傳熱學(xué)教學(xué)課件第七章 第三、四節(jié)

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1、第三節(jié) 實(shí)際固體和液體的輻射特性 在這一節(jié)里，我們將把實(shí)際物體的輻射特性與黑體進(jìn)行比較，從輻射總能量按波長(zhǎng)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(gè)概念，并討論其特點(diǎn)。實(shí)際物體光譜輻射力的特征 實(shí)際物體的光譜輻射力往往隨波長(zhǎng)作不規(guī)則的變化。實(shí)際物體的輻射力就等于光譜輻射力曲線與橫坐標(biāo)軸圍成的面積。實(shí)際物體的輻射力小于同溫度下黑體的輻射力。實(shí)際物體的發(fā)射率 定義：實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比稱為實(shí)際物體的發(fā)射率發(fā)射率，習(xí)慣上稱為黑度黑度，記為 40TdEEEbb實(shí)際物體的光譜發(fā)射率 定義：物體某一特定波長(zhǎng)下的光譜輻射力與同溫度、同波長(zhǎng)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(shí)也稱為單色黑度單色黑度。bEE實(shí)際物體輻射力的計(jì)算 當(dāng)已知實(shí)際物體的黑度時(shí)，其輻射力可按下面的公式計(jì)算 實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際物體的輻射力并不嚴(yán)格地同熱力學(xué)溫度的四次方成正比，但要對(duì)不同物體采用不同方次的規(guī)律來(lái)計(jì)算，在實(shí)用上很不方便。所以，在工程計(jì)算中仍認(rèn)為一切實(shí)際物體的輻射力都與熱力學(xué)溫度的四次方成正比，而把由此引起的修正包括到用實(shí)驗(yàn)方法確定的發(fā)射率中去。由于這個(gè)原因，發(fā)射率還與溫度有依賴關(guān)系。404100TCTEEb實(shí)際物體的定向發(fā)射率 定義：實(shí)際物體在某方向的輻射強(qiáng)度與同溫度、同方向黑體的輻射強(qiáng)度之比，稱為實(shí)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(shí)際物體的輻射不符合蘭貝特定律，即實(shí)際物實(shí)際物體的輻射不符合蘭貝特定律，即實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度在各個(gè)方向是不同的體的定向輻射強(qiáng)度在各個(gè)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(dǎo)體定向黑度的特點(diǎn) 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(dá)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(dǎo)體材料的定向黑度與方向的關(guān)系非導(dǎo)電體材料定向黑度的特點(diǎn) 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(dāng)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(shí)，減為零。不同材料的輻射特性 對(duì)金屬輻射而言，角度較大時(shí)輻射的能量較多；而角度較小時(shí)輻射的能量相對(duì)較少。對(duì)于非導(dǎo)體材料，角度較小時(shí)輻射的能量較多；而角度較大時(shí)輻射的能量較少。實(shí)際物體的平均黑度與定向黑度的關(guān)系 盡管實(shí)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(shí)驗(yàn)表明，物體的半球平均發(fā)射率與法向發(fā)射率的比值，對(duì)于高度拋光的金屬表面約為1.20，對(duì)其他具有光滑表面的物體約為0.95，對(duì)粗糙表面的物體約為0.98。因此往往不考慮的變化細(xì)節(jié)，而近似地認(rèn)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(gè)方向定向黑度相等的表面）。表面（即各個(gè)方向定向黑度相等的表面）。黑度可認(rèn)為是物性參數(shù) 實(shí)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?zé)o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(rèn)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(yán)重氧化的鋁表面50時(shí)其發(fā)射率為0.2，而500時(shí)為0.3。物體的表面狀況。例如，在常溫下無(wú)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(shí)際物體的吸收比與基爾霍夫定律 本節(jié)主要介紹實(shí)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(jì)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：?jiǎn)挝粫r(shí)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(duì)外界來(lái)的不同波長(zhǎng)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(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)稱為吸收比吸收比。光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收

7、的百分?jǐn)?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(shí)際物體的吸收比 定義：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?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(shí)際物體的光譜吸收比 定義：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)稱為光譜吸收比，也稱為單色吸收比，用符號(hào) 表示。GG,投入的某一波長(zhǎng)的能量吸收的某一波長(zhǎng)的能量實(shí)際物體吸收比的特點(diǎn) 實(shí)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(lái)要更加復(fù)雜。金屬導(dǎo)

