材料加工冶金传输原理最新版精品课件传热部分-第六章 热辐射基础

一般工程材料表面均为漫反射
5. 辐射传热计算的特点
¾辐射能力正比于热力学温度的四次方；
¾ 发射和吸收不仅与自身的温度和表面状况相关，还取决
于波长和方向；
Erad = f (λ,θ ,T )
频谱分布特性
方向性分布特性
第二节 黑体辐射和吸收的基本性质
一、物体辐射的表征能力 二、黑体辐射的基本定律 三、黑体的吸收特性
3.兰贝特定律
兰贝特定律：漫辐射表面表面沿半球空间各方向上，定
向辐射强 度均相等。 Iϕ = const.
黑体表面就是漫辐射表面。
兰贝特定律揭示了黑体辐射 能的空间分布特性
Ib,ϕ = const.
“灯泡亮度”，即从不同方向看过 去，其亮度都是一样的。
3.兰贝特定律
黑体定向辐射力与定向辐射强度的关系
第六章 热辐射基础
§6‐1 辐射换热的基本概念 §6‐2 黑体辐射和吸收的基本定律
§6‐3 实际物体的辐射和吸收
第一节 辐射的基本概念
热辐射、辐射换热、镜反射、漫反射、发 射率、吸收率、辐射的光谱特性和方向性。
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1. 热辐射的概念
热辐射：由物体内部微观粒子热运动产生的，以电磁波 形式传递的能量； 热辐射的特点： ¾任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间 发出热辐射； ¾ 无需介质，可以在真空中传播。
λ1
λ2
λ
黑体的E bλ已知，代入上式即可计算黑体的波段辐 射力。
4.黑体波段辐射力的计算
∫ ΔEb =
λ E d λ2
λ1 bλ
∫ ∫ ΔEb
=
λ2 0
Ebλdλ－
λ1 0
Ebλ
dλ
∫ ΔEb(0−λ ) =
λ 0
e
c1λ−5
− c2 /(λT )
dλ
1
特定波长区段内的黑体辐射能
工程上求解问题的思路：复杂的问题简单化。 办法：引入黑体辐射函数。
r2
dϖ
=
dAc r2
= sinθ dθ dϕ
半球面立体角 ω＝2π（sr）
一、物体辐射能力的表征
4) 定向辐射强度 I(θ)：单位时间、单位可见辐射面积辐射的
在单位立体角内的辐射能量。
9单位可见辐射面积：沿P方向发
射的辐射能，dA的可见面积就是
其在与P垂直方向的投影面积。 n p
θ
dA
n方向：可见面积为dA p方向：可见面积为dA·cosθ θ=90°，可见面积为0
` 1896，Wien的半理论半经验公式，符合短波段， 在长波段与实验显著不符。
` 著名的瑞利-金斯公式，在长波段与实验结果吻合 得很好。但在高频部分（紫外短波）遇到了无法克 服的困难——“紫外灾难”。
` 1900年，普朗克从量子假说出发，获得了与实际 情况在整个光谱段完全符合的黑体辐射能量光谱分 布公式——普朗克定律。
d
λT
=
f (λT )
Fb(0- λ)是(λT)的单值函数
4.黑体波段辐射力的计算
黑体辐射函数表
4.黑体波段辐射力的计算
Eb(λ1−λ2 ) = F E b(λ1−λ2 ) b = (Fb(0−λ2 ) − Fb(0−λ1 ) )Eb
∫ ΔEb =
∞ λ
Ebλ dλ
=？
∫ ∫ ΔEb =
∞ 0
Ebλ
E＝∫ Eθ dϖ = ∫ ∫ Iθ cosθ sinθdβdθ
0
θ =0 β =0
B C
二、黑体辐射的基本定律
1.理想表面——黑体
黑体： 吸收比α＝1 ，能够全部吸收各种波长热辐射能的理
想物体。在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大。
黑体模型 内壁吸收比0.6时，如果小孔与内 壁面积比小于0.6％，则该模型的 吸收比 >0.996，近似为黑体
【思考题】察“颜”观“色”
【思考题】察“颜”观“色”
• 温度↑→短波长的电 磁波的比例↑。
• 加热铁块，随着温度 的升高： 开始不发光
→暗红（800K） →鲜红（1000K） →橙色（1200K） →亮白色（1400K）。
例6-1：试分别计算温度为2000K和5800K的黑 体的最大光谱辐射力所对应的波长λm 。
对于大多数的固体和液体：τ = 0 , α + ρ = 1 对于不含颗粒的气体： ρ = 0 , α + τ = 1
辐射表面的状况影响大
辐射表面的状况影响小， 容器的形状影响大
4. 物体表面对热辐射的作用
辐射表面的状况对固体、液体辐射能的反射
镜面反射 （表面粗糙度< 波长）
漫反射 （表面粗糙度> 波长）
1.普朗克定律
1）普朗克定律 ： 揭示了黑体辐射能的光谱特性，即黑
体的光谱辐射力Ebλ 随波长和温度变化的规律。Ebλ＝f
（λ,T）
