传热学传热学C Heat Transfer第八章第八章 辐射传热辐射传热传热学传热学C Heat Transfer8-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念一、辐射及热辐射一、辐射及热辐射 辐射辐射是物体通过电磁波传递能量的现象。是物体通过电磁波传递能量的现象。 辐射有很多种形式，它们的区别是导致发射电辐射有很多种形式，它们的区别是导致发射电磁波的激励方式不同，而外在表现是辐射的波长不磁波的激励方式不同，而外在表现是辐射的波长不一样，以及吸收该辐射能量后引起的效应不同。一样，以及吸收该辐射能量后引起的效应不同。 热辐射热辐射是物体由于热的原因所产生的辐射。它是物体由于热的原因所产生的辐射。它的作用：物体吸收辐射能后将其转变成自身的内能。的作用：物体吸收辐射能后将其转变成自身的内能。波长范围：波长范围：0.10.1100mm传热学传热学C Heat Transfer传热学传热学C Heat Transfer可见光的波长范围：可见光的波长范围：0.380.380.76mm紫紫 蓝蓝 青青 绿绿 黄黄 橙橙 赤赤传热学传热学C Heat Transfer二、辐射与导热、对流的区别二、辐射与导热、对流的区别 1.1.传递方式不同传递方式不同 导热和对流需要媒介，辐射换热不需要中间介质。导热和对流需要媒介，辐射换热不需要中间介质。2. 2. 辐射换热过程存在能量形式的转换辐射换热过程存在能量形式的转换热能热能电磁能电磁能电磁能电磁能热能热能3. 3. 辐射表面具有方向性和选择性辐射表面具有方向性和选择性 辐射换热属于表面的物理过程，在换热表面的不辐射换热属于表面的物理过程，在换热表面的不同方向强度不一定相同，且与波长分布有关。同方向强度不一定相同，且与波长分布有关。传热学传热学C Heat Transfer三、吸收、反射和透射三、吸收、反射和透射 周围物体在单位时间内投周围物体在单位时间内投射到物体单位表面积上的辐射射到物体单位表面积上的辐射能。用能。用G表示，单位表示，单位W/m2 。1 1、投射辐射投射辐射 被被物物体体吸吸收收、反反射射和和透透射射的的部部分分所所占占总总投投射射辐辐射射的份额分别称为吸收比的份额分别称为吸收比 、反射比、反射比 和透射比和透射比 。2 2、吸收比、反射比和透射比、吸收比、反射比和透射比传热学传热学C Heat Transfer 视物体表面状况（平整程度）和投入辐射的波视物体表面状况（平整程度）和投入辐射的波长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。3 3、镜反射和漫反射、镜反射和漫反射 漫反射是把来自任意方向、任意波长的投入辐漫反射是把来自任意方向、任意波长的投入辐射以均匀的强度（不是射以均匀的强度（不是“能量能量”）反射到半球空间）反射到半球空间所有方向上去。所有方向上去。(a)(a)镜反射镜反射(b)(b)漫反射漫反射注：除了经特殊处理的金属表面，大注：除了经特殊处理的金属表面，大 部分工程材料均可视为漫射表面。部分工程材料均可视为漫射表面。传热学传热学C Heat Transfer 吸收比吸收比 = 1= 1的物体称为黑体。的物体称为黑体。4 4、黑体、白体和透明体、黑体、白体和透明体 黑体、白体和透明体都是理想物体，自然界中黑体、白体和透明体都是理想物体，自然界中并不存在，主要用它们作为研究辐射规律的参照物。并不存在，主要用它们作为研究辐射规律的参照物。特别是黑体的概念，是整个热辐射研究和工程应用特别是黑体的概念，是整个热辐射研究和工程应用的理论基础。的理论基础。 反射比反射比 = 1= 1的物体称为白体（或镜体）。的物体称为白体（或镜体）。 透射比透射比 = 1= 1的物体称之为透明体。的物体称之为透明体。 传热学传热学C Heat Transfer四、辐射力和有效辐射四、辐射力和有效辐射1 1、辐射力辐射力 在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有方向发射的全部波长范围内的辐射能称为辐射力，方向发射的全部波长范围内的辐射能称为辐射力，用符号用符号E表示，单位为表示，单位为W/m2。传热学传热学C Heat Transfer2 2、有效辐射、有效辐射 单位时间离开单位面积的总辐射能为有效单位时间离开单位面积的总辐射能为有效辐射，记为辐射，记为J J 。传热学传热学C Heat Transfer五五、定向辐射度、定向辐射度(1) (1) 立体角立体角 是指球面上的面积是指球面上的面积与球心所对应的空间角与球心所对应的空间角度度。立体角的单位叫球立体角的单位叫球面度，用面度，用SrSr表示。表示。 传热学传热学C Heat Transfer(2) (2) 可见辐射面积可见辐射面积可见辐射可见辐射面积面积是指从空间某方向所看到是指从空间某方向所看到的表面有效面积。如右图的表面有效面积。如右图中的可见辐射面积为：中的可见辐射面积为：传热学传热学C Heat Transfer(3) (3) 定向辐射度定向辐射度 单位时间内单位时间内, ,单位可见辐射面积在空间指定方单位可见辐射面积在空间指定方向的单位立体角内所发出的总辐射能量。