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1、传热学,第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性,课件制作：尹华杰,8-1热辐射现象的基本概念,热辐射的定义及区别于导热对流的特点热辐射定义由于热的原因而产生的电磁波辐射热辐射产生的条件及辐射与吸收的统一性热辐射产生的条件热的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。只要物体的温度高于“绝对零度”，物体总是不断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射,8-1热辐射现象的基本概念,热辐射的定义及区别于导热对流的特点热辐射产生的条件及辐射与吸收的统一性辐射与吸收的统一性物体在辐射的同时，亦不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的热辐射能重新转变成热能。辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸
2、收的总效果。当物体与环境处于热平衡时，其表面上的热辐射仍在不停地进行，但其辐射换热量等于零,8-1热辐射现象的基本概念,热辐射的定义及区别于导热对流的特点热辐射传热与对流、导热传热的区别的两个特点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在物体发射与吸收辐射能量的过程中发生了电磁能与热能两种能量形式的转换,8-1热辐射现象的基本概念,从电磁波的角度描述热辐射的特性电磁波的速率、波长和频率的关系 c=f式中： c电磁波的传播速率，在真空中c=3108m/s在大气中的传播速率略低于此值；f频率，s-1；波长，单位为m，常用单位为m（微米），1m=10-6m工业所遇到的温度范围：
3、2000K,8-1热辐射现象的基本概念,电磁波的波谱2000K时有实际意义的辐射波长范围是：0.38100m 多数能量位于红外区段：0.7620m可见光区段： 0.38 0.76 m，热辐射能量的比重不大,8-1热辐射现象的基本概念,从电磁波的角度描述热辐射的特性太阳的温度约5800K，主要能量集中在 0.2 2 m的波长范围，可见光占有很大比重包括太阳光的热辐射范围：0.1100m 近红外线：波长25m远红外线：波长25m微波波长在1mm1m的电磁波可穿透塑料、玻璃及陶瓷制品，会被像水一样的具有极性分子的物体吸收，在物体内部产生内热源，从而使物体比较均匀地得到加热。微波炉就是这一原理的产品,
4、8-1热辐射现象的基本概念,从电磁波的角度描述热辐射的特性吸收比、反射比和穿透比的定义热辐射总能量一部分吸收Q，一部分反射Q，一部分穿透Q吸收比、反射比和穿透比的定义,8-1热辐射现象的基本概念,从电磁波的角度描述热辐射的特性固体或液体情况下对固体或液体，辐射能在极短的距离内就被吸收完了，可认为=0。金属导体的这一距离为1m的数量级，大多数非导电材料，这一距离小于1m气体情况下反射能力很小，可以认为=0镜面反射当表面的粗糙度较小，表面不平整尺寸小于投入辐射的波长时，入射角等于反射角,8-1热辐射现象的基本概念,从电磁波的角度描述热辐射的特性漫反射当表面不平整尺寸大于投入辐射的波长时，从某一方向
5、投射到物体表面的辐射向空间各个方向反射出去。一般工程材料的表面都形成漫反射表面状况的影响对固体和液体，吸收和反射均在表面进行，表面的粗糙度影响很大。而气体的辐射主要是在容积内进行，表面状况无关紧要,8-1热辐射现象的基本概念,黑体模型及其重要性=1的物体称为绝对黑体=1的物体称为镜体=1的物体称为绝对透明体漫反射的物体称为绝对白体光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体黑体模型带小孔的温度均匀的空腔,8-1热辐射现象的基本概念,黑体模型及其重要性黑体模型的重要性在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大在研究了黑体辐射的基础上，将其他物体的辐射和黑体比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的修正系
6、数,8-2黑体热辐射的基本定律,辐射力E单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能的总量。单位是W/m2辐射力表征物体发射辐射能本领的大小光谱辐射力E单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射出去的包含波长为的单位波长范围内的辐射能。其单位是W/m3右图给出了光谱辐射力与波长、温度的关系,8-2黑体热辐射的基本定律,辐射力与光谱辐射力间的关系式黑体辐射力和光谱辐射力的表示黑体辐射力Eb光谱辐射力Eb黑体辐射的基本定律普朗克（Planck）定律斯忒藩-玻耳兹曼定律兰贝特（Lambert）定律,8-2黑体热辐射的基本定律,普朗克（Planck）定律揭示了黑体辐射能按
