热辐射的基本定律及辐射换热-传热学-课件-08

总投射能G(Total irradiation)
G= Gα+ G + G
吸收率(Absorptivity) α＝Gα/G 反射率(Reflectivity) ρ＝Gρ/G 透射率(Transmissivitation
α+ρ +τ ＝1
d
h 0
2
/2
0
sin dd 2
/2
0
sin d 2 (sr )
3. 定向辐射(强)度 (Directional radiation intensity)
单位时间内，单位可见辐射面积在某一方向p 的单位立体角内所发出的总辐射能(发射辐射 和反射辐射)，称为该方向的定向辐射(强)度。
四、定向辐射强度(Directional radiation intensity)
1. 可见辐射面积(Projected area)
一表面在某一方向上的可见辐射面积，即为该方向 上可以看得见的辐射面积，它是该表面在该方向上 的投影。
dAs dA cos
2. 立体角(Solid angle)
3. 热辐射的特点
(Thermal radiation characteristics) 辐射换热与导热、对流换热不同，它不依 赖于物体的接触而进行热量传递。
辐射换热过程伴随能量形式的两次转化， 即物体内能电磁波能物体内能。 一切物体只要其温度T>0K，都会不断发射 热射线。
二、 吸收率、反射率、透射率
I e,
定向辐射力E (Directional emissive power) ：单位 时间内，物体的每单位面积在某一方向p的单位 立体角内所发出全波长的辐射能量，称为该方向 的定向辐射力。
d e I d dA cos 1
d e E E I cos d dA 1
§8.2 黑体辐射的基本定律
一、黑体的性质(Blackbody’s properties)
The blackbody is an ideal surface having the following properties. 1. A blackbody absorbs all incident radiation, regardless of wavelength and direction. Namely =1. 2. For a prescribed temperature and wavelength, no surface can emit more energy than a blackbody. Namely =1. 3. Although the radiation emitted by a blackbody is a function of wavelength and temperature, it is independent of direction. That is, the blackbody is a diffuse emitter.
兰贝特余弦定律 黑体表面具有漫反射性质，且在半球空间各个方 向上的定向辐射(强)度相等。即
I1 I 2 I3 I n
所以 又因为 所以
E I cos I n cos En I n E En cos
物理意义 黑体的定向辐射力随方向角按余弦规律变化， 法线方向的定向辐射力最大。
d I d dA cos 1
Where, dA1cos is the projected area. In effect it is how dA1 would appear to an observer situated on dAn. d is the radiation rate passing through dAn.
Chapter 8 热辐射的基本定律 Radiation Exchange
§8.1 基本概念(Fundamental Concepts)
一、 热辐射的本质(Nature of thermal radiation)
1. 热辐射(Thermal radiation)：是由于物体内部微 观粒子的热运动状态改变，而将部分内能转换 成电磁波的能量发射出去的过程。 2. 辐射(Radiation)：物体通过电磁波传递能量的 现象。 3. 热射线(Thermal radiation)：热辐射产生的电磁 波。它包含部分紫外线(Ultraviolet)、全部可见 光 (Visible) 和 红 外 线 (Infrared) 。 波 长 范 围 =0.1-1000m
紫外线(Ultraviolet)：<0.38m
可见光(Visible)：=0.38-0.76m 红外线(Infrared)：=0.76-1.4m(近红外线) =1.4-3.0m(中红外线) =3.0-1000m(远红外线) 工程实际中遇到的大部分物体T<2000K，热辐 射大部分能量的波长位于=0.76-20m。所以 除特殊说明外，以后论及的热射线都是红外线。 太阳辐射： =0.1-20m
由于表面辐射能包含发射辐射和反射辐射，所 以定向辐射(强)度又可以写成。
I I e, I r ,
where，
Ie,—The directional intensity of the emitted radiation，
(定向发射辐射度)，W/(m2· sr)；
Ir,—The directional intensity of the reflected radiation，
If the medium is opaque, there is no transmission, then
τ＝0，α+ρ＝1 For gases, there is no reflection, then ρ＝0，α+τ＝1 黑体(Black-body)： α＝1 白体(White-body) ： ρ＝1； 透明体(Transparent-body) ： τ＝1
黑体光谱辐射力与波长和温度的关系
Eb 随 波 长 连 续 变 化 ； 0 或 时 Eb0； 对任一波长，其Eb随 温度T的升高而增加；
任一温度T下的Eb有一 极大值，其对应的波长 为 max ，且随着温度增 加 max 变小，集中较多 辐射能的区域向短波方 向移动。
三、 维恩定律(Wien’s Displacement Law)
黑体光谱辐射力Eb为极大值时的波长max与温 度T的关系：
maxT c3
where the third radiation constant is c3=2897.8 m· K.
维恩定律是光谱测温的基础！
例如太阳：max=0.5 mT=5800K
(定向反射辐射度)，W/(m2· sr)；
五、漫射表面(Diffuse surface )
漫发射表面(Diffuse emitter)：能向半球空间各方 向发出均匀辐射度的发射辐射的物体表面称为漫 发射表面。(黑体只有漫发射，无反射辐射) 漫反射表面(Diffuse reflector)：物体表面在半球 空间范围内各方向上都有均匀的反射辐射度,则 该表面称为漫反射表面。(白体只有漫反射) 漫射表面(diffuse surface)：既是漫发射表面,又 是漫反射表面,则该表面称为漫射表面。
漫射表面向半球空间发射的辐射力
四、斯蒂芬—波尔兹曼定律 The Stefan-Boltzmann law
四次方定律：黑体辐射力Eb与其热力学温度的四次 方成正比。
Eb Eb d
0


0
c1 T 4 d bT cb c2 100 5 exp 1 T
0
1
Eb
Fb ( 1 2 ) Fb (02 ) Fb (01 )
查表8-2可以求得某一特定波长范围内的黑体辐 射函数Fb(1-2)和黑体辐射能Eb(1-2) 。
五、兰贝特定律
定向发射辐射(强)度Ie, (Directional intensity of radiation) 黑体无反射辐射Ie,= I
2
2. 立体角(Solid angle)——续
d sin dd
The solid angle associated with the entire hemisphere may be obtained by integrating the above Equation over the limits =0 to 2 and =0 to =/2. Hence
（W/m2）
Eb—同温度下黑体的辐射力，W/m2。
2. 有效辐射(Radiosity)： 物体表面除了向外界发 射辐射外，其它物体投 射到该表面上的投射辐 射还有部分被反射。发 射辐射和反射辐射之和 称为有效辐射。记为J (单位W/m2)
J=E+ρG
Radiosity=reflected portion of the irradiation+direct emission
dE E d
2. 普朗克定律(Planck’s law)
黑体光谱辐射力Eb随波长λ和温度T变化的函数关系
c1 Eb c2 5 exp 1 T
Where, —wavelength, m； T—the absolute temperature of the blackbody，K c1—the first radiation constant, c1=3.742108W· 4/m2 m c2—the second radiation constant, c2=1.439104 m · K
黑体模型(Blackbody cavity)
空腔上的小孔具 有黑体的性质。 具有小孔的均匀 壁温空腔可作为黑 体模型。