向的单位立体角内所发出的总辐射能量。传热学传热学C Heat Transfer8-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律一、黑体与黑体模型一、黑体与黑体模型 黑体是吸收比等于黑体是吸收比等于1 1的理想物体。它具有同温度的理想物体。它具有同温度下辐射能力最大的性质。下辐射能力最大的性质。 尽管在自然界并不存在黑体，但用人工的方法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于黑体的模型。如：空腔上的可以制造出十分接近于黑体的模型。如：空腔上的小孔。小孔。传热学传热学C Heat Transfer二、普朗克定律二、普朗克定律普朗克定律普朗克定律: :确定了黑体辐射的光谱分布规律。确定了黑体辐射的光谱分布规律。C C1 1普朗克第一常数普朗克第一常数，C C1 1= 3.742= 3.7421010-16-16 W m2 ; ;C C2 2普朗克第二常数普朗克第二常数， C C2 2 = 1.439= 1.4391010-2-2 m K。 传热学传热学C Heat Transfer二、普朗克定律二、普朗克定律光谱辐射力：光谱辐射力：传热学传热学C Heat Transfer根根据据黑黑体体辐辐射射曲曲线线可可以以得以下规律：得以下规律：(1) (1) 温温度度愈愈高高，同同一一波波长下的光谱辐射力愈大；长下的光谱辐射力愈大；(2) (2) 在在一一定定的的温温度度下下，黑黑体体的的光光谱谱辐辐射射力力随随波波长长连连续变化，并在某一波长下具有最大值；续变化，并在某一波长下具有最大值；(3) (3) 随随着着温温度度的的升升高高，光光谱谱辐辐射射力力取取得得最最大大值值的的波波长长 maxmax愈愈来来愈愈小小，即即在在 坐坐标标中中的的位位置置向向短短波波方方向向移动。移动。 传热学传热学C Heat Transfer维恩位移定律维恩位移定律 mK计算温度分别为计算温度分别为300K和和5800K时最大光谱辐射力所时最大光谱辐射力所对应的波长对应的波长 maxmax。传热学传热学C Heat Transfer三、斯忒藩三、斯忒藩- -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩- -波波尔兹曼定律：尔兹曼定律：传热学传热学C Heat Transfer波段范围内辐射力的计算波段范围内辐射力的计算为了计算上式，先计算为了计算上式，先计算（0 0 ) )的辐射占总辐射的辐射占总辐射力的百分比力的百分比：表表8-28-2给出了黑体辐射函数表，即给出了黑体辐射函数表，即 f( T)的数值。的数值。传热学传热学C Heat TransferT/(mK)Fb(0-)/%T/(mK)Fb(0-)/%10001100120013001400150016001700180019002000220024002600280030000.03230.09160.2140.4340.7821.2901.9792.8623.9465.2256.69010.1114.0518.3422.8227.36650070007500800085009000950010000120001400016000180002000022000240002600077.6680.8383.4685.6487.4789.0790.3291.4394.5196.2997.3898.0898.5698.8999.1299.30传热学传热学C Heat Transfer例题：计算太阳辐射中可见光所占的比例例题：计算太阳辐射中可见光所占的比例。解：太阳可认为是表面温度为解：太阳可认为是表面温度为T = 5762 K的黑体，的黑体，可见光的波长范围是可见光的波长范围是0.380.76 m ，即，即 1 = 0.38 m , 2 = 0.76 m , 于是于是 mKmK由黑体辐射函数表可查得由黑体辐射函数表可查得 可见光所占的比例为可见光所占的比例为 传热学传热学C Heat Transfer一、实际物体的光谱辐射力一、实际物体的光谱辐射力 和光谱发射率和光谱发射率8-3 实际物体和灰体的辐射实际物体和灰体的辐射传热学传热学C Heat Transfer二、实际物体的辐射力二、实际物体的辐射力 和发射率和发射率传热学传热学C Heat Transfer三、实际物体的定向辐射度三、实际物体的定向辐射度 和定向发射率和定向发射率几种非金属材料的定向发射率几种非金属材料的定向发射率几种金属材料的定向发射率几种金属材料的定向发射率传热学传热学C Heat Transfer部分常见材料表面的法向发射率部分常见材料表面的法向发射率传热学传热学C Heat Transfer四、实际物体的光谱吸收比四、实际物体的光谱吸收比设下标设下标1 1、2 2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体则物体1 1的吸收比为的吸收比为传热学传热学C Heat Transfer物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。