8、體的光譜吸收比與波長(zhǎng)的關(guān)系非導(dǎo)體材料光譜吸收比與波長(zhǎng)的關(guān)系選擇性吸收 物體的光譜吸收比隨波長(zhǎng)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(lái)達(dá)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(dāng)太陽(yáng)光照射到玻璃上時(shí)，由于玻璃對(duì)波長(zhǎng)小于 的輻射能吸收比很小，從而使大部分太陽(yáng)能可以進(jìn)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(zhǎng)大于 的紅外范圍內(nèi)，而玻璃對(duì)于波長(zhǎng)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(duì)暖房而言，進(jìn)入的熱量多于出去的熱量，所以暖房?jī)?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(huì)有各種不同的顏色 世上萬(wàn)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(dāng)陽(yáng)光照射到一個(gè)物體表面上時(shí)，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(zhǎng)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(shí)際物體吸收比的計(jì)算 要計(jì)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(duì)黑體投入輻射的吸收比 如果投入輻射來(lái)自黑體，則物體的吸收比可以

10、表示成 此時(shí)，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(duì)黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān) 根據(jù)吸收比的計(jì)算式，可以得到下面的計(jì)算結(jié)果 常數(shù)10202102202211,TdETdETTdTETdTETTbbbb灰體 定義：我們將光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱我們將光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為為灰體灰體。所以對(duì)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(zhǎng)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(dāng)作灰體來(lái)處理所引起的誤差是可以被允

11、許的，而這種簡(jiǎn)化處理卻給輻射換熱計(jì)算帶來(lái)了極大的方便。實(shí)際物體吸收比的確定 由于實(shí)際物體的吸收比遠(yuǎn)比發(fā)射率要復(fù)雜，所以無(wú)論是用計(jì)算的方法還是實(shí)驗(yàn)的方法都比較難于直接獲得。那么，實(shí)際物體的吸收比與發(fā)射率之間有無(wú)關(guān)系呢？如果能夠找到實(shí)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(jì)算物體的發(fā)射率來(lái)確定其吸收比?；鶢柣舴蚨山沂玖藢?shí)際物體的發(fā)射率與吸收比之間的關(guān)系?；鶢柣舴蚨傻耐茖?dǎo) 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(dāng)兩個(gè)表面處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，則111,AT22,ATEbE12bEEqbEE0bEE基爾霍夫定律的表達(dá)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(shí)用到的條件。有兩個(gè)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(shí)際計(jì)算中基爾霍夫定律適用條件的推導(dǎo)111,AT21,AT灰體黑體111,AT22,AT灰體任意體實(shí)際計(jì)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(dāng)兩表面處于熱平衡時(shí)，對(duì)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(lái)的溫度。在此新環(huán)境下，對(duì)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(duì)于灰體表面不論投入輻射是否來(lái)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(jì)算中，由于大部分表面可以認(rèn)為是灰體表面，所以，這一結(jié)論對(duì)輻射換熱的計(jì)算非常重要。關(guān)于基爾霍夫定律的幾點(diǎn)說明 基爾霍夫定律有幾種不同層次上的表達(dá)式，其適用條件不同，歸納于表7-3。對(duì)于大多數(shù)工程計(jì)算，主要應(yīng)用“全波段、半球”這一層次上的表達(dá)式。基爾霍夫定律的不同表達(dá)式層次數(shù)學(xué)表達(dá)式成立條件光譜、定向無(wú)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(diǎn)說明 既然實(shí)

14、際物體或多或少都對(duì)輻射能的吸收具有選擇性，為什么工程計(jì)算中又可將實(shí)際物體假定為灰體呢？對(duì)工程計(jì)算而言，只要在所研究的波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜吸收比與基本上與波長(zhǎng)無(wú)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(diǎn)。在工程手冊(cè)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(diǎn)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(diǎn)說明 當(dāng)研究物體表面對(duì)太陽(yáng)能的吸收時(shí)，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(duì)太陽(yáng)能的吸收比。因?yàn)樘?yáng)輻射中可見光占到了近一半的份額，而大多數(shù)物體對(duì)可見光波的吸收表現(xiàn)出強(qiáng)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(dá)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(yáng)集熱器的研究中，要求集熱器的涂層具有較高的對(duì)太陽(yáng)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(dá)8-10倍。