1、輻射換熱，第一節(jié)是熱輻射的基本概念，第一節(jié)是熱輻射的本質(zhì)，區(qū)別在于：它不需要物體之間的直接接觸(在真空中，它不需要介質(zhì))；能量的形式發(fā)生了變化；熱傳遞和溫度之間的關(guān)系是不同的(或成比例的，而熱輻射具有四次方關(guān)系)。我們已經(jīng)介紹了兩種基本的熱傳遞方式(熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流)。熱輻射：由熱引起的電磁波輻射。輻射：物體通過(guò)電磁波向外傳輸能量的過(guò)程。因?yàn)闊彷椛湟彩且环N輻射現(xiàn)象，所以從理論上講，熱輻射的波長(zhǎng)范圍可以在0到1000之間，但在工業(yè)范圍內(nèi)，一般溫度不超過(guò)2000千。在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，熱射線的波長(zhǎng)為0.3810米，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為0.380.76米，比重很小，如果包括太陽(yáng)輻射，則為0.110米。根據(jù)不同

2、的波長(zhǎng)范圍，電磁波可以分成許多部分，每個(gè)部分都有相應(yīng)的名稱。熱輻射成分：紫外線、可見(jiàn)光和紅外線的一部分。從圖中可以看出，紅外線在熱輻射射線的分布中占主導(dǎo)地位。另一方面，在特定的熱輻射中，熱輻射不一定占主導(dǎo)地位(取決于溫度)。熱輻射：紫外線0.10.38米，可見(jiàn)光0.380.76米，紅外線0.761000米，近紅外線0.761.4米，中紅外線1.43.0米，遠(yuǎn)紅外線3.010米，工業(yè)一般物體(太陽(yáng)輻射：0.120米約定：除非另有規(guī)定，后述的熱輻射指紅外線。(2)輻射能的吸收、反射和透射根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)熱輻射能量像可見(jiàn)光一樣投射到物體表面時(shí)，也會(huì)發(fā)生吸收、反射和透射。=1(原因：由于分子排列緊

3、密，當(dāng)熱輻射能量投射到固體表面上時(shí)，它會(huì)立即被鄰近的分子吸收)，一般而言，對(duì)于固體和液體而言，=0。至于反射，它可以分為兩類：鏡面反射：表面光滑度和粗糙度小于波長(zhǎng)；普通鏡子；漫反射：表面光滑度和粗糙度大于波長(zhǎng)；例如，玻璃墻是可見(jiàn)光的透明體；對(duì)于其他波長(zhǎng)的熱輻射，其穿透能力非常差(溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球變暖)。因此，對(duì)于固體和液體，它們的吸收和反射都在表面上進(jìn)行(表面條件有很大的影響)。吸收能力強(qiáng)，反射能力弱。固體和液體的吸收和反射是在表面進(jìn)行的，與物體內(nèi)部無(wú)關(guān)(表面條件密切相關(guān))。最后指出，一般來(lái)說(shuō)，黑體有很強(qiáng)的吸收能力，而白體有很強(qiáng)的反射能力(對(duì)于太陽(yáng)輻射)。適用于日常生活，如冬天穿黑色(深色衣服

4、)(吸收能力強(qiáng)，頭上戴帽子)；在夏天，穿較淺的顏色，比如白色(能量吸收較少)，但這不是靜態(tài)的。對(duì)于氣體：=0，=1，一般工程材料表面形成漫反射。例如，雪對(duì)太陽(yáng)輻射有很好的反射能力，但對(duì)其他熱射線的吸收率很高，達(dá)到0.98左右。因此，對(duì)光線的吸收和反射有很大影響的是物體的表面狀況，而不是它的顏色。在自然界中，純黑體是不存在的。例如，吸收能力強(qiáng)的黑絲絨的吸收率只有0.96，但非常接近黑體的模型可以用人工方法制造?？梢晕崭鞣N波長(zhǎng)輻射能的物體，稱黑體。黑體表面的輻射屬于漫反射。1.黑體，圖7-5黑體模型，a。黑體可以吸收任何波長(zhǎng)和任何方向的所有投射輻射。在腔內(nèi)經(jīng)過(guò)多次吸收和反射后，離開(kāi)小孔的能量很小

