东南大学传热学课件第七章 第一、二节
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f
电磁波的波谱
• 电磁波的波长范围成为电磁波的波谱。 • 在整个波谱范围内可以将电磁波进行命名。
• 插入波谱图。
• 从理论上说，物体热辐射的电磁波也可以包括 整个波谱，即波长从零到无穷大。
热射线的波长范围
• 从理论上说，物体热辐射的电磁波也可以包括 整个波谱，即波长从零到无穷大。 • 然而，在工业上所遇到的温度范围内，即 2000K以下，有实际意义的热辐射波长位于 0.38～100之间，且大部分能量位于红外线区段 的0.76～20范围内，所以热射线人们的眼睛是 看不见的。 • 如果我们把温度的范围扩大到太阳辐射。情况 就会有变化。太阳的表面温度大约微5800K， 太阳辐射的主要能量集中在0.2～2的波长范围， 其中可见光区段占有很大的比重。
维恩定律的应用
• 实际物体的光谱辐射力按波长分布的规律与普 朗克定律是不同的，但定性上是一致的。 • 所以，我们可以应用维恩位移定律来解释，对 一个物体进行加热时，为什么随着加热温度的 提高，被加热物体会出现由暗红、鲜红、橘黄 直至白炽等颜色的变化。 • 金属在不同的温度下呈现的各种颜色，说明了 随着温度的升高，热辐射中可见光及可见光中 短波的比例不断增加。
第二节 黑体辐射的基本定律
• 本节着重介绍黑体辐射的三个基本定律， 它们分别是： （1）表征黑体总辐射能力的斯蒂芬——玻 耳兹曼定律； （2）表征黑体在某一波长时辐射能力大小 的普朗克定律； （3）表征黑体在某一方向上辐射能力大小 的兰贝克定律。
两个基本概念
• 辐射力——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，称为物体的辐射力，辐射力用符号E 表示，其单位为 W/m2。对于黑体，辐射力用 Eb 表示。辐射力从总体上表征了物体发射辐射能 的本领。 • 光谱辐射力（单色辐射力）——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 的在包含 的单位波长范围内的辐射能，称为 光谱辐射力，用符号 E 表示，其单位为 W/m 3 。 黑体的光谱辐射力用 Eb 表示。
• 光谱辐射力与波长有 关。即在同一温度下， 当波长不同时，其光 谱辐射力不同； • 光谱辐射力与温度有 关。即在同一波长下， 当温度不同时，其光 谱辐射力不同,而且温 度越高，同样条件下 光谱辐射力越大； • 每条曲线下的面积表 示相应温度下黑体的 辐射力。
辐射力和光谱辐射力的关系
• 由上面的图可以看出，物体的辐射力和光谱辐 射力之间存在着如下的关系
热辐射的机理
• 由于物体内部微观粒子在不停的进行着热运动，当其 运动状态发生改变时会激发出电磁波，从而产生热量 的传递。 • 只要物体的温度高于“绝对零度”，物体内部的分子 就在不停地进行热运动，就会不断地产生电磁波，向 外发出热辐射。 • 同时，物体也不断地吸收周围物体投射到它上面的热 辐射，并把吸收的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，只是其辐射换热量等于零。
dAc rd r sin d d 2 r r2 sin dd
不同方向辐射能的定义
• En—物体单位面积、单位时间、单位立体角沿 法线方向辐射的能量； • E—物体单位面积、单位时间、单位立体角沿 方向辐射的能量。 • 则根据实验观察，可以发现，物体法线方向辐 射出去的能量最多，而随着离开法线方向角度 的增加，辐射能逐渐减小，到平面的切线方向 时，辐射能量为零。 • 所以不同方向辐射能具有如下的关系
Fb 1
2
1
0
1 1 2 0 Eb d 0 Eb d Fb 0 2 Fb 0 1 4 Eb d T
Eb d
Eb T 4 Fb1 2
兰贝特定律
