传热学第八章热辐射基本定律和辐射特性PPT课件

Shanghai Jiao Tong University
8-1 热辐射的基本概念 物体对热辐射的吸收、反射与穿透：
传热学 Heat Transfer
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） 一般工程材料表面均为漫反射
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传热学 Heat Transfer
8-1 热辐射的基本概念
热辐射的基本属性：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
Era d f(,,T)
频谱分布特性
方向性分布特性
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传热学 Heat Transfer
8-2 黑体热辐射基本定律
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）：
m T2.897 1 6 0 3m 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?
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传热学 Heat Transfer
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”。
QQ Q Q
Q Q Q 1 QQQ
能量守恒
1
式中α、ρ和τ 分别为吸收比、反射比和穿透比
理想辐射体
黑体：α＝1 镜体（白体）： ρ＝ 1 透明体： τ＝1
对于大多数的固体和液体： 0, 1 对于不含颗粒的气体： 0, 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
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第八章 热辐射基本定律和辐射特性
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8-1 热辐射的基本概念
传热学 Heat Transfer
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
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传热学 Heat Transfer
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 真空 c＝3×108 m/s
电磁波频谱：
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
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；Era d f(,,T)
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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。Ebλ＝f（λ,T）
Eb
c15
ec2 (T) 1
λ— 波长，m； T — 黑体温度，K； c1 — 第一辐射常数，3.7419×10-16 Wm2； c2 — 第二辐射常数，1.4388×10-2 mK；
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。
辐射换热的基本研究方法：将真实物体 的辐射与黑体进行比较和修正，通过实 验获得修正系数，从而获得真实物体的 热辐射规律。
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
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）
E
0
Ed
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
Thermal engineer
Electrical engineer 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
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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：
传热学 Heat Transfer
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）