傳熱學教學課件第七章 第三、四節(jié)

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1、第三節(jié) 實際固體和液體的輻射特性 在這一節(jié)里，我們將把實際物體的輻射特性與黑體進行比較，從輻射總能量按波長和方向的分布的規(guī)律出發(fā)，分別引出發(fā)射率、光譜發(fā)射率及定向發(fā)射率幾個概念，并討論其特點。實際物體光譜輻射力的特征 實際物體的光譜輻射力往往隨波長作不規(guī)則的變化。實際物體的輻射力就等于光譜輻射力曲線與橫坐標軸圍成的面積。實際物體的輻射力小于同溫度下黑體的輻射力。實際物體的發(fā)射率 定義：實際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比稱為實際物體的發(fā)射率發(fā)射率，習慣上稱為黑度黑度，記為 40TdEEEbb實際物體的光譜發(fā)射率 定義：物體某一特定波長下的光譜輻射力與同溫度、同波長條件下黑體的光譜輻射力之

2、比，稱為物體的光譜發(fā)射率光譜發(fā)射率，記為 光譜輻射力有時也稱為單色黑度單色黑度。bEE實際物體輻射力的計算 當已知實際物體的黑度時，其輻射力可按下面的公式計算 實驗研究發(fā)現(xiàn)，實際物體的輻射力并不嚴格地同熱力學溫度的四次方成正比，但要對不同物體采用不同方次的規(guī)律來計算，在實用上很不方便。所以，在工程計算中仍認為一切實際物體的輻射力都與熱力學溫度的四次方成正比，而把由此引起的修正包括到用實驗方法確定的發(fā)射率中去。由于這個原因，發(fā)射率還與溫度有依賴關(guān)系。404100TCTEEb實際物體的定向發(fā)射率 定義：實際物體在某方向的輻射強度與同溫度、同方向黑體的輻射強度之比，稱為實際物體的定向發(fā)射率定向發(fā)射率

3、，記為 定向發(fā)射率也被稱為定向黑度定向黑度。實際物體的輻射不符合蘭貝特定律，即實際物實際物體的輻射不符合蘭貝特定律，即實際物體的定向輻射強度在各個方向是不同的體的定向輻射強度在各個方向是不同的。bbLLLL 金屬材料定向黑度與方向的關(guān)系金屬導體定向黑度的特點 在表面的法線方向附近，定向黑度較小；從法線方向開始，在一定的角度內(nèi)，定向黑度都比較小，且保持不變；到達一定的角度之后，隨著角度的增加，定向黑度也急劇地增加；在接近表面切線方向附近的極小角度內(nèi)，定向黑度又有減小。非導體材料的定向黑度與方向的關(guān)系非導電體材料定向黑度的特點 從法線方向開始，在一定的角度內(nèi)，定向黑度較大，且保持不變；當角度大于一

4、定的角度之后，隨著角度的增加，定向黑度明顯地減小，直到表面切線方向時，減為零。不同材料的輻射特性 對金屬輻射而言，角度較大時輻射的能量較多；而角度較小時輻射的能量相對較少。對于非導體材料，角度較小時輻射的能量較多；而角度較大時輻射的能量較少。實際物體的平均黑度與定向黑度的關(guān)系 盡管實際物體的定向發(fā)射率有上述變化，但并不顯著地影響在半球空間的平均值。大量實驗表明，物體的半球平均發(fā)射率與法向發(fā)射率的比值，對于高度拋光的金屬表面約為1.20，對其他具有光滑表面的物體約為0.95，對粗糙表面的物體約為0.98。因此往往不考慮的變化細節(jié)，而近似地認為大多數(shù)工程材料也服從蘭貝特定律。我們稱服從蘭貝特定律的

5、表面為漫射我們稱服從蘭貝特定律的表面為漫射表面（即各個方向定向黑度相等的表面）。表面（即各個方向定向黑度相等的表面）。黑度可認為是物性參數(shù) 實際物體的發(fā)射率只取決于物體的種類、物體的表面溫度及其物體的表面狀況，而與外界因素無關(guān)，這說明物體的發(fā)射率只與自身的性能有關(guān)，因此可以被認為是物性參數(shù)。影響物體發(fā)射率的主要因素 物質(zhì)的種類。例如，常溫下白色大理石的發(fā)射率為0.95，而鍍鋅鐵皮的發(fā)射率只有0.23。物質(zhì)的表面溫度。例如，嚴重氧化的鋁表面50時其發(fā)射率為0.2，而500時為0.3。物體的表面狀況。例如，在常溫下無光澤黃銅的發(fā)射率為0.22，而磨光后黃銅的發(fā)射率是0.05。說明，同一材料，高度磨