9 温度越高，黑体的光谱辐射力
越大；
9 一定温度下，黑体的光谱辐射 力随波长的增加而“先增后减”。
对应黑体最大光谱辐射力的波长λm 与温度的关系（维恩位移定律）：
λmT = 2.8976 ×10−3 m ⋅ K
[小结] 黑体辐射力的基本定律
Planck定律: 给出了特定波长下的辐射力； Stefan-Boltzmann定律: 给出了一切波长下的总辐射力； Lambert定律：描述了辐射能量按空间方向分布的规律； Wien位移定律： 给出了单色辐射力峰值波长λm与温度T 的
关系
三、黑体的吸收特性
吸收比是表示物体吸收入射辐射的能力。
吸收比可分为以下四种： ① 对来自一切方向和所有波长的入射辐射的吸收
比，称之为总吸收比(简称吸收比); ② 对来自一切方向的某一波长的入射辐射的吸收
解：按 λmT = 2.9 ×10−3 m ⋅ K 计算：
当
T=2000K
时
，λm
=
2.9×10−3 m ⋅ K 2000K
= 1.45×10−6 m
当T=5800K时，
λm
= 2.9×10−3 m ⋅ K 5800K
Hale Waihona Puke = 0.5×10−6 m工业上一般高温辐射（2000K内）:红外线区段(0.76μm~1000μm)， 太阳辐射（5800K）:可见光区段(0.38μm~0.76μm)。
一、物体辐射能力的表征
4) 定向辐射强度 I(θ)：单位时间、单位可见辐射面积辐射的
在单位立体角内的辐射能量。
dA cosθ
I = dΦ
[W /(m2sr)]
A
dA cosθdϖ
黑体定向辐射力与定向辐射强度的关系
dEθ
=
dΦ dAdΩ
=
Iθ
cosθ
黑体定向辐射力与辐射力的关系
2π
θ =π 2 β =2π
一、物体辐射能力的表征
1) 总辐射力 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)；（亦称为半球 辐射力，注意单位）
E = d Φ / dA (W/m2)
半球空间： dA辐射是向着它的上方各个方向
的。如在上方做个半球，则dA发出的 辐射能全部要通过这个半球空间，所 以我们称dA以上的空间为半球空间。
一、物体辐射能力的表征
3) 方向辐射力 （定向辐射力）Eφ：单位时间内，每单位辐 dA
射面积向半球空间中某一方向上单位立体角内辐射的所有
波长的辐射量。 (W/m2sr)；
dEφ
=
dΦ (θ ) dAd ϖ
dϖ [W /(m2sr)]
9立体角：球面面积除以球半径的平方称为立体角，sr(球面度)，
ω = Ac
` 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Ebλ
二、黑体辐射的基本定律
一定温度下单位面积黑体辐射的总能量＝？ 总能量中各个波段的能量分别占多少比例？ 辐射能在空间是如何分布的？
普朗克定律 黑体辐射三大定律： 斯忒潘-玻耳兹曼定律
兰贝特定律
1.普朗克定律
` 热辐射基础理论研究中的最大挑战在于确定黑体辐 射的光谱能量分布。
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【红外热成像仪】温度高于0K的物体就会发射红外辐射。红 外热成像仪可以接收目标各部位辐射的红外能量并将其转换 为温度信息。红外测温的优点：不接触、响应快、分辨率高 等显著优点。
2. 斯忒潘-玻耳兹曼定律
斯忒潘-玻耳兹曼定律：揭示了黑体辐射能的特性，即黑体 的辐射力Eb随波长和温度变化的规律。
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【思考题】白炽灯发光效率
“换盏灯，爱地球” 白炽灯它的发光效率到底有多低？
可见光波段的辐射能
η发光 =
总辐射能
×100%
波段辐射力的计算！
4.黑体波段辐射力的计算
波段辐射力：物体在某个特定 Eλ 的波段范围内发出的辐射能。
∫ ΔE(λ1−λ2 ) =
λ2 λ1
Eλ
d
λ
(W/m2)
这一波长区段的电磁波最容 易被物体吸收转化为热能
3.辐射传热
辐射传热：物体间通过相互热辐射与吸收传递热量的过程。
辐射传热与导热、对流传热的区别 ¾ 无需任何的介质； ¾ 伴随能量形式的转变：
内能→辐射能→ →辐射能→内能 A 物体（发射） B 物体（吸收） ； ¾辐射传热量是物体间相互辐射与吸收的动态平衡(当物体 间处于热平衡时，净辐射换热量等于零，但是相互间的辐 射与吸收仍在进行)。注意热辐射与辐射传热的概念区别
热辐射具有一般电磁辐射现象的共性。各种电磁波都以光速 在空间传播，其具有的能量与波长（频率）有关。
电磁波传播速度、频率与波长的关系：