第七章——传热学课件PPT
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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。
• 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。
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
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。
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
• 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；
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）。
的总量，称为物体的辐射力，辐射力用符号E
表表示 示， 。其 辐单 射位 力为从总W体/m2上。表对征于了黑物体体，发辐射射辐力射用能Eb 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/m3 。 黑体的光谱辐射力用 Eb 表示。
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。
• 当物体为气体时，满 足
a 1
a 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。
• 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。
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 QQQ
系：
c f
c ：电磁波的传播速度，m/s ；
• f ：频率，s1； • ：波长，单位为m ，常用单位为 μm（微米），。
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。
几个定义
•
吸收比：
被物体吸收的辐射能 外界投入到该物体上的 能量
Q Q
•
反射比：
被物体反射的辐射能 外界投入到该物体上的 能量
Q Q
•
穿透比：
Baidu Nhomakorabea
穿过物体的辐射能 外界投入到该物体上的
能量
Q 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
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。
• 演示：黑体模型
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。
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。
• 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。
• 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。
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
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。
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
• 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；
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）。
的总量，称为物体的辐射力，辐射力用符号E
表表示 示， 。其 辐单 射位 力为从总W体/m2上。表对征于了黑物体体，发辐射射辐力射用能Eb 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/m3 。 黑体的光谱辐射力用 Eb 表示。
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。
• 当物体为气体时，满 足
a 1
a 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。
• 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。
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 QQQ
系：
c f
c ：电磁波的传播速度，m/s ；
• f ：频率，s1； • ：波长，单位为m ，常用单位为 μm（微米），。
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。
几个定义
•
吸收比：
被物体吸收的辐射能 外界投入到该物体上的 能量
Q Q
•
反射比：
被物体反射的辐射能 外界投入到该物体上的 能量
Q Q
•
穿透比：
Baidu Nhomakorabea
穿过物体的辐射能 外界投入到该物体上的
能量
Q 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
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。
• 演示：黑体模型
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。
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。