• 该定律要表述的是物体发射的辐射能与方向之 间有无关系？ • 如有，是什么样的关系？ • 为了说明辐射能在空间不同方向上的分布规律， 我们要引入一个新的概念—立体角。 • 为了理解立体角的概念，先来复习平面角。
对斯蒂芬—玻尔兹曼定律的说明
• 该定律中的 称为斯蒂芬—玻尔兹曼常数。
5.67 108 W/m2 K4
• 工程上为计算方便，常把上式改写为
T Eb C0 100
4
• C0 5.67W/m2 K4 称为黑体辐射系数。
某一波段内辐射力的计算
不同方向定向辐射强度的定义
• 定向辐射强度的定义：单位时间、单位可见辐 射面积、单位立体角内的辐射能称为定向辐射 强度，并记为 L W/m2 sr • 法线方向的定向辐射强度:单位时间、单位可 见辐射面积、单位立体角内法线方向的辐射能 称为法线方向定向辐射强度，并记为Ln • 方向的定向辐射强度 ：单位时间、单位可见 辐射面积、单位立体角内 方向的辐射能称为 方向的定向辐射强度，并记为 L
E E d
0
• 对于黑体，其关系为
Eb Eb d
0
普朗克定律
• 普朗克定律揭示了黑体的辐射能力按波长分布 的规律，说明了黑体的单色辐射力与波长和温 度的关系。根据量子理论可以得到普朗克定律 的表达形式为
Eb
ec2 / T 1
c15
• 式中， 1 3.7421016 W m2 称为第一辐射常数 c c2 1.4388102 m K 称为第二辐射常数
第一节 热辐射的基本概念
• 辐射是电磁波传递能量的现象。 • 按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率 的电磁波。高频振荡电路产生的电波就是一种 电磁波。此外还有红外线、可见光、紫外线、 X射线及γ 射线等各种电磁波。 • 由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射 （热辐射这一名词有时也指热辐射传递能量的 过程）。
黑体在辐射换热中的作用
• 黑体在热辐射分析中有其特殊的重要性。 • 下节的讨论将表明：在相同温度的物体中，黑 体的辐射能力最大。 • 在研究黑体辐射的基础上，我们处理其他物体 辐射的思路是：把其他物体的辐射和黑体辐射 相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后 确定必要的修正系数，本章下面的讨论将按照 这一思路来进行。
物体对热射线的反应
• 当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见 光一样，物体也会对热辐射发生吸收、反射和 穿透现象。 • 插入图：物体对热辐射的吸收、反射和穿透 • 根据能量守恒定律有
Q Qa Q Q
Qa Q Q 1 Q Q Q
几个定义
Q 被物体吸收的辐射能 • 吸收比： 外界投入到该物体上的 能量 Q
E En cos W/ m2 sr
兰贝特定律的表达式
• 上述这种表示漫射表面的辐射能按不同方向的 分布规律，称为兰贝特定律，或称为余玄定律。 由该定律可知，物体向各个方向发射的辐射能 是不同的，法线方向最大，而切线方向最小。 • 兰贝特定律的表达式为
E En cos W/ m2 sr
如计算黑体在 1 2 区段的辐射力，即 Eb
Eb Eb d Eb d Eb d
1
0 0
2
2
1
Fb 0
2
0
Eb d
0
T E 1 b Eb d d T f T 4 0 5 0 T Eb d T
热辐射的特点
• 热辐射具有一般辐射现象的共性。 • 例如，各种电磁波都以光速在空间传播，这是 电磁波辐射的共性，热辐射也不例外。 • 电磁波的速度、波长和频率之间存在如下的关 系： c f
m/s c ：电磁波的传播速度， ；
s ：频率， 1； （微米），。 ：波长，单位为m ，常用单位为 μm
第七章 热辐射基本 定律及物体的 辐射特性
• 热辐射是三种基本热量传递方式之一。 • 热辐射是通过电磁波来传递能量的。 • 热辐射的机理与导热和对流不同，它是非接触 式的热量传递。 • 本章，我们将首先从电磁辐射的观点来认识热 辐射的本质及辐射能量传递过程中的一些特点， 然后着重讨论热辐射的几个基本定律，最后介 绍实际物体（固体和液体）的辐射特性，以便 为下一章讨论辐射的计算打下基础。