7、照波长的分布规律，它给出了黑体光谱辐射力Eb与波长和温度的关系。根据量子理论得到如下数学表达式：,8-2黑体热辐射的基本定律,维恩（Wien）位移定律普朗克定律对求导，求其的最大值，可得维恩关于光谱辐射力的最大波长m与温度T之间的关系式：斯忒藩-波耳兹曼定律,8-2黑体热辐射的基本定律,黑体在波长1至2区段所发射出的辐射能黑体辐射力百分数,8-2黑体热辐射的基本定律,黑体辐射函数在给定波段区间,单位时间内黑体单位面积所辐射的能量计算式,8-2黑体热辐射的基本定律,兰贝特定律立体角的量度平面角,8-2黑体热辐射的基本定律,兰贝特定律立体角的量度立体角单位:Sr,8-2黑体热辐射的基本定律,兰贝特
8、定律定向辐射强度定义单位时间、单位可见辐射面积辐射出去的落在单位立体角内的辐射能强度单位可见辐射面积从任意方向p看到的辐射面积是正交于 的面积,8-2黑体热辐射的基本定律,兰贝特定律定向辐射强度定向辐射强度计算式兰贝特定律（Lambert）黑体的定向辐射强度与方向无关,8-2黑体热辐射的基本定律,兰贝特定律符合兰贝特定律的辐射（余弦定律）符合兰贝特定律的辐射力,8-2黑体热辐射的基本定律,总结黑体辐射力由斯忒藩-玻耳兹曼定律确定，正比于热力学温度的四次方：Eb=T4黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律空间方向的分布服从兰贝特定律维恩位移定律描述了黑体单色辐射力有个峰值，与该峰值有对应的波长m
9、随温度升高m向波长短的方向移动,复习题、习题,复习题：1、2、5习题：黑体辐射基本定律：8-1、8-12,8-3固体和液体的辐射特性,实际物体的光谱辐射实际物体的光谱辐射随波长做不规则的变化实际物体的光谱辐射力实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值，称为实际物体的发射率，又称黑度,8-3固体和液体的辐射特性,实际物体的辐射力实验结果发现，实际物体的辐射力并不严格符合四次方关系。工程中把这一偏差包括到用实验方法确定到发射率中。因此发射率还与温度有关,8-3固体和液体的辐射特性,实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随的变化规律黑体的定向发射率是半径为1的半圆漫射体的
10、定向发射率是半径小于1的半圆,8-3固体和液体的辐射特性,实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随的变化规律金属材料的定向发射率,8-3固体和液体的辐射特性,实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随的变化规律金属材料的定向发射率,8-3固体和液体的辐射特性,实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随的变化规律非金属材料的定向发射率,8-3固体和液体的辐射特性,实际物体的定向辐射强度实际物体的定向发射率（定向黑度）定向发射率随的变化规律非金属材料的定向发射率,8-3固体和液体的辐射特性,实际物体的定向辐射强度定向发射率(
11、) 与半球平均发射率间的关系定向发射率() 与半球发射率间的关系法向发射率n 与半球发射率间的关系,8-3固体和液体的辐射特性,实际物体的定向辐射强度定向发射率() 与半球平均发射率间的关系物体的半球平均发射率与法向发射率n的比值金属表面M=1.01.3（高度磨光的表面取上限）非导体表面M=0.951.0（粗糙表面取上限）除高度磨光的表面外，工程计算中一般取M=1.0,8-3固体和液体的辐射特性,实际物体的定向辐射强度漫射表面物体的半球平均发射率基本上不变，符合兰贝特定律。这样的表面称为漫射表面影响物体发射率的因素物质种类、表面温度、表面状况常用材料表面的法向发射率表8-2 P369370,8
12、-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,物体的投入辐射单位时间内从外界辐射到物体单位表面积上的能量物体的吸收比物体对投入辐射所吸收的百分数影响实际物体吸收比的两个因素吸收物体本身的情况物质种类、表面温度、表面状况投入辐射的特性,8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,实际物体的吸收比光谱吸收比（）物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数,8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,实际物体的吸收比物体光谱吸收的选择性物体的光谱吸收比随波长而异的性质选择性与自身表面性质、温度有关，还与发出投入辐射物体的表面性质和温度有关实际物体吸收的选择性对辐射传热计算所造成的困难设物体1为研究的对象，物体2为
