1、第七章輻射傳熱與管式加熱爐第一節熱輻射的根本概念一、熱輻射的特性一、熱輻射的特性二、熱輻射的吸收、反射和透過二、熱輻射的吸收、反射和透過三、黑體的定義三、黑體的定義四、物體的輻射才干、輻射強度四、物體的輻射才干、輻射強度在傳送過程中不需求任何介質；在傳送過程中不需求任何介質；熱輻射過程中不僅有熱量的轉移過程，而熱輻射過程中不僅有熱量的轉移過程，而 且還有能量方式的轉換；且還有能量方式的轉換；任何物質，只需任何物質，只需T TK K，均可輻射熱量；，均可輻射熱量；一、熱輻射的特性一、熱輻射的特性第一節熱輻射的根本概念輻射：用電磁波傳送能量的過程輻射：用電磁波傳送能量的過程特點：特點：電磁輻射波譜

2、：電磁輻射波譜：輻射線稱號輻射線稱號宇宙射線宇宙射線伽馬射線伽馬射線倫琴射線倫琴射線紫外線紫外線可見光可見光紅外線紅外線無線電波無線電波波長波長/m /m 1 110-7 10-7 1 110-10-1 110-5 10-5 1 110-510-52 210-2 10-2 2 210-210-20.38 0.38 0.380.380.76 0.76 0.760.761 1103 103 1 11031032 21010 1010 熱射線熱射線第一節熱輻射的根本概念二、熱輻射的吸收、反射和透過：二、熱輻射的吸收、反射和透過： 定義：定義：= Q/Q = Q/Q 吸收率吸收率 = Q/Q = Q/

3、Q 反射率反射率 = Q/Q = Q/Q 透過率透過率第一節熱輻射的根本概念吸收率吸收率、反射率、反射率和透過率和透過率 Q= Q+ Q+ Q或 Q/Q + Q/Q + Q/Q=1+=1+=1闡明：闡明：a. a. 凡是擅長反射的物體就一定不能很好的吸收熱輻射；凡是擅長反射的物體就一定不能很好的吸收熱輻射；b.b.對熱射線的反射和吸收有艱苦影響的，不是外表的顏色，對熱射線的反射和吸收有艱苦影響的，不是外表的顏色，而是外表的情況；而是外表的情況；c.c.鏡反射；漫反射鏡反射；漫反射d.=1d.=1，=0=0，全反射體，又稱絕對白體或鏡體；，全反射體，又稱絕對白體或鏡體； =1 =1，=0=0：透

4、明體，如空氣；：透明體，如空氣； =1 =1，=0=0：黑體：黑體第一節熱輻射的根本概念三、黑體的定義：三、黑體的定義：黑外表：能全部吸收投射到它外表上的熱輻射的外表。黑外表：能全部吸收投射到它外表上的熱輻射的外表。黑體：具有黑外表的物體，稱為絕對黑體，或簡稱黑體：具有黑外表的物體，稱為絕對黑體，或簡稱 黑體，用下標黑體，用下標“0 0表示表示 闡明：自然界中并不存在真正的絕對黑體；闡明：自然界中并不存在真正的絕對黑體； 黑體模型：黑體模型：第一節熱輻射的根本概念四、物體的輻射才干、輻射強度：四、物體的輻射才干、輻射強度： 物體的輻射才干物體的輻射才干E E定義：物體單位外表積、單位時間向半球

5、空間一切方向發射定義：物體單位外表積、單位時間向半球空間一切方向發射的全部波長的全部波長=0=0的總輻射能，稱為物體的輻射才干的總輻射能，稱為物體的輻射才干又稱半球輻射才干或本身輻射又稱半球輻射才干或本身輻射dAdQE W/m2 W/m2 闡明：闡明：E E與外表的性質、溫度有關：與外表的性質、溫度有關：TETE；一樣的溫度下，黑體的輻射才干最大。一樣的溫度下，黑體的輻射才干最大。第一節熱輻射的根本概念定義：物體在定義：物體在至至+的波段內的輻射才干的波段內的輻射才干 W/m3W/m3闡明：闡明：EE反映了物體的輻射才干隨反映了物體的輻射才干隨0-0-的分布情況：的分布情況：ddEElimE0

