传热学V4-第八章-热辐射基本定律和辐射特性

第八章 热辐射基本定律和辐射特性
传热学 Heat Transfer
Shanghai Jiao Tong University
8-1 热辐射的基本概念 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； 辐射传热：物体间通过相互热辐射与吸收传递热量的过程。 热辐射的特点： 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； 无需介质，可以在真空中传播。 辐射传热与导热、对流传热的区别（回忆：the barn is on fire!） 无需任何的介质； 伴随能量形式的转变（发射时热能转变为辐射能，吸收时辐射能转变为热能）； 辐射能力正比于热力学温度的四次方； 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 ) 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
c1λ
−5
−1
dλ = σT 4
σ= 5.67×10-8 W/(m2⋅K4)
温度提高一倍，辐射力增加16倍
λ2
1
特定波段的黑体辐射力：
∆Eb = ∫λ Ebλ dλ
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8-2 黑体热辐射基本定律 黑体辐射函数：特定波段黑体辐射力与相同温度下全波段黑体辐射力σT4的百分比。
8-2 黑体热辐射基本定律 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）
Ebλ =
c1λ−5 ec
2
( λT )
−1
λ— 波长，m； T — 黑体温度，K； c1 — 第一辐射常数，3.7419×10-16 W⋅m2； c2 — 第二辐射常数，1.4388×10-2 m⋅K；
工业领域温度范围（<2000K）的热射线: λ＝0.76～20µm
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8-1 热辐射的基本概念 物体对热辐射的吸收、反射与穿透： 可见光、声波、热射线 能量守恒
Q = Qα + Qρ + Qτ
Qα Qρ Qτ ⇒ + + =1 Q Q Q ⇓ ⇓ ⇓
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8-2 黑体热辐射基本定律 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。 温度越高，黑体的光谱辐射力越大； 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）：
光谱发射率：实际物体光谱辐射力与同温度黑体光谱辐射力的比值。
ε (λ ) =
Eλ E bλ
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8-3 实际固体和液体的辐射特性
发射率：实际物体辐射力与同温度黑体辐射力的比值。 Emission from Real Surface vs. Blackbody Directional distribution Spectral distribution Total, hemisphere
可见光（λ＝0.38～0.76µm） 红外线（λ＝0.76～1000µm ） 微波（λ＝1mm～1m ） 计及太阳辐射（5800K）的热射线: λ＝0.1～100µm
High-energy physicist / nuclear engineer Electrical engineer
Thermal engineer
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8-2 黑体热辐射基本定律 热辐射的能量表示参数：
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？
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） 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)； （亦称为半球光谱辐射力）
特定波段的黑体辐射力＝黑体辐射函数×黑体辐射力σT4
Eb ( λ1 −λ2 ) = Fb ( λ1 −λ2 ) Eb = Fb ( λ1 −λ2 )σT 4
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8-2 黑体热辐射基本定律 黑体辐射力定义为半球空间的总能量，如何描述半球空间不同方向的辐射能量分布？
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8-1 热辐射的基本概念 电磁波：交变电磁场在空间的传播。与弹性介质中的机械波不同，电磁波的传播不需要 介质，且传播速度等于光速。 电磁波传播速度、频率与波长的关系： c = fλ 电磁波频谱： 真空 c＝3×108 m/s
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8-3 实际固体和液体的辐射特性 第一章 由于实际物体的辐射能力小于同温度下的黑体，实际物体引入发射率（黑度）ε 实际物体: 实际物体
E = εEb = εσTs4 Φ = εσATs4
(W)
dΩ立体角内的辐射力（定向辐射力）：
dE =
B
dΦ (θ ) = I cos θ dAdΩ
黑体定向辐射力与定 向辐射强度的关系
C
黑体辐射能的空间分布（定向辐射力）不均匀， 在法向最大，切向最小。
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E =
∫
∞
0
Eλdλ
辐射力是光谱辐射力曲线下的总面积 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 黑体辐射三大定律：普朗克定律、斯忒潘-玻耳兹曼定律、兰贝特定律
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λmT = 2.8976 × 10−3 m ⋅ K
The sun emits approximately as a blackbody at 5800K, the maximum emission is in the visible spectral region. A tungsten filament lamp operating at 2900K emits white light, but most of the emission remains in the infrared region. The luminous efficiency is poor. During the steel-making procedure, the surface color of the steel ingot will vary from red to white with increasing temperature, Why?
兰贝特定律： 揭示了黑体辐射能的空间分布特性 立体角：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)，
Ω=
Ac r2
半球面立体角 ＝2π （sr）
球面微元立体角
dAc dΩ = 2 = sin θ dθ dϕ r
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(W/m2)
0 ≤ ε ≤1
黑体 ε＝1
Blackbody Methodology
surface emissivity
Real surface
Eb = σT
4 s
ε=
E Eb
E = εσTs4
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8-2 黑体热辐射基本定律 半球空间所有波长辐射能量的总和（半球辐射力E）：
Eb = ∫
Ω = 2π
I b cos θ dΩ = I bπ
遵守兰贝特定律的黑体辐射，半球辐射力等于定向辐射 强度的π倍。 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
8-2 黑体热辐射基本定律
dA cos θ
dΩ
dΦ (θ ) dA cos θdΩ
定向辐射强度：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。
I (θ ) =
[W /( m 2 sr )]
兰贝特定律： 黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。
I(θ)＝I＝const
辐射面积 Vs 可见辐射面积 A
定向发射率ε (θ)：实际物体定向辐射强度与同温度黑体定向辐射强度的比值 ：
ε (θ ) =
I (θ ) I (θ ) = I b (θ ) Ib
Emission from Real Surface vs. Blackbody Directional distribution Spectral distribution Total, hemisphere