5、，可以認(rèn)為是完全被腔吸收了，因此小孔具有黑體表面的性質(zhì)。2.黑體的本質(zhì)。如果小孔的面積較小，小孔就更接近黑體。黑體的吸收和輻射能力是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)。吸收能力最大的黑體也必須有最大的輻射能力。2.在介紹幾個(gè)定律之前，我們先介紹兩個(gè)基本概念：2 .單色輻射力E，指的是在單位時(shí)間內(nèi)，一個(gè)物體在半球空間每單位表面積的所有方向上發(fā)射一定波長(zhǎng)的輻射能量。一個(gè)物體在單位時(shí)間內(nèi)在周圍半球空間的所有方向上每單位表面積發(fā)出的所有波長(zhǎng)的輻射能量總量。1.總輻射力(輻射力)e(輻射本身)，1。普朗克定律、四定律、黑體光譜輻射力對(duì)波長(zhǎng)和溫度的依賴性，繼黑體模型之后，許多科學(xué)家已經(jīng)研究了單色輻射力與黑體波長(zhǎng)之間的關(guān)系。

6、普朗克首先試圖通過(guò)熱力學(xué)理論揭示內(nèi)部關(guān)系，即溫度和焓之間的關(guān)系，并取得了一些進(jìn)展，但未能令人滿意地回答一些問(wèn)題。后來(lái)，根據(jù)電磁波的量子理論，他得到了著名的普朗克定律。(同時(shí)，他還創(chuàng)立了量子理論。)(4)輻射能與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度較低時(shí)，可見(jiàn)光的比例很小(800K時(shí)沒(méi)有顏色變化)，但隨著溫度的升高，該比例增加。如果是太陽(yáng)輻射，輻射能量在可見(jiàn)光區(qū)占很大一部分。從圖中可以得出以下結(jié)論：(1)黑體輻射光譜隨波長(zhǎng)連續(xù)變化(平滑曲線)；(2)對(duì)于任何波長(zhǎng)，t，Eb，(3)對(duì)于某一溫度，輻射力有一個(gè)最大值，而t，最大值向左移動(dòng)；正常情況下，T800K處物體的顏色變化是不可見(jiàn)的(沒(méi)有可見(jiàn)光)，此時(shí)它們都在紅外光

7、譜范圍內(nèi)。我們使用的普通燈泡的效率是10。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們必須逐步淘汰消耗更多能源的燈泡，改用節(jié)能燈，這樣可以大大節(jié)約用電。加熱金屬，t，顏色會(huì)從暗紅色變得白熾亮紅色橙紅色。(根據(jù)爐色的變化，煉鋼工人可以知道爐內(nèi)的一般溫度)，節(jié)能的重要性：?jiǎn)挝粐?guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的能耗約為世界平均水平的3.5倍(能耗與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的增長(zhǎng)率成正比)。能源利用率約為35%，而發(fā)達(dá)國(guó)家約為50%。能源形勢(shì)：水電第一；煤炭第三，石油和天然氣第五，2。維恩位移定律，從普朗克定律，我們知道單色輻射力和波長(zhǎng)之間有一個(gè)最大值，因此，維恩位移定律是在1896年提出的，早于普朗克定律，從而證明了這兩個(gè)定律的正確性。用于計(jì)算物體表

8、面的溫度。斯蒂芬玻爾茲曼定律，黑體輻射力，也被稱為第四次冪定律，因?yàn)楹隗w輻射力與絕對(duì)溫度有第四次冪關(guān)系。注：T0物體有輻射力；t，Eb，如果T2=3T，那么Eb2=81Eb1。當(dāng)溫度高時(shí)，必須考慮熱輻射(對(duì)氣體)的影響。第四次冪定律只能計(jì)算整個(gè)波段的輻射力，但有時(shí)需要計(jì)算某一波段的輻射能量Eb(12)，黑體輻射函數(shù)，黑體小結(jié)：黑體的輻射力由第四次冪定律決定，Eb=BT4W/m2；黑體輻射能量按波長(zhǎng)的分布遵循普朗克定律；空間方向的分布符合朗伯定律；對(duì)應(yīng)于峰值的m由維恩位移定律確定，即maxT=2898(mK)。第3節(jié)實(shí)際物體的輻射，1。幾個(gè)概念，定義：相同溫度下實(shí)際物體的輻射力與黑體輻射力之比。