6、EEf f波長，波長，T T，外表情況，外表情況0dEE第一節熱輻射的根本概念單色輻射才干單色輻射才干E：立體角：物體外表立體角：物體外表dAdA對輻射面所張開的角度對輻射面所張開的角度立體角的大小為球面面積立體角的大小為球面面積dAdA與球的半徑與球的半徑R2R2的比值，單位為球的比值，單位為球面度，以面度，以SrSr表示表示第一節熱輻射的根本概念立體角和輻射強度立體角和輻射強度輻射強度：物體單位外表積、單位時間內向空間單位輻射強度：物體單位外表積、單位時間內向空間單位立體角所發射的全部波長的輻射能立體角所發射的全部波長的輻射能 W/(m2sr)闡明：闡明：dd物體向給定方向發射能量所占據的

7、立物體向給定方向發射能量所占據的立體角，體角，srsr球面度；球面度； E E與與I I的關系為：的關系為：ddEdAdQdI220IdE第一節熱輻射的根本概念第二節 黑體輻射的根本定律一、一、 普朗克普朗克PlanckPlanck定律定律 黑體輻射才干按波長的分布規律黑體輻射才干按波長的分布規律二、二、 斯蒂芬斯蒂芬- -波爾茲曼波爾茲曼Stefan-BoltzmanStefan-Boltzman定律定律 黑體輻射才干與溫度的關系黑體輻射才干與溫度的關系三、三、 蘭貝特蘭貝特LambertLambert定律余弦定率定律余弦定率一、普朗克一、普朗克PlanckPlanck定律：定律：黑體的單色

8、輻射才干與波長及溫度的定量關系：黑體的單色輻射才干與波長及溫度的定量關系：12510T/CeCE式中：式中：黑體輻射的波長，黑體輻射的波長，m m；T T黑體的絕對溫度，黑體的絕對溫度，K K；C1C1、C2C2普朗克常數，普朗克常數，C1=3.743C1=3.74310-10-16Wm216Wm2； C2=1.4387C2=1.438710-2mK10-2mK；E0E0黑體的單色輻射才干，黑體的單色輻射才干，W/m2W/m2。 第二節 黑體輻射的根本定律討論：討論：黑體的黑體的E0E0與外表外形無與外表外形無關，關，E0=f(,T)E0=f(,T)；如圖：當如圖：當00或或時，時，Eo0Eo

9、0；同一波長下，；同一波長下，TE0TE0； 第二節 黑體輻射的根本定律在全部波長范圍內單色輻射才干有且只需一個最大值。在全部波長范圍內單色輻射才干有且只需一個最大值。0ddEo微分，令：微分，令：KmTm3109 . 2維恩維恩WienWien位移定律位移定律 故：黑體單色輻射才干的最大值隨著其溫度的升高向波長故：黑體單色輻射才干的最大值隨著其溫度的升高向波長較短的一邊挪動。較短的一邊挪動。第二節 黑體輻射的根本定律可憑仗火焰的顏色來判別火焰的溫度：可憑仗火焰的顏色來判別火焰的溫度：溫度溫度7007009009001100110014001400火焰火焰顏色顏色暗紅暗紅櫻桃櫻桃紅紅橙黃橙黃白

10、色白色熾熱體熾熱體太陽外表：太陽外表：T6000KT6000K，可見光范圍；，可見光范圍；工業溫度約工業溫度約20002000：集中在：集中在=0.8=0.810m10m的紅外線的紅外線波段內。波段內。 第二節 黑體輻射的根本定律二、斯蒂芬波爾茲曼二、斯蒂芬波爾茲曼(Stefan-Boltzman)(Stefan-Boltzman)定律：定律：黑體的全波長輻射才干黑體的全波長輻射才干 ：deCdEET/C12510000積分后：積分后：40400100TCTE式中：式中：00黑體輻射常數，黑體輻射常數，0=5.670=5.6710-8W/(m2K4) 10-8W/(m2K4) C0=5.67

11、C0=5.67 故：故：E0TE0T，高溫時不能忽略輻射傳熱。，高溫時不能忽略輻射傳熱。第二節 黑體輻射的根本定律三、蘭貝特定律三、蘭貝特定律余弦定律：余弦定律：內容：黑外表向任一方向發射的輻射強度等于法線方向上的輻內容：黑外表向任一方向發射的輻射強度等于法線方向上的輻射強度與法線方向與該方向夾角的余弦的乘積射強度與法線方向與該方向夾角的余弦的乘積cos00nII I0nI0n黑體的微元面積黑體的微元面積dAdA在法線方向上在法線方向上 的輻射強度，的輻射強度，W/(m2sr)W/(m2sr)；給定方向與法線方向的夾角，給定方向與法線方向的夾角，srsr第二節 黑體輻射的根本定律闡明：闡明：當

