传热学-7热辐射的基本定律

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1、第七章热辐射基本定及物体的辐射特性§7-1热辐射的基本概念一.热辐射本质及特点１、基本概念辐射：发射辐射能是各类物质的固有特性。当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。热辐射:由于自身温度或热运动的原因面激发产生的电磁波传播，就称热辐射。２、特点：①不需要物体直接接触。热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，而且在真空中辐射能的传递最有效。②在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的转化。辐射：辐射体内热能→辐射能；吸收：辐射能→受射体内热能③只要温度大于零就有能量辐射。不仅高温物体

2、向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能，④物体的辐射能力与其温度性质有关。与绝对温度的四次方成正比。３、电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图7-1所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1－100μm。电磁波的传播速度：C=fλ式中：f—频率，s-1;λ—波长，μm电磁辐射波谱图7-1当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图7-2所示。3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透图7.2物体对热辐射的吸收反射和穿透对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：为研究辐射特性可提出以下理想辐射

3、模型：黑体：α=1ρ=0τ=0；白体：α=0ρ=1τ=0；透明体：α=0ρ=0τ=1自然界和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白体和透明体虽然并不存在，但和它们根相象的物体却是有的。例如，煤炭的吸收比达到0.96，磨光的金子反射比几乎等于0.98，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。但是，在分析实际物体表面的吸收、反射和透过特性的时候，必须非常谨慎地对待波长，尤其要注意不能以肉眼的直观感觉来判断某物体吸收比的高低。在理解上述基本概念时，应注意以下几个问题：⑴镜反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。镜面反射：入射角=反射角，表面粗糙度<波长漫反

4、射：表面粗糙度>波长⑵物体的颜色。关键在于是物体本身发射可见光还是物体反射可见光。⑶理想辐射模型均是对全波长而言的。图7-4漫反射图7-3镜反射黑体具有最大的吸收力(α=1)，同时亦具有最大的辐射力(ε=1)。在实际物体中不存在绝对黑体，为此引出人工黑体，如图所示。具有一个小孔的等温空腔表面，若有外部投射辐射从小孔进入空腔内，必将在其内表面经历无数次的吸收和反射，最后能够从小孔重新选出去的辐射能量必定微乎其微。认为几乎全部入射能量都被空腔吸收殆尽。从这个意义上讲，小孔非常接近黑体的性质。1.黑体概念黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体

5、，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。图7-5黑体模型§7-2黑体辐射的基本定律辐射力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)；从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。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)；2.热辐射能量的表示方法E、Eλ关系:显然，E和Eλ之间具有如下关系：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Ebλ3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质式中，λ—波

6、长，m；T—黑体温度，K；c1—第一辐射常数，3.742×10-16Wm2；c2—第二辐射常数，1.4388×10-2WK；(1)普朗克Planck定律(第一个定律)(1900年）：图7-6Planck定律的图示黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系分析:⑴在一定温度下，黑体在不同波长范围内辐射能量各不相同。⑵维恩位移定律：随着温度T增高，最大单色辐射力Ebλ,max所对应的峰值波长λmax逐渐向短波方向移动,λmax*T=2897.6μK。⑶黑体T<1400K，辐射大部分能量集中在λ=0.76-10μm内，从而可以忽略可见光。常温下，实际物体

7、的辐射主要是红外辐射。维恩Wien位移定律（1893热力学理论得出）λm与T的关系由Wien位移定律给出：维恩位移定律的发现在普朗克定律之前，但可以通过将普朗克定律对λ求导得到。例题7-1试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大单色辐射力所对应的波长。解：应用Wien位移定律T=2000K时max=2.910-3/2000=1.45mT=5800K时max=2.910-3/5800=0.50m常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)式

8、中，σ=5.67×10-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。1879年S