熱輻射及輻射換熱.ppt

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1、第六章熱輻射及輻射換熱1第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性§6-1熱輻射的基本概念1.熱輻射特點(1)定義：由熱運動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量；(2)特點：a任何物體，只要溫度高于0K，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b可以在真空中傳播；c伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d具有強烈的方向性；e輻射能與溫度和波長均有關(guān)；f發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。2.電磁波譜電磁輻射包含了多種形式，如圖6.5-1所示，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.1~100μm。電磁波的傳播速度：c=fλ式中：f—頻率，s-1;λ—波長，μm2第七章熱輻射

2、基本定律及物體的輻射特性電磁輻射波譜圖6-13第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性當熱輻射投射到物體表面上時，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖6.5-2所示。3.物體對熱輻射的吸收、反射和穿透圖6.2物體對熱輻射的吸收反射和穿透4第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性對于大多數(shù)的固體和液體：對于不含顆粒的氣體：對于黑體：鏡體或白體：透明體：反射又分鏡反射和漫反射兩種圖6-3鏡反射圖6-4漫反射5第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性1.黑體概念黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學假想的物體，現(xiàn)實生活中是不存在的。但

3、卻可以人工制造出近似的人工黑體。圖6-5黑體模型§6-2黑體輻射的基本定律6第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性輻射力E：單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和。(W/m2)；光譜輻射力Eλ：單位時間內(nèi)，單位波長范圍內(nèi)(包含某一給定波長)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。(W/m3)；2.熱輻射能量的表示方法E、Eλ關(guān)系:顯然，E和Eλ之間具有如下關(guān)系：黑體一般采用下標b表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的光譜輻射力為Ebλ7第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性3.黑體輻射的三個基本定律及相關(guān)性質(zhì)式中，λ—波長，m；T

4、—黑體溫度，K；c1—第一輻射常數(shù)，3.6.542×10-16W?m2；c2—第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2W?K；(1)Planck定律(第一個定律)：圖6.5-6是根據(jù)上式描繪的黑體光譜輻射力隨波長和溫度的依變關(guān)系。λm與T的關(guān)系由Wien位移定律給出，圖6-6Planck定律的圖示8第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性(2)Stefan-Boltzmann定律(第二個定律)：式中，σ=5.66.5×10-8w/(m2?K4)，是Stefan-Boltzmann常數(shù)。(3)黑體輻射函數(shù)黑體在波長λ1和λ2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力，如圖6.5

5、-6.5所示：圖6-6.5特定波長區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力9第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性定義：球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面度)，如圖6.5-8和6.5-9所示：(4)立體角黑體輻射函數(shù):10第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性圖6-8立體角定義圖11第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性圖6-9計算微元立體角的幾何關(guān)系12第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性定義：單位時間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向的單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長的能量，參見圖6.5-10。(5)定向輻射強度L(?,?)：圖6-10定向輻射強度的定義圖

6、(6)Lambert定律(黑體輻射的第三個基本定律)它說明黑體的定向輻射力隨天頂角?呈余弦規(guī)律變化，見圖6-11，因此，Lambert定律也稱為余弦定律。13第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性圖6-11Lambert定律圖示沿半球方向積分上式，可獲得了半球輻射強度E:14第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性§6-3實際固體和液體的輻射特性1發(fā)射率前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強，包括所有方向和所有波長；真實物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；因此，定義了發(fā)射率(也稱為黑度)?：相同溫度下，實際物體的半球總輻射力與黑

7、體半球總輻射力之比:15第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性上面公式只是針對方向和光譜平均的情況，但實際上，真實表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。WavelengthDirection(anglefromthesurfacenormal)16第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性因此，我們需要定義方向光譜發(fā)射率，對于某一指定的方向(?,?)和波長?對上面公式在所有波長范圍內(nèi)積分，可得到方向總發(fā)射率，即實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比：17第七章熱輻射基本定律及物體的輻射特性對于指定波長，而在方向上平均的情況，則定義了半球光譜發(fā)射率，

8、即實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比這樣，前面定義的半球總發(fā)射率則可以寫為：半球總發(fā)射率是對所有方向和所有波長下的平均18第七章