13、产生投入辐射的物体,8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,实际物体的吸收比投入辐射来自黑体的物体吸收比,8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,灰体的概念及其工程应用光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体在一定温度下：工业上通常遇到的热辐射位于红外线范围内（绝大多数能量位于0.7610m之间）。大多数工程材料在此范围内，当作灰体处理引起的误差是可以容许的,8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,吸收比与发射率的关系-基尔霍夫定律实际物体吸收比和发射率间的关系板1为黑体，板2为一般物体，两板间辐射换热的热流密度,8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,吸收比与发射率的关系-基尔霍夫定律实际
14、物体吸收比和发射率间的关系在热平衡条件下任何物体的辐射和它对来自黑体辐射的吸收比的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。或热平衡条件满足时，任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率,8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,吸收比与发射率的关系-基尔霍夫定律漫射灰体吸收比和发射率间的关系 按灰体的定义其吸收比与波长无关，在一定温度下是一个常数；其次物体的发射率是物性参数，与环境无关。假设在某一温度T下，一灰体与黑体处于热平衡，按基尔霍夫定律 。然后，考虑改变灰体的环境，使其所受的辐射不是来自同温下的黑体辐射，但保持其自身温度不变，此时考虑到发射率及灰体吸收比的上述性质，显然仍应有
15、。所以，对于漫射的灰体表面一定有 。也就是说，对于灰体，不论投入辐射是否来自黑体，也不论是否处于热平衡条件，其吸收比恒等于同温度下的发射率,8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,吸收比与发射率的关系-基尔霍夫定律三个层次上的基尔霍夫定律基尔霍夫定律有几种不同层次上的表达式，其适用条件不同,8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,关于基尔霍夫定律及灰体假设的几点说明对工程计算而言，只要在所研究的波长范围内光谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定即可成立，而不必要求在全波段范围内 为常数。在工程常见的温度范围（2000K）内，许多工程材料都具有这一特点物体的辐射力越大，其吸收能力也越大。善于
16、辐射的物体必善于吸收，反之亦然。所以同温度下黑体的辐射力最大,8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,关于基尔霍夫定律及灰体假设的几点说明当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体作为灰体，即不能把物体在常温下的发射率作为对太阳能的吸收比。因为太阳辐射中可见光占了近一半，而大多数物体对可见光波的吸收表现出强烈的选择性。如白漆常温下的发射率高达0.9，但在可见光范围内，吸收比仅0.10.2。,8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,温室效应4.78mm厚的普通玻璃，对于波长0.3m3m的热辐射有很高的穿透比，而对3m的热辐射的穿透比甚小。太阳光谱99%的能量集中在=0.23m的波长段，大
17、部分太阳光辐射能量穿过玻璃，进入由面向太阳光的玻璃形成的有吸热面构成的封闭腔内，如果封闭腔内的吸热面材料的光谱发射率在该波长段较小，使得吸收的热辐射能量大于发射辐射能量，从而产生所谓温室效应该温室效应被用于：太阳能热水器、植物温室等方面,8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,温室效应在过去一个世纪中由于世界范围内工业发展排放的大量对红外波段的辐射具有一定吸收率的气体，如二氧化碳、多种CFC（氯氟烃）制冷剂，聚集在地球的外围，一方面好像给地球罩了一层玻璃窗，以可见光为主的太阳能可以达到地球表面，而地球上一般温度下的物体所辐射的红外范围的热辐射则大量被这些气体吸收，无法散发到宇宙空间中，使得地