6、光表面的發(fā)射率很小，而粗糙表面和受氧化作用后的表面發(fā)射率常常為磨光表面的數(shù)倍。第四節(jié) 實際物體的吸收比與基爾霍夫定律 本節(jié)主要介紹實際物體的吸收特性，以及吸收特性與發(fā)射特性的關(guān)系。在吸收特性中主要研究其主要影響因素及在特定條件下的計算。介紹灰體的概念。介紹物體的吸收比與發(fā)射率之間的關(guān)系，即基爾霍夫定律。給出基爾霍夫定律的適用條件。相關(guān)概念 投入輻射：單位時間內(nèi)從外界輻射到單位表面積上的總輻射能稱為投入輻射投入輻射。選擇性吸收：對外界來的不同波長的投入輻射，其吸收比不同，這叫作選擇性吸收選擇性吸收。吸收比：物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)稱為吸收比吸收比。光譜吸收比：物體對某一特定波長的輻射能所吸收

7、的百分數(shù)稱為光譜吸收比光譜吸收比，也稱為單色吸單色吸收比收比。實際物體的吸收比 定義：物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)稱為吸收比，通常用 表示。）投入的能量（投入輻射吸收的能量實際物體的光譜吸收比 定義：物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分數(shù)稱為光譜吸收比，也稱為單色吸收比，用符號 表示。GG,投入的某一波長的能量吸收的某一波長的能量實際物體吸收比的特點 實際物體的吸收比取決于兩方面的因素：1.吸收物體本身的情況：所謂物體本身的情況，是指物體的種類、物體的溫度及物體的表面狀況等；2.發(fā)射輻射能的物體的情況：包括發(fā)射物體的種類、溫度和表面狀況等。由此可見，物體的吸收比比起發(fā)射率來要更加復雜。金屬導

8、體的光譜吸收比與波長的關(guān)系非導體材料光譜吸收比與波長的關(guān)系選擇性吸收 物體的光譜吸收比隨波長而變化的特性稱為物體的吸收具有選擇性。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常常利用這種選擇性來達到一定的目的。如（1）暖房（2）有色眼鏡（3）不同的顏色等暖房原理 暖房是用玻璃或塑料制成的。當太陽光照射到玻璃上時，由于玻璃對波長小于 的輻射能吸收比很小，從而使大部分太陽能可以進入暖房。但暖房中的植物由于溫度較低，其輻射能絕大部分位于波長大于 的紅外范圍內(nèi)，而玻璃對于波長大于 的輻射能的吸收比很大，從而阻止了輻射能向暖房外的散失。這樣對暖房而言，進入的熱量多于出去的熱量，所以暖房內(nèi)的溫度較室外的溫度要高，所以稱之為暖房。m2.

9、2m3m3為什么會有各種不同的顏色 世上萬物呈現(xiàn)不同顏色的主要原因也在于物體選擇性的吸收與輻射。當陽光照射到一個物體表面上時，如果該物體能夠幾乎全部吸收各種可見光，它就呈現(xiàn)黑色；如果幾乎全部反射可見光，它就呈白色；如果幾乎均勻地吸收各種可見光并均勻地反射各種可見光，它就呈灰色；如果只反射了一種波長的可見光而幾乎全部吸收了其他可見光，則它就呈現(xiàn)被反射的這種可見光的顏色。實際物體吸收比的計算 要計算1物體的吸收比，假設(shè)2為投射物體，則 的性質(zhì)的性質(zhì)，表面表面21,210220221020211TTfdTETdTETTdTGdTGTbb對黑體投入輻射的吸收比 如果投入輻射來自黑體，則物體的吸收比可以

10、表示成 此時，只要知道物體的光譜吸收比與溫度的關(guān)系，則可求得物體的吸收比。的性質(zhì)表面1,2142021020211TTfTdTETdTEdTETbbb物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系光譜吸收比與波長無關(guān) 根據(jù)吸收比的計算式，可以得到下面的計算結(jié)果 常數(shù)10202102202211,TdETdETTdTETdTETTbbbb灰體 定義：我們將光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱我們將光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱為為灰體灰體。所以對于灰體其吸收比為常數(shù)。像黑體一樣，灰體也是一種理想物體。工程上通常遇到的熱輻射，其主要波長大多位于紅外范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)大多數(shù)工程材料當作灰體來處理所引起的誤差是可以被允