12、當=0=0時，時，I=0=I0nI=0=I0n，輻射強度最大；當，輻射強度最大；當=90=90時，時，I=90=0I=90=0； I0nI0n和和E0E0的關系：的關系：上式闡明：上式闡明：E0E0為為IonIon的的倍；倍；nIdIEE020200n200022on02000dcossindIddsinRdRsinRdRdAdcosIIdI蘭貝特定律又稱余弦定律；蘭貝特定律又稱余弦定律；第二節 黑體輻射的根本定律遵照蘭貝特定律的外表稱為蘭貝特外表，黑體表遵照蘭貝特定律的外表稱為蘭貝特外表，黑體表 面就是一個蘭貝特外表；面就是一個蘭貝特外表；以上三個定律只適用于黑體。以上三個定律只適用于黑體。

13、第二節 黑體輻射的根本定律第三節 固體的熱輻射一、實踐物體與黑體的區別與聯絡一、實踐物體與黑體的區別與聯絡二、灰體二、灰體三、克希霍夫三、克希霍夫KirchhoffKirchhoff定律定律一、實踐物體與黑體的區別與聯絡一、實踐物體與黑體的區別與聯絡實踐物體的輻射才干不服從斯蒂芬波爾茲曼定律實踐物體的輻射才干不服從斯蒂芬波爾茲曼定律自然界一切物體的輻射才干均小于同溫度下黑體的輻射才干；自然界一切物體的輻射才干均小于同溫度下黑體的輻射才干；相對輻射才干：相對輻射才干：=E/E0=E/E0，又稱黑度，輻射率，又稱黑度，輻射率影響要素：影響要素：與物體溫度和外表性質外表溫度、外表情況等有關；與物體溫

14、度和外表性質外表溫度、外表情況等有關；恒小于恒小于1 1。 第三節 固體的熱輻射實踐物體的單色輻射才干隨溫度和波長的變化不符合普朗克實踐物體的單色輻射才干隨溫度和波長的變化不符合普朗克定律定律物體的單色黑度物體的單色黑度 ： =E/ E0- =E/ E0-又稱單色發射才干又稱單色發射才干 影響要素：影響要素：f fT,T,，物體外表性質；，物體外表性質；恒小于恒小于1 1，黑體單色輻射才干最大。，黑體單色輻射才干最大。第三節 固體的熱輻射實踐物體對投入輻射能的吸收率實踐物體對投入輻射能的吸收率11單色吸收率單色吸收率： 在給定波長在給定波長和入射角和和入射角和下，一個實踐外表吸收的能下，一個實

15、踐外表吸收的能量與一個黑外表吸收的能量之比值。量與一個黑外表吸收的能量之比值。 闡明：闡明：、(0(0，1)1)；實驗闡明，實驗闡明， 、 、 不僅與物體本不僅與物體本身的性質有關，而且與投入輻射的波長及角度有關。身的性質有關，而且與投入輻射的波長及角度有關。第三節 固體的熱輻射二、灰體二、灰體灰體定義灰體定義假設某種物體的單色輻射才干假設某種物體的單色輻射才干EE與同一溫度下與同一溫度下絕對黑體的單色輻射才干絕對黑體的單色輻射才干E0E0之比等于常數，即之比等于常數，即在一切波長下，物體的單色黑度在一切波長下，物體的單色黑度等于常數，等于常數，這種物體叫做灰體這種物體叫做灰體灰體也是一種理想

16、物體灰體也是一種理想物體第三節 固體的熱輻射普通工業溫度范圍普通工業溫度范圍(T2000)內，普通固、液態物體內，普通固、液態物體均可以為是灰體氣體除外，于是：均可以為是灰體氣體除外，于是： 灰體的灰體的E-曲線與黑體的曲線與黑體的E-曲線類似，二者在同一溫曲線類似，二者在同一溫度下的最大單色輻射才干都位于同一度下的最大單色輻射才干都位于同一m處；處；400TEE黑體是灰體的特例黑體是灰體的特例 ：= 1討論：討論：灰體是一個物理模型，符合灰體模型的外表叫做灰外表，灰體是一個物理模型，符合灰體模型的外表叫做灰外表，灰外表符合蘭貝特灰外表符合蘭貝特LambertLambert定律；定律； 第三節