还与投入辐射按波长的能量分布有关。传热学传热学C Heat Transfer 实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长有选实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长有选择性这一情况给辐射换热的工程计算带来很多不便。择性这一情况给辐射换热的工程计算带来很多不便。五、灰体五、灰体 光谱吸收比与波长光谱吸收比与波长无关的理想物体称为灰无关的理想物体称为灰体。体。 在在红外线红外线的辐射范围内大多数工程材料可以当的辐射范围内大多数工程材料可以当作灰体处理。作灰体处理。传热学传热学C Heat Transfer六、基尔霍夫定律六、基尔霍夫定律 基尔霍夫定律给出基尔霍夫定律给出了实际物体辐射能力与了实际物体辐射能力与吸收能力的关系。吸收能力的关系。列出处于热平衡时，实际列出处于热平衡时，实际物体物体2 2的能量收支关系。的能量收支关系。热平衡时：热平衡时：传热学传热学C Heat Transfer七、关于基尔霍夫定律和灰体的几点说明七、关于基尔霍夫定律和灰体的几点说明1 1、根据基尔霍夫定律，物体的辐射能力越大，其、根据基尔霍夫定律，物体的辐射能力越大，其吸收能力也越大。换句话，善于辐射的物体必善于吸收能力也越大。换句话，善于辐射的物体必善于吸收。吸收。2 2、对于工程问题而言，只要在所研究的波长范围、对于工程问题而言，只要在所研究的波长范围内光谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定是内光谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定是成立的。成立的。 3 3、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体当作灰体处理。把物体当作灰体处理。传热学传热学C Heat Transfer8-4 角系数的定义、性质和计算角系数的定义、性质和计算一、角系数的定义一、角系数的定义 两个表面的辐射换热两个表面的辐射换热量与两个表面之间的相量与两个表面之间的相对位置有很大关系。如对位置有很大关系。如图所示：图所示： 我们把从表面我们把从表面1 1发出发出的辐射能中落到表面的辐射能中落到表面2 2上上的百分数的百分数, ,称为表面称为表面1 1对对表面表面2 2的角系数的角系数, ,记为记为X X1,21,2 表面表面1 1表面表面2 2传热学传热学C Heat Transfer二、角系数的性质二、角系数的性质1 1、角系数的相对性、角系数的相对性对于两个黑体表面：对于两个黑体表面：传热学传热学C Heat Transfer 在几个表面组成的封在几个表面组成的封闭系统中，任一个表面闭系统中，任一个表面对封闭腔各个表面的角对封闭腔各个表面的角系数之和等于系数之和等于1 1。2 2、角系数的、角系数的完整性完整性传热学传热学C Heat Transfer3 3、角系数的分解性、角系数的分解性传热学传热学C Heat Transfer4 4、代数法求代数法求角系数角系数 利用角系数的相对性、完整性及可加性来获得利用角系数的相对性、完整性及可加性来获得角系数的方法。角系数的方法。传热学传热学C Heat Transfer传热学传热学C Heat Transfer8-5 两个表面间的辐射换热两个表面间的辐射换热一、黑体表面间的辐射换热计算一、黑体表面间的辐射换热计算 空间辐射热阻空间辐射热阻表面表面1 1表面表面2 2传热学传热学C Heat Transfer二、有效辐射二、有效辐射 单位时间离开单位面单位时间离开单位面积的总辐射能为有效辐积的总辐射能为有效辐射，记为射，记为J J 。 物体表面与外间的辐物体表面与外间的辐射换热量与有效辐射射换热量与有效辐射J J 之间的关系：之间的关系：表面辐射热阻表面辐射热阻传热学传热学C Heat Transfer 采用有效辐射的概念，任意两个表面的辐射换采用有效辐射的概念，任意两个表面的辐射换热量可表示成：热量可表示成：三、两个漫灰表面组成封闭系统的辐射换热三、两个漫灰表面组成封闭系统的辐射换热空间辐射热阻空间辐射热阻传热学传热学C Heat Transfer 采用有效辐射的概念，任意两个表面的辐射换采用有效辐射的概念，任意两个表面的辐射换热量可表示成：热量可表示成：三、两个漫灰表面组成封闭系统的辐射换热三、两个漫灰表面组成封闭系统的辐射换热传热学传热学C Heat Transfer三、两个漫灰表面组成封闭系统的辐射换热三、两个漫灰表面组成封闭系统的辐射换热若是两个表面组成封闭若是两个表面组成封闭系统，则：系统，则： 称为系统黑度称为系统黑度 传热学传热学C Heat Transfer习题：习题：8-78-7，8-178-17，8-308-30