热辐射原理及计算..

(2) Stefan-Boltzmann law(四次方定律)
——黑体辐射能力Eb与T 间的关系
Eb


0
Eb d


C15
C2 T
0
d f (T )
e
4
1
T Eb 0T 4 C0 100 0 5.67 108 W / m 2 K 4 C0 5.67W / m K
0, Eb 0; , Eb 0
紫外灾难
Eb Eb ,max ; Eb ;
② T↑ ，Ebλ，max移向波长较短的方向 ③ 等温线下的面积→黑体的辐射能力Eb 另外：
m T 2.9 10
－3
由于地表温度和太阳表面温度的差异，使 得二者辐射波长不同，又由于大气层中的 CO2吸收地球辐射波，导致温室效应。
T E Eb C0 100
ε：是物体本身的特性
4
ε由实验测定
物体的性质； 温度； 表面状况(表面粗糙度、氧化程度)。
(4) Kirchhoff law
——灰体辐射能力与吸收能力间(E～A)的关系
数学表达式：
E1 E2 Eb f T A1 A2
A
即：任何灰体的辐射能力与吸收率之比恒等于同一温
度下绝对黑体的辐射能力。
或：
同一灰体吸收率与其黑度在数值上必相等。 ε ↑→A↑→E↑
Kirchhoff law推导的假设条件：
两无限大的平行平壁——两壁面间距离<<壁面尺寸； 其中一壁面1——灰体T1、E1、A1<1；另一壁面2——黑体T2、Eb、Ab=1； T1>T2，两壁面间为透热体(D=1)，系统对外绝热。 E1
(2)热辐射对物体的作用——A、R、D 当热辐射的能量投射在某一物体上时，其总能量Q： 被吸收QA； 被反射QR；
穿透物体QD。
Q QA QR QD
QA QR QD 1 Q Q Q A QA / Q
R QR / Q D QD / Q
① 黑体、镜体、透过体、灰体
A R D 1
A<1，E<Eb 且 A= ε
3 物体间的辐射传热
——讨论两灰体间的辐射传热 (1) 两灰体间辐射传热过程的复杂性(与灰体—黑体间辐射传热对比)
2 4
Eb T 4
黑体的辐射系数
由四次方定律：Eb对T敏感，T↑，热辐射起主导作用。
(3) 灰体的辐射能力E — ε
将Stefan-Boltamann law用于灰体：
T E C 100
ε=E/Eb
4
C：灰体辐射系数；
定义： 物体的黑度ε 为 同温度下灰体与黑体的辐射能力之比，即
2 固体的辐射能力
定义：
表征固体发射辐射能的本领
物体在一定温度下，单位时间、单位表面积所发出 全部波长的总能量。 E（J/m2· s，即W/m2）
单色辐射能力：在一定温度下，物体发射某种波 长的能力，记作：Eλ(W/m3)
E dE E lim 0 d
(1) Planck law
物体的A、R、D→其大小取决于： 物体的性质； 表面状况； 温度； 投射辐射线的波长。
灰体——能以相同吸收率吸收所有波长范围辐射能的物体；
特点： A与辐射线波长无关，即物体对投入辐射的吸收 率与外界无关；
不透过体，A+R=1 →工业上常见固体材料(0.4～ 20 μm)。 (3) 辐射传热 物体之间相互辐射与吸收辐射能的传热过程。
热辐射
Heat Radiation
Keywords: Radiation heat transfer, Emissivity,Absorptivity,
Reflectivity, Transmissivity, Pranck law, Stefan-Boltamann law, Kirchhoff law
主要内容：
热辐射的基本概念、基本定律；
辐射传热计算的基本方法。 作业：练习题4-12, 4-13
1 热辐射的基本概念
(1) 热辐射 (T↑，热辐射↑)
物体因热Байду номын сангаас原因，对外以电磁波形式向外发出辐射能→ 吸收→热能。
① 热辐射机理的定性描述： 物体受热后→其中某些原子or 分子“激发态”，从激 发态 → 低能态→能量就以电磁波辐射的形式发射出来。
E E d
0

——黑体的单色辐射能力Ebλ随波长λ、温度T的变化规律
Eb
e
C2 / T
C1
5
1
f ( , T )
Ebλ T3 T2 T1 λ
T3 T2 T1
式中： Ebλ——黑体的单色辐射能力，W/m2； T —— 黑体的绝对温度，K； C1—— 常数，其值为3.743×10-16，W· m2； C2—— 常数，其值为1.4387×10-2，m· K。 从图中可见： ① 对应于每一温度T→均为一条能量分布曲线；
理想物体，作为实际物体一种比较标准→简化辐射传热计算。
黑体(绝对黑体)：A=1，R=D=0→辐射与吸收能力max，
在热辐射的分析与计算中具有特殊重要性。 镜体(绝对白体)：R=1，A=D=0；
能全部反射辐射能，且入射角等于反射角(正常反射)。
透过体(绝对透过体)：D=1，A=R=0；能透过全部辐射能的物体。 实际上： 对 无光泽的黑体表面，A=0.96～0.98——接近黑体； 磨光的铜表面，R=0.97——近似镜体； 单原子or对称双原子气体，D↑——视为透过体。
Kirchhoff law推导过程：
对壁面1，辐射传热的结果即两壁面辐射传热的热通量q为： Eb A1Eb
q E1 A 1 Eb
推广到任意灰体，有：
当两壁面达到热平衡时，T1=T2 → q=0 → E1=A1Eb→ E1/A1=Eb
E1 E2 Eb f T A1 A2
② 热射线
自发
可见光线(波长：0.4～0.8μm——T↑↑，热效应明显) 红外光线(波长：0.8～20 μm——多数具有实际意义 热辐射波长→决定作用)
③ 热射线的特点：
与可见光一样，服从反射与折射定律。
在均质介质中→直线传播； 在真空、多数气体中→完全透过；
在工业上常见的多数固体or液体中→不能透过。