17、 固體的熱輻射三、克希霍夫三、克希霍夫KirchhoffKirchhoff定律定律內容：假設一個溫度為內容：假設一個溫度為T1T1的物體，在一個溫度為的物體，在一個溫度為T2T2的黑體的黑體包殼內，那么無論包殼內，那么無論T1T1和和T2T2能否相等，該物體外表的單能否相等，該物體外表的單色黑度等于它的單色吸收率色黑度等于它的單色吸收率 ，即：，即：= = 證明：由該物體發射的輻射為：證明：由該物體發射的輻射為： 被該物體吸收的輻射為：被該物體吸收的輻射為： 假定該物體和包殼處于熱平衡形狀，那么：假定該物體和包殼處于熱平衡形狀，那么：qe=qqe=q或或 由由T1=T2T1=T2，那么，那么E

18、0,1= E0,2E0,1= E0,2，帶入上式有：，帶入上式有：=dEq20dEdE2010dEqe10第三節 固體的熱輻射闡明：對于許多物質，人們發現闡明：對于許多物質，人們發現或或與投射輻射的情況無關，即與投射溫度與投射輻射的情況無關，即與投射溫度T2T2無關。無關。故：無論故：無論T1T1和和T2T2能否相等，均有能否相等，均有=；由由、，那么：那么：4101 ,00TdEEE4202,0TdE熱平衡時：熱平衡時：T1=T2T1=T2，故，故=； 對于灰體：對于灰體：=第三節 固體的熱輻射第四節 氣體的熱輻射一、氣體輻射與吸收的特點一、氣體輻射與吸收的特點 二、煙氣的黑度二、煙氣的黑度

19、三、煙氣的吸收率三、煙氣的吸收率不同氣體具有不同的輻射才干不同氣體具有不同的輻射才干單原子和分子構造對稱的雙原子氣體，如惰性氣體和氫、氮、氧等，不具有吸收熱輻射的才干，可看作透明體。 而三原子，多原子氣體以及構造不對稱的雙原子分子，如CO2、H2O、SO2、CO、CH2 ，烴類和醇類等，那么有相當大的輻射才干和吸收才干。一、氣體輻射與吸收的特點一、氣體輻射與吸收的特點第四節 氣體的熱輻射氣體輻射對波長有選擇性氣體輻射對波長有選擇性 氣體只在某些特定的波段光帶內具有吸收才干。煙氣中的CO2和H2O主要光帶如下：CO2H2O第一光帶2.65-2.80m2.55-2.84m第二光帶4.15-4.45

20、m5.6-7.6m第三光帶13.0-17.0m12.0-30.0m 這些光帶均位于可見光范圍之外，所以，即使在高溫下CO2和H2O也不能被人眼看見。第四節 氣體的熱輻射氣體的輻射和吸收是在整個容積中進展的氣體的輻射和吸收是在整個容積中進展的 氣體的輻射和吸收與氣體所在的容器的外形和體氣體的輻射和吸收與氣體所在的容器的外形和體積有關。積有關。 氣體的輻射和吸收取決于氣層厚度、氣體的溫度氣體的輻射和吸收取決于氣層厚度、氣體的溫度和分壓。和分壓。定義平均輻射長度定義平均輻射長度L=3.5V/A L=3.5V/A ，又稱有效氣層厚度，又稱有效氣層厚度 ),(),(mmLPTfPLTf第四節 氣體的熱輻射氣體是典型的非灰體物質氣體是典型的非灰體物質 只需當氣體溫度和固體壁溫度一樣時氣體的黑度和吸收率才會相等，假設溫度不相等，就不存在這種關系。同樣普朗克定律定律和斯蒂芬波爾茲曼定律也不能成立。第四節 氣體的熱輻射二、煙氣的黑度二、煙氣的黑度 CO2CO2和和H2OH2O的黑度：的黑度：ECO2 T3.5ECO2 T3.5，EH2O T3EH2O T3 引入氣體的黑度引入氣體的黑度ii： 0CO2= f0CO