Q 被物体反射的辐射能 • 反射比： 外界投入到该物体上的 能量 Q
Q 穿过物体的辐射能 • 穿透比： 外界投入到该物体上的 能量 Q
不同物体对热辐射的反应
• 对某一物体而言，当 辐射能投入到其表面 后，一定满足 • 当物体为固体或液体 时，满足 • 当物体为气体时，满 足
斯蒂芬—玻尔兹曼定律
• 该定律表示的是黑体的辐射力与温度之间的关 系。 • 根据辐射力与光谱辐射力的定义，可以知道两 者之间有一定的关系，即
Eb Eb d
0 0
e c 2 / T 1
c15
d T 4
• 此关系说明，黑体的辐射力只与温度有关，而 且与温度的四次方成正比，所以该定律也称为 四次方定律。
人工黑体
• 尽管在自然界并不存在黑体，但用人工的方法 可以制造出十分接近黑体的模型。 • 选用吸收比小于1的材料制造一个空腔，并在 空腔壁面上开一个小孔,再设法使空腔壁面维持 均匀的温度，这时空腔上的小孔就具有黑体的 特性。这种带有小孔的温度均匀的空腔就是一 个黑体的模型。 • 小孔面积占空腔内壁总面积的份额越小，小孔 的吸收比就越高。若小孔占内壁面积小于0.6％， 当内壁吸收比为0.6时，计算表明，小孔的吸收 比可大于0.996。 • 演示：黑体模型
各个方向辐射能不同的原因
• 为什么各个方向的辐射能分布不同呢？ • 这主要是因为发射辐射能的物体面积 dA 在半球 空间各个方向上的投影面积 dA' 不同，或者说可 见辐射面积不同而造成的。 • 对于辐射面积 dA ，其在各个方向的投影面积 dA' • 两者的关系可表述为：
其在法线方向的可见辐 射面积dA' dA 其在方向的可见辐射面积 ' dAcos dA
a 1
a 百度文库 1
a 1
几种特殊表面的定义
• 绝对黑体：吸收比为1的物体称为绝对黑体， 简称黑体。 • 透热体（透明体）：透射比为1的物体称为透 热体或透明体。 • 绝对白体：反射比为1的物体称为绝对白体或 者镜体，当物体表面为漫反射表面时称为绝对 白体；当物体表面为镜反射表面时称为镜体。
维恩定律
• 维恩定律表述的是最大光谱辐射力所对应的波 长与温度之间的关系。此关系为
mT 2.897103 m K 2.9103 m K
• 说明，温度与最大光谱辐射力所对应的波长成 反比。所以，当温度增加时，最大光谱辐射力 所对应的波长变短，即向短波方向移动。所以 维恩定律也称为维恩位移定律。 • 该定律是通过普朗克定律对 m 求导数并令其 为零而得到的。
平面角的定义和计算
• 定义：以角端为圆心画任意半径的园，则任意 段的弧长与半径之比称为该弧长所对用的平面 角。 • 计算：根据定义可以计算平面角
s r
• 平面角的单位是 rad（弧度）
立体角的定义和计算
• 定义：以立体角的角端为中心画一个任意半径 的半球，在半球表面上任意一块面积与半径平 方之比，称为该面积对应的立体角，简称立体 角。 • 计算：
红外线的分类和应用
• 红外线又有远红外和近红外之分，大体上以25 为限，波长在25以下的红外线称为近红外线， 25以上的称为远红外线。 • 20世纪70年代初期发展起来的远红外加热技术， 就是利用远红外线来加热物体的。 • 远红外线可穿过塑料、玻璃及陶瓷制品，但却 会被像水那样的具有极性分子的物体所吸收， 在物体内部产生热源，从而使物体比较均匀的 得到加热。 • 各类食品中的主要成分是水，因而远红外加热 是一种比较理想的加热手段。
对普朗克定律的解释
• 普朗克定律说明的是黑体的光谱辐射力随温度 和波长的变化关系。 • 当温度一定时，黑体的光谱辐射力随波长的增 加，其变化为先增后减，有一个最大值。 • 该最大值对应的波长用 m 表示。 • 当温度增加时，最大光谱辐射力所对应的波长 逐渐变小，即向短波方向移动。 • 温度与 m 的关系可由维恩定律来表述。
电磁波的波谱