11、許的，而這種簡化處理卻給輻射換熱計算帶來了極大的方便。實際物體吸收比的確定 由于實際物體的吸收比遠比發(fā)射率要復雜，所以無論是用計算的方法還是實驗的方法都比較難于直接獲得。那么，實際物體的吸收比與發(fā)射率之間有無關(guān)系呢？如果能夠找到實際物體的吸收比與發(fā)射率之間的關(guān)系，那么就可以通過計算物體的發(fā)射率來確定其吸收比?；鶢柣舴蚨山沂玖藢嶋H物體的發(fā)射率與吸收比之間的關(guān)系?；鶢柣舴蚨傻耐茖?假設(shè)表面1是任意表面，表面2是黑體表面，則任意表面1的凈輻射換熱量為 當兩個表面處于熱平衡狀態(tài)時，則111,AT22,ATEbE12bEEqbEE0bEE基爾霍夫定律的表達式 將上面的關(guān)系式推廣，有 根據(jù)黑度的定義，

12、有 比較上面兩式，可以得到bEEEE 2211bEE基爾霍夫定律成立的條件 基爾霍夫定律成立的條件即為推到基爾霍夫定律時用到的條件。有兩個條件：（1）輻射物體與吸收物體處于熱平衡狀態(tài)，即具有相同的溫度；（2）發(fā)射物體必須為黑體。實際計算中基爾霍夫定律適用條件的推導111,AT21,AT灰體黑體111,AT22,AT灰體任意體實際計算中基爾霍夫定律的適用條件 將灰體表面與黑體表面組成封閉的輻射系統(tǒng)。當兩表面處于熱平衡時，對灰體表面而言，其一定滿足基爾霍夫定律，即 改變灰體的環(huán)境，將黑體換成不同溫度的任意物體，但使灰體仍然保持原來的溫度。在此新環(huán)境下，對于灰體表面有 新環(huán)境條件下，灰體的吸收比為

13、所以，在新的輻射系統(tǒng)中，有 或者寫成 TT TT TT TT重要的結(jié)論 上面的關(guān)系式說明，對于灰體表面不論投入輻射是否來自黑體，也不論是否處于熱平衡狀態(tài)，其吸收比恒等于發(fā)射率。在工程計算中，由于大部分表面可以認為是灰體表面，所以，這一結(jié)論對輻射換熱的計算非常重要。關(guān)于基爾霍夫定律的幾點說明 基爾霍夫定律有幾種不同層次上的表達式，其適用條件不同，歸納于表7-3。對于大多數(shù)工程計算，主要應用“全波段、半球”這一層次上的表達式?；鶢柣舴蚨傻牟煌磉_式層次數(shù)學表達式成立條件光譜、定向無條件，維度角光譜、半球漫射表面全波段、半球與黑體處于平衡或漫灰表面TT,TT,TT關(guān)于基爾霍夫定律的幾點說明 既然實

14、際物體或多或少都對輻射能的吸收具有選擇性，為什么工程計算中又可將實際物體假定為灰體呢？對工程計算而言，只要在所研究的波長范圍內(nèi)光譜吸收比與基本上與波長無關(guān)，則灰體的假設(shè)即可成立，而不必要求在全波段范圍內(nèi)光譜吸收比均為常數(shù)。在工程常見的溫度范圍（小于2000K）內(nèi)，許多工程材料都具有這一特點。在工程手冊或教材中僅列出發(fā)射率之值而不給出吸收比的原因正在于此。關(guān)于基爾霍夫定律的幾點說明 由于在大多數(shù)情況下物體可作為灰體，則由基爾霍夫定律可知，物體的輻射能力越大，其吸收能力也越大。換句話說，善于輻射的物體必善于吸收，反之亦然。所以，同溫度下黑體的輻射力最大。關(guān)于基爾霍夫定律的幾點說明 當研究物體表面對太陽能的吸收時，一般不能把物體作為灰體，即不能把物體在常溫下的發(fā)射率作為對太陽能的吸收比。因為太陽輻射中可見光占到了近一半的份額，而大多數(shù)物體對可見光波的吸收表現(xiàn)出強烈的選擇性。例如各種顏色（包括白色）的油漆，常溫下的發(fā)射率均高達0.9，但在可見光范圍內(nèi)，白色油漆的吸收比僅為0.1-0.2，而黑油漆則為0.9以上。在夏天，人們喜歡穿白色或淺色衣服的原因也在于此。在太陽集熱器的研究中，要求集熱器的涂層具有較高的對太陽輻射的吸收，而又希望減少涂層本身的發(fā)射率以減少熱損失，目前已開發(fā)出的涂層材料的吸收比比發(fā)射率要高達8-10倍。