18、球表面的温度逐渐升高，形成温室效应,8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系,温室效应CFC制冷剂分解的氯气造成对臭氧层的严重破坏，造成南极臭氧层出现空洞,8-5太阳与环境辐射,概述太阳能的合理利用是解决世界能源问题的有效途径之一太阳是一个巨大的热辐射体，其直径为1.393109m，是地球的109倍。太阳与地球的平均距离为1.51011m。太阳能是一种无污染的清洁能源，它的利用越来越受到世界各国的重视。我国幅员辽阔，太阳能资源十分丰富。虽然太阳发出的能量大约只有二十二亿分之一到达地球，但平均每秒照射到地球上的能量远远高于全球能源的总消费量。因此太阳能的合理利用是解决世界能源问题的有效途径之一,
19、8-5太阳与环境辐射,概述利用太阳能要了解的一些问题达到地球表面的太阳辐射有多大？太阳能在从太空穿过大气层到达地球表面的过程中会遇到哪些吸收与削弱影响？太阳的辐射能中各种波长能量的分布如何？,8-5太阳与环境辐射,太阳能辐射的特点辐射温度太阳是个炽热的气团，它的内部不断地进行着核聚变反应，由此产生的巨大能量以辐射方式向宇宙空间发射出去。到达地球的大气层外缘的能量（即太阳的入射能），具有如图中位置较高的实线所示的光谱特性，相当于温度为5762K的黑体辐射,8-5太阳与环境辐射,太阳能辐射的特点辐射波长范围与光谱能量分布99%的能量集中在=0.23m的波长段，最大能量位于0.48m的波长处光谱能量
20、分布如图随一年的日期、一天中的时间、地球纬度及大气污染等因素不同，地面接受到的太阳辐射在01100W/m2范围内变化,8-5太阳与环境辐射,太阳常数日地间平均距离处，大气层外缘与太阳射线相垂直的单位面积所接受到的太阳辐射能称为太阳常数，记为Sc，其值为：13671.6W/m2。它与地理位置或一天中的时间无关,8-5太阳与环境辐射,大气层外缘水平面上每单位面积接受到的太阳辐射能,8-5太阳与环境辐射,照射到地球上的太阳辐射能的近似值式中d为地球直径1kg标准煤的发热值是29.3106J，因此照射到地球的太阳能相当于每秒燃烧600万吨标准煤的热量地球上多种能量的来源，来自于太阳辐射能充分有效地利用
21、太阳能对于实施能源的可持续发展方针，保持地球的良好生态环境具有重要意义,8-5太阳与环境辐射,太阳能穿过大气层时的削弱大气的反射云层和大气中漂浮的较大颗粒把太阳辐射反射回宇宙空间大气的散射和吸收大气中的O3、N2、O2、H2O及各种CFC气体对太阳辐射有吸收作用。其中O3对紫外线有强烈的吸收作用，减少紫外线对人类的伤害工业城市的污染大气可使到达地面的太阳辐射能降低10%20%,8-5太阳与环境辐射,太阳能穿过大气层时的削弱散射对太阳投入辐射的重新辐射分子散射(Rayleigh散射)基本向整个空间均匀地进行,因此大约一半射向宇宙空间,另一半到达地面,8-5太阳与环境辐射,太阳能穿过大气层时的削弱
22、米散射(Mie散射)由于大气层中的尘埃与悬浮微粒所造成,它使得辐射能基本沿着投入方向继续向前传递,因此这部分散射能量可以认为全部到达地球表面上,8-5太阳与环境辐射,投射到地面的太阳辐射种类直接辐射由太阳发出的辐射没有受到吸收与散射的那部分能量直接到达地球表面的辐射能天空散射宇宙中的物体反射的辐射能，投射入大气层的辐射，有时可达地面接受天空辐射能量的10%我国太阳能资源丰富，全国有三分之二地区全年日照在2200小时以上，全年平均可以得到的太阳辐照能量约为5.86106kJ/m2,8-5太阳与环境辐射,环境辐射地球以及大气层中某些具有辐射能力成分的辐射地面辐射地球表面的辐射力可用下式计算：发射率
23、之值常接近于1，例如水表面的约为0.96。由于一年四季地球表层温度变化大约在250K到320K之间，因而其辐射能集中在440m的范围内，如果按平均地面温度为290K计算，按维恩位移定律,地球的辐射能量中以波长为10m的红外线为最多,8-5太阳与环境辐射,环境辐射地球的平均表面温度,8-5太阳与环境辐射,环境辐射大气层辐射虽然大气层辐射并不具备黑体辐射性质,但经验表明,可以用一个所谓的有效天空温度Tsky来计算大气层对地球表面的投入辐射，而且把天空当作黑体，即有效天空温度之Tsky值取决于大气的条件，大致在230K（冬天晴朗的夜晚）到285K（夏天、多云条件）。在夜里，云层的辐射是地球表面得到的唯一投入辐射。在寒冷而晴朗的夜晚，有效天空温度较低，此时即使水面上的空气温度高于273K，水面仍可能冻结,8-5太阳与环境辐射,部分材料对太阳辐射的吸收比及自身发射率,复习题、习题,复习题：7、8、9习题：实际物体的辐射特性：8-15、8-17,