• 电磁波的波长范围成为电磁波的波谱。 • 在整个波谱范围内可以将电磁波进行命名。
• 插入波谱图。
• 从理论上说，物体热辐射的电磁波也可以包括 整个波谱，即波长从零到无穷大。
热射线的波长范围
• 从理论上说，物体热辐射的电磁波也可以包括 整个波谱，即波长从零到无穷大。 • 然而，在工业上所遇到的温度范围内，即 2000K以下，有实际意义的热辐射波长位于 0.38～100之间，且大部分能量位于红外线区段 的0.76～20范围内，所以热射线人们的眼睛是 看不见的。 • 如果我们把温度的范围扩大到太阳辐射。情况 就会有变化。太阳的表面温度大约微5800K， 太阳辐射的主要能量集中在0.2～2的波长范围， 其中可见光区段占有很大的比重。
维恩定律的应用
• 实际物体的光谱辐射力按波长分布的规律与普 朗克定律是不同的，但定性上是一致的。 • 所以，我们可以应用维恩位移定律来解释，对 一个物体进行加热时，为什么随着加热温度的 提高，被加热物体会出现由暗红、鲜红、橘黄 直至白炽等颜色的变化。 • 金属在不同的温度下呈现的各种颜色，说明了 随着温度的升高，热辐射中可见光及可见光中 短波的比例不断增加。
第二节 黑体辐射的基本定律
• 本节着重介绍黑体辐射的三个基本定律， 它们分别是： （1）表征黑体总辐射能力的斯蒂芬——玻 耳兹曼定律； （2）表征黑体在某一波长时辐射能力大小 的普朗克定律； （3）表征黑体在某一方向上辐射能力大小 的兰贝克定律。
两个基本概念
• 辐射力——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，称为物体的辐射力，辐射力用符号E 表示，其单位为 W/m2。对于黑体，辐射力用 Eb 表示。辐射力从总体上表征了物体发射辐射能 的本领。 • 光谱辐射力（单色辐射力）——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 的在包含 的单位波长范围内的辐射能，称为 光谱辐射力，用符号 E 表示，其单位为 W/m 3 。 黑体的光谱辐射力用 Eb 表示。
• 光谱辐射力与波长有 关。即在同一温度下， 当波长不同时，其光 谱辐射力不同； • 光谱辐射力与温度有 关。即在同一波长下， 当温度不同时，其光 谱辐射力不同,而且温 度越高，同样条件下 光谱辐射力越大； • 每条曲线下的面积表 示相应温度下黑体的 辐射力。
辐射力和光谱辐射力的关系
• 由上面的图可以看出，物体的辐射力和光谱辐 射力之间存在着如下的关系
热辐射的机理
• 由于物体内部微观粒子在不停的进行着热运动，当其 运动状态发生改变时会激发出电磁波，从而产生热量 的传递。 • 只要物体的温度高于“绝对零度”，物体内部的分子 就在不停地进行热运动，就会不断地产生电磁波，向 外发出热辐射。 • 同时，物体也不断地吸收周围物体投射到它上面的热 辐射，并把吸收的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，只是其辐射换热量等于零。
dAc rd r sin d d 2 r r2 sin dd
不同方向辐射能的定义
• En—物体单位面积、单位时间、单位立体角沿 法线方向辐射的能量； • E—物体单位面积、单位时间、单位立体角沿 方向辐射的能量。 • 则根据实验观察，可以发现，物体法线方向辐 射出去的能量最多，而随着离开法线方向角度 的增加，辐射能逐渐减小，到平面的切线方向 时，辐射能量为零。 • 所以不同方向辐射能具有如下的关系
Fb 1
2
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1 1 2 0 Eb d 0 Eb d Fb 0 2 Fb 0 1 4 Eb d T
Eb d
Eb T 4 Fb1 2
兰贝特定律
• 该定律要表述的是物体发射的辐射能与方向之 间有无关系？ • 如有，是什么样的关系？ • 为了说明辐射能在空间不同方向上的分布规律， 我们要引入一个新的概念—立体角。 • 为了理解立体角的概念，先来复习平面角。
