天津理工大学安全管理综合传热学第4章（副本）.ppt

第四章 辐射换热 热辐射的基本概念 热辐射的基本定律 实际物体的辐射 * * 第4-1节 热辐射的基本概念 热辐射的本质 在物体内，当原子内部的电子受激和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出的磁波向空间传播，这就是辐射。 辐射有一个重要特点，就是它是“对等的”。不论物体(气体)温度高低都向外辐射，甲物体可以向乙物体辐射，同时乙也可向甲辐射。这一点不同于传导，传导是单向进行的。 发射辐射能是各类物质的固有特性。由于激发的原因不同，所产生的电磁波波长就不同，它们投射到物体上产生的效应也不同。如果是由于自身温度或热运动的原因而激发的电磁波传播，就称为热辐射。 各类电磁波的波长分布如图4-1。 波长λ=0.38~0.76μm的电磁波属可见光， 波长λ0.38μm的电磁波是紫外线、伦琴射线，λ=0.76~1000μm的电磁波称为红外线， λ1000μm的电磁波是无线电波。 热辐射的波长主要集中在λ=0.1~1000μm的范围内，其中包括可见光线，部分紫外线和部分红外线，它们投射到物体上能产生热效应。 图 4-1 电磁波波谱 热辐射的特点 ???? 热射线的本质决定了热辐射过程有以下特点：?1、它不依靠物质的接触而进行热量传递 导热和对流换热都必须有冷热物体直接接触或通过中间介质相接触才能进行。?2、辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化 即物体的部分内能转化为电磁波能发射出去，当其辐射到另一物体表面而被吸收时，电磁能又转化为内能。?3、一切物体只要温度大于绝对零度，都不断地发射热射线 即使各物体的温度相同，辐射换热仍在不断进行，只是每一物体辐射出去的能量等于吸收的能量，处于动态平衡。 吸收、反射与透射 与可见光一样，当热辐射能投射到实际物体表面上时，将有一部分被物体表面吸收，有一部分被物体反射，其余部分透过物体，如动画4-1所示。 动画 4-1 物体对热辐射的吸收、反射和穿透 单位时间内投射到单位面积物体表面上的全波长范围内的辐射能称为投入辐射，用 Q 来表示。其中被物体吸收、反射和透射的部分分别为 Qα 、Qρ 和 Qτ，所占的份额分别为： α= Qα/Q ； ρ= Qρ/Q ； τ= Qτ/Q ； α、ρ、τ分别为物体对投射辐射能的吸收比、反射比与透射比。 据能量守恒定律，Q = Qα + Qρ + Qτ （式5-1） 则， α+ρ+τ= 1 （式5-2） （1）如果吸收比α= 1，则表明该物体能吸收全波长域的所有辐射能，称为绝对黑体。它吸收热辐射的能力最强。 （2）如果ρ= 1，则表明该物体能反射所有投射来的辐射能，称为绝对白体，简称白体。 （3）如果τ= 1，则表明该物体能全部透过投射来的辐射能，称为绝对透明体，简称透明体。 黑体 ? α= 1的物体称为黑体，黑体是一种理想物体，在自然界是不存在的，不过有些物质很接近黑体，如沥青（α=0.98）雪和霜（α=0.97）等。也可制造出接近于黑体的模型，如图4-2。 ??? 人工黑体模型：一个内表面吸收比较高的空腔，空腔的壁面上有一个小孔。只要小孔的尺寸与空腔相比足够小，则从小孔进入空腔的辐射能经过空腔壁面的多次吸收和反射后，几乎全部被吸收，相当于小孔的吸收比接近于1，即接近于黑体。 黑体研究的重要意义：由于实际物体的热辐射特性和规律非常复杂，所以人们首先研究黑体辐射的性质和规律，把实际物体的辐射特性与之比较，找出与黑体辐射的区别，再将黑体辐射的规律进行修正后用于实际物体。 图 4-2 人工黑体模型 反射比 ρ= 1 的物体称为镜体（或白体）。抛光的金属表面接近白体（ ρ= 0.97） 透射比τ = 1 的物体称之为绝对透明体。镜体、绝对透明体与黑体一样，都是一种理想物体，自然界中并不存在。 ???? 另外，不能凭物体颜色的黑白来判断它对热辐射吸收比的大小。例如，白雪对红外线的吸收比高达0.97；白布和黑布对可见光的吸收比差别很大，但对红外线的吸收比基本相同. 镜反射与漫反射 ??? ?物体表面对热辐射的反射有两种现象：镜反射与漫反射。镜反射的特点是反射角等于入射角，如动画4-2所示 漫反射时被反射的辐射能在物体表面上方空间各个方向上均匀分布，如动画4-3所示。 动画 4-2 镜反射 动画 4-3 漫反射 1、镜反射、漫反射的条件： 取决于物体表面的粗糙程度和投射辐射能的波长。 当物体表面粗糙度＜λ投时，产生镜反射，例如高度抛光的金属表面就会产生镜反射； 当