9、黑度(發(fā)射率)，由于實(shí)際物體的不規(guī)則變化，研究起來(lái)很復(fù)雜，但黑體的機(jī)理已經(jīng)很清楚了。為了與黑體聯(lián)系起來(lái)，定義了以下概念。當(dāng)普朗克定律被引入時(shí)，已知黑體的單色輻射力隨波長(zhǎng)有規(guī)律地變化(即曲線是平滑的)。對(duì)于真實(shí)氣體，其單色輻射力隨波長(zhǎng)不規(guī)則變化。2。單色黑度(單色發(fā)射率)，實(shí)際物體的單色輻射力與同一溫度下黑體的單色輻射力之比。輻射力，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際物體的輻射力并不與絕對(duì)溫度嚴(yán)格相關(guān)，以四次冪計(jì)算，但仍以發(fā)動(dòng)機(jī)中的四次冪關(guān)系計(jì)算，4。定向發(fā)射度，定向發(fā)射度：在單位時(shí)間內(nèi)單位輻射面積內(nèi)，以單位立體角向某一方向發(fā)射的輻射能量，定向發(fā)射度：實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比，以及若干金

10、屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射度()(t=150)。在一定的溫度下，實(shí)際物體的方向輻射強(qiáng)度在各個(gè)方向上不規(guī)則地變化。金屬：基本恒定在040；然后，作為；非金屬在90度附近減少到0:在060度基本不變；在那之后，5。影響黑度的因素=f(物種、表面溫度、表面條件)=f(自身)不同物種有不同的黑度：白色大理石，=0.95；鍍鋅鐵皮，=0.23。不同的溫度是不同的：金屬溫度(形成氧化膜)；非金屬，t，(黑色表面，白色表面)。不同的表面條件：不同，拋光表面，低；粗糙的表面，很高。氧化不同于非氧化：通常，氧化金屬的黑度大于非氧化金屬的黑度。黑度概述：金屬表面的發(fā)射率一般較小。(非常小)；氧化層可以大大增加金

11、屬表面的發(fā)射率：鋁，輕微氧化，=0.1；嚴(yán)重氧化，=0.5；非導(dǎo)體的發(fā)射率較大，一般為0.6；金屬：t，(形成氧化薄層)；非金屬：或(可以增加或減少)。吸收率：物體對(duì)輸入輻射的吸收百分比，通常用3)光譜吸收率表示：物體對(duì)某一波長(zhǎng)的輻射能的吸收百分比，也稱為單色吸收率。光譜吸收率隨波長(zhǎng)的變化反映了真實(shí)物體的選擇性吸收特性。真實(shí)物體的吸收特性，幾種材料的光譜吸收率與室溫波長(zhǎng)的關(guān)系，金屬導(dǎo)電材料的光譜吸收率與波長(zhǎng)的關(guān)系，非導(dǎo)電材料的光譜吸收率的關(guān)系。如果輸入輻射來(lái)自黑體，上述公式可以改變。圖7-18顯示了一些材料對(duì)黑體輻射的吸收率與溫度之間的關(guān)系。某些材料對(duì)黑體輻射的吸收率與溫度的關(guān)系。第二，灰體和

12、真實(shí)物體的光譜吸收率與黑體有很大不同，黑體不僅小于1，而且不規(guī)則，隨波長(zhǎng)變化。如果一個(gè)物體的光譜吸收率小于1，但它是一個(gè)不隨投射輻射波長(zhǎng)變化的常數(shù)，那么它的吸收率也是一個(gè)常數(shù)?；殷w：光譜吸收率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體?；殷w類似于黑體，它也是一個(gè)理想的物體，但對(duì)于大多數(shù)工程問(wèn)題來(lái)說(shuō)，灰體假設(shè)引起的誤差是可以接受的。灰體的光譜發(fā)射率也是恒定的?；鶢柣舴蚨?，反射輻射和吸收輻射之間的關(guān)系： 1859年，基爾霍夫揭示了輻射力E和實(shí)際物體與其周圍環(huán)境熱平衡時(shí)的吸收率之間的關(guān)系。圖8-17平行板之間的輻射傳熱，如圖所示，板1為黑體，板2為實(shí)際物體，參數(shù)分別為Eb、T1和E、T2，板2的支出和收入之差為兩板之間輻射