对斯蒂芬—玻尔兹曼定律的说明
• 该定律中的 称为斯蒂芬—玻尔兹曼常数。
5.67 108 W/m2 K4
• 工程上为计算方便，常把上式改写为
T Eb C0 100
4
• C0 5.67W/m2 K4 称为黑体辐射系数。
某一波段内辐射力的计算
不同方向定向辐射强度的定义
• 定向辐射强度的定义：单位时间、单位可见辐 射面积、单位立体角内的辐射能称为定向辐射 强度，并记为 L W/m2 sr • 法线方向的定向辐射强度:单位时间、单位可 见辐射面积、单位立体角内法线方向的辐射能 称为法线方向定向辐射强度，并记为Ln • 方向的定向辐射强度 ：单位时间、单位可见 辐射面积、单位立体角内 方向的辐射能称为 方向的定向辐射强度，并记为 L
E E d
0
• 对于黑体，其关系为
Eb Eb d
0
普朗克定律
• 普朗克定律揭示了黑体的辐射能力按波长分布 的规律，说明了黑体的单色辐射力与波长和温 度的关系。根据量子理论可以得到普朗克定律 的表达形式为
Eb
ec2 / T 1
c15
• 式中， 1 3.7421016 W m2 称为第一辐射常数 c c2 1.4388102 m K 称为第二辐射常数
第一节 热辐射的基本概念
• 辐射是电磁波传递能量的现象。 • 按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率 的电磁波。高频振荡电路产生的电波就是一种 电磁波。此外还有红外线、可见光、紫外线、 X射线及γ 射线等各种电磁波。 • 由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射 （热辐射这一名词有时也指热辐射传递能量的 过程）。
黑体在辐射换热中的作用
• 黑体在热辐射分析中有其特殊的重要性。 • 下节的讨论将表明：在相同温度的物体中，黑 体的辐射能力最大。 • 在研究黑体辐射的基础上，我们处理其他物体 辐射的思路是：把其他物体的辐射和黑体辐射 相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后 确定必要的修正系数，本章下面的讨论将按照 这一思路来进行。
物体对热射线的反应
• 当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见 光一样，物体也会对热辐射发生吸收、反射和 穿透现象。 • 插入图：物体对热辐射的吸收、反射和穿透 • 根据能量守恒定律有
Q Qa Q Q
Qa Q Q 1 Q Q Q
几个定义
Q 被物体吸收的辐射能 • 吸收比： 外界投入到该物体上的 能量 Q
E En cos W/ m2 sr
兰贝特定律的表达式
• 上述这种表示漫射表面的辐射能按不同方向的 分布规律，称为兰贝特定律，或称为余玄定律。 由该定律可知，物体向各个方向发射的辐射能 是不同的，法线方向最大，而切线方向最小。 • 兰贝特定律的表达式为
E En cos W/ m2 sr
如计算黑体在 1 2 区段的辐射力，即 Eb
Eb Eb d Eb d Eb d
1
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热辐射的特点
• 热辐射具有一般辐射现象的共性。 • 例如，各种电磁波都以光速在空间传播，这是 电磁波辐射的共性，热辐射也不例外。 • 电磁波的速度、波长和频率之间存在如下的关 系： c f
m/s c ：电磁波的传播速度， ；
s ：频率， 1； （微米），。 ：波长，单位为m ，常用单位为 μm
第七章 热辐射基本 定律及物体的 辐射特性
• 热辐射是三种基本热量传递方式之一。 • 热辐射是通过电磁波来传递能量的。 • 热辐射的机理与导热和对流不同，它是非接触 式的热量传递。 • 本章，我们将首先从电磁辐射的观点来认识热 辐射的本质及辐射能量传递过程中的一些特点， 然后着重讨论热辐射的几个基本定律，最后介 绍实际物体（固体和液体）的辐射特性，以便 为下一章讨论辐射的计算打下基础。
