng)用及其工程應(yīng)用灰體：光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱為灰體。此時(shí)(c sh)，不管投入輻射的分布如何，吸收比都是同一個(gè)常數(shù)。 在工程范圍內(nèi)，只要在所研究的波長(bchng)(bchng)范圍內(nèi)光譜吸收比基本上與波長(bchng)(bchng)無關(guān)，則灰體的假設(shè)即可成立。 而在工程常見的溫度范圍（2000K2000K）內(nèi)，許多工程材料都具有這一特點(diǎn)。第24頁/共29頁第二十四頁，共30頁。2021-12-162518591859年，Kirchhoff Kirchhoff 用熱力學(xué)方法(fngf)(fngf)提出了

15、Kirchhoff Kirchhoff 定律。bbbbbEEEEEEE)1 (三、基爾霍夫定律三、基爾霍夫定律(dngl)(dngl)吸收吸收(xshu)(xshu)比與發(fā)射率比與發(fā)射率的關(guān)系的關(guān)系（1 1）板1 1為黑體：E Eb b ，T T1 1 （2 2）板2 2為任意物體：E E ， ，T T2 2則，當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)：u條件：第25頁/共29頁第二十五頁，共30頁。2021-12-1626Kirchhoff Kirchhoff 定律(dngl)(dngl)：在熱力學(xué)平衡狀態(tài)(zhungti)(zhungti)下，物體的吸收率等于它的發(fā)射率。(1)(1) 整個(gè)系統(tǒng)(xtng)(xt

16、ng)處于熱平衡狀態(tài)；u限制：(2)(2)如物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關(guān)，則二者只有處于同一溫度下的值才能相等；(3)(3)投射輻射源必須是同溫度下的黑體。u灰體 由于光譜吸收比不隨波長變化，所以吸收比與溫度無關(guān)。那么不論是否處于熱平衡，也不論是來自黑體輻射，均存在上述關(guān)系。第26頁/共29頁第二十六頁，共30頁。2021-12-1627注：漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空間方向無關(guān)，即符合LambertLambert定律(dngl)(dngl)的物體表面；uKirchhoff Kirchhoff 定律(dngl)(dngl)的不同表達(dá)式第27頁/共29頁第二十七頁，共30頁。2021-12-1628作業(yè)(zuy)：7-6; 7-16; 7-23第28頁/共29頁第二十八頁，共30頁。 青島科技大學(xué)(dxu)熱能與動力工程2021-12-1629謝謝您的觀看(gunkn)！第