传输原理教案 (第10章) 传热

W2/Sm r （10-15）
（1）可以证明，Ip＝Im =In=…=I （黑体定向辐射强度）（10-16）
即：黑体定向辐射强度在半球的各个方向上相等。
第二篇 ： 热量传输
第十章 辐射换热 p218
本章概括：
1. 热辐射是物体因本身的温度，以电磁波的形式 向外界发射能量的现象，是热量传递的三种基本方式 之一。
2. 研究热辐射的意义：在现代科学技术的许多传 热过程中，辐射换热起着重要的，甚至是主导的作用， 需要进行准确的辐射换热计算。
3. 本章主要内容：（1）辐射概念；基本定律； （2）黑体；实际物体辐射换热计算方法； （3）气体 辐射特点。
应用：
C0－黑体辐射 系数
利用 Stefan-Boltzman定律，只要知道黑体表面的温度， 即可求出黑体在该温度下的辐射力。
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10.3.4. 基尔霍夫 (Kirchhoff) 定律
实际物体1（非黑体） 包在黑体大空腔内，二者处于热 平衡。对于非黑体物1，黑体投来的辐射为Eb，非黑体
1
吸收率为，非黑体吸收了Eb，非黑体辐射出E1。两
（10-8）
C1＝ 3.74310-6 C2 ＝1.438710-2
观察上图：每条曲线下的面积表示某个温度下黑体的辐射力。 辐射力 Eb 随黑体温度的升高而增大。
Eb2hc2ehCkT 5 1
某温度下：
Eb
0 Ebd
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10.3.2 维恩(Wien)位移定律
黑体辐射中, 能量最大的波长m 与绝对温度成反比。
位于0.76~20 μ m
4
3 吸收率，反射率，穿透率
设辐射到物体表面的总能量 Q， 其中：物体吸收Qα, 反射Qρ, 穿透Qτ， 则有：
Q= Qα+Qρ+Qτ
即：
Q Q Q 1 QQQ
(1 01)
令 Q
Q
(吸收率)
Q Q
(反射率)
Q Q
(穿透率)
则α+ρ+τ=1
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注意几点：
（1）固体、液体在其表面下1μm～1mm之间可以将辐射能吸收 完毕，并且转化为热能。
1
10.1 热辐射的基本概念
1. 热辐射的本质
（1）辐射——物体中分子（原子）受激发而以电磁波的形式释 放能量的现象，称为辐射。电磁波携带的能量称为辐射能。
（2）任何物体都随时向周围空间发射电磁波，因热的原因，以 电磁波方式释放能量，即热辐射。
（3）只要物体温度高于绝对零度，就会产生热辐射。以热辐射 的方式进行物体间的热量传递，称为辐射换热。
3
3. 电磁波谱 （波长λ）
热射线：能被物体吸收而转变成热能的辐射线称Hale Waihona Puke Baidu热射线。
热射线包括紫外线，可见光和红外线三个波段。
可见光: 0.4 ~ 0.78 μm 紫外线: 10-2 ~ 0.4 μ m 红外线: 0.8 ~ 50 μ m
2000K以下，热辐射波长一般位于0.38~100μ m，其中大部分
（4）辐射换热中伴随能量转换：物质受热激发起原子的复杂运 动，进而向外以电磁波的形式发射并传播的能量。接受这种 电磁波的物体又将吸收的辐射能转变成热能。
2
2. 辐射换热与导热、对流换热有本质的区别：
（1）热辐射所发射的辐射能取决于物体的温度， 温度越高，辐射越强。
（2）热辐射不依赖于物质的媒介作用，是一种非 接触的传热方式，因此热辐射是真空中唯一的传递 热量的方式。
（2）实际厚度一般 远大于此，可以认为固液体不能透过热辐射， 热辐射全部被吸收或者反射，穿透率=0，即α + ρ = 1
（3）对固体和液体的辐射、吸收、反射特性的影响因素：物体 表面材料的性质、表面状态、覆盖层厚度、温度等。
（4）辐射能的反射情况决定于热辐射波长λ与表面不平整尺寸Δ 的相对大小。 λ <Δ时，属于漫反射。 λ >Δ时，属于镜面反射。
m T 2 .8 9 7 6 1 0 3 2 .9 1 0 3m /k
利用Wien位移定律，测得黑体表面最大的单色辐射力波长m时， 就可以由之估算出表面温度。 例： 太阳辐射m＝0.5m， T＝2.910-3 / 0.510-6＝5800K (太阳表面温度)
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10. 3. 3 斯特藩（Stefan）-玻尔兹曼（Boltzman）定律
基尔霍夫 (Kirchhoff) 定律的推论：
1. 物体的发射力和吸收率成正比。吸收力越大则辐射力也越 大。（反之亦然）
2. 相同温度下，黑体辐射力最强。
又因
＝EEb ,
= E
Eb
所以吸收率 ＝黑度
热平衡时，物体对黑体辐射的 吸收率等于同温度下该物体的 黑度。
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10.3.5. 兰贝特(Lambert)定律------黑体辐射能在空间的分布
（5）气体的辐射和吸收在整个容器中进行，气体对辐射能几乎 没有反射能力（吸收一部分，穿透一部分）。
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10.3 辐射基本定律
10.3.1. 普朗克定律 （Plangck, 1900）
普郎克定律表明：黑体辐射能按照波 长的分布规律。或者说黑体单色辐射 力Ebλ随波长和温度而变化的函数。
黑体辐射能与波 长、温度的关系 依据式（10-8） 绘制而成。
(1) 定向辐射强度 Ip （辐射强度）
在单位时间、单位可见面积、单位立体角内，辐射的能量叫 做定向辐射强度。
Ipdc F do p Q s d
2W Sr(1 /-m 105)
Qp 为任意p方向(与法线夹角) 上辐射的热流率。
F s 是立体角（球面上表 r 2 面积与球半径平方之
比）。
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IpdF cdoQ psd
者达到平衡。
由1的任意性，得： E1 1 E2 2 E3 3... EEb
（10-13） （基尔霍夫定律表达式）
基尔霍夫 (Kirchhoff) 定律的结论：
体系处于热平衡时，任何物体的辐射力E 和 吸收率 的 比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。与物性无关，而仅仅取 决于温度。
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E1 1 E2 2 E3 3... EEb （10-13 基尔霍夫定律）
(10-8) 带入（10-9）得到： E b0 E b d0 e C C 21 T 5 1d ...
积分上式得 斯特藩－玻
尔兹曼定律（10-11）：
E b b T 4 , b 5 . 6 7 1 0 8W /m 2 K 4
O R : E b C 0 1 T 0 0 T 4 , C 0 5 .6 7W /m 2 K 4