Q 被物体反射的辐射能 • 反射比： 外界投入到该物体上的 能量 Q
Q 穿过物体的辐射能 • 穿透比： 外界投入到该物体上的 能量 Q
不同物体对热辐射的反应
• 对某一物体而言，当 辐射能投入到其表面 后，一定满足 • 当物体为固体或液体 时，满足 • 当物体为气体时，满 足
斯蒂芬—玻尔兹曼定律
• 该定律表示的是黑体的辐射力与温度之间的关 系。 • 根据辐射力与光谱辐射力的定义，可以知道两 者之间有一定的关系，即
Eb Eb d
0 0
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• 此关系说明，黑体的辐射力只与温度有关，而 且与温度的四次方成正比，所以该定律也称为 四次方定律。
人工黑体
• 尽管在自然界并不存在黑体，但用人工的方法 可以制造出十分接近黑体的模型。 • 选用吸收比小于1的材料制造一个空腔，并在 空腔壁面上开一个小孔,再设法使空腔壁面维持 均匀的温度，这时空腔上的小孔就具有黑体的 特性。这种带有小孔的温度均匀的空腔就是一 个黑体的模型。 • 小孔面积占空腔内壁总面积的份额越小，小孔 的吸收比就越高。若小孔占内壁面积小于0.6％， 当内壁吸收比为0.6时，计算表明，小孔的吸收 比可大于0.996。 • 演示：黑体模型
各个方向辐射能不同的原因
• 为什么各个方向的辐射能分布不同呢？ • 这主要是因为发射辐射能的物体面积 dA 在半球 空间各个方向上的投影面积 dA' 不同，或者说可 见辐射面积不同而造成的。 • 对于辐射面积 dA ，其在各个方向的投影面积 dA' • 两者的关系可表述为：
其在法线方向的可见辐 射面积dA' dA 其在方向的可见辐射面积 ' dAcos dA
a 1
a 百度文库 1
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几种特殊表面的定义
• 绝对黑体：吸收比为1的物体称为绝对黑体， 简称黑体。 • 透热体（透明体）：透射比为1的物体称为透 热体或透明体。 • 绝对白体：反射比为1的物体称为绝对白体或 者镜体，当物体表面为漫反射表面时称为绝对 白体；当物体表面为镜反射表面时称为镜体。
维恩定律
• 维恩定律表述的是最大光谱辐射力所对应的波 长与温度之间的关系。此关系为
mT 2.897103 m K 2.9103 m K
• 说明，温度与最大光谱辐射力所对应的波长成 反比。所以，当温度增加时，最大光谱辐射力 所对应的波长变短，即向短波方向移动。所以 维恩定律也称为维恩位移定律。 • 该定律是通过普朗克定律对 m 求导数并令其 为零而得到的。
平面角的定义和计算
• 定义：以角端为圆心画任意半径的园，则任意 段的弧长与半径之比称为该弧长所对用的平面 角。 • 计算：根据定义可以计算平面角
s r
• 平面角的单位是 rad（弧度）
立体角的定义和计算
• 定义：以立体角的角端为中心画一个任意半径 的半球，在半球表面上任意一块面积与半径平 方之比，称为该面积对应的立体角，简称立体 角。 • 计算：
红外线的分类和应用
• 红外线又有远红外和近红外之分，大体上以25 为限，波长在25以下的红外线称为近红外线， 25以上的称为远红外线。 • 20世纪70年代初期发展起来的远红外加热技术， 就是利用远红外线来加热物体的。 • 远红外线可穿过塑料、玻璃及陶瓷制品，但却 会被像水那样的具有极性分子的物体所吸收， 在物体内部产生热源，从而使物体比较均匀的 得到加热。 • 各类食品中的主要成分是水，因而远红外加热 是一种比较理想的加热手段。
对普朗克定律的解释
• 普朗克定律说明的是黑体的光谱辐射力随温度 和波长的变化关系。 • 当温度一定时，黑体的光谱辐射力随波长的增 加，其变化为先增后减，有一个最大值。 • 该最大值对应的波长用 m 表示。 • 当温度增加时，最大光谱辐射力所对应的波长 逐渐变小，即向短波方向移动。 • 温度与 m 的关系可由维恩定律来表述。