文档介绍：第六章辐射换热
第一节热辐射的基本概念
一、热辐射的本质
辐射:物体以电磁波方式向外传递能量的过程。
热辐射:由于热的原因而产生的电磁波辐射。
特征:①不需物体间直接接触(在真空中,无需媒介);②有能量形式的转变;③与温度的关系不同
由于热辐射也属于一种辐射现象,从而也遵循
从理论上讲,热辐射的波长范围可在0~∞之间,但在工业范围内,一般温度不超过2000K。
在这一温度范围内,~100μm之间,~,比重不大,如果太阳辐射包括在内,~100μm,按照不同的波长范围,电磁波可分为许多区段,每个区段有相应的名称。
从理论上讲,热辐射的波长范围可在0~∞之间,但在工业范围内,一般温度不超过2000K。
热辐射线组成:部分紫外线、可见光以及红外线。 从图中可以看出,热辐射线分布中,红外线占优。但反过来说,在某一具体热辐射中,热辐射不一定也是占优的(看温度大小)(见图6-1)
二、辐射能的吸收、反射和透射
如右图。当热辐射的能量投射到物体表面时,和可见光一样,也发生吸收,反射和穿透现象。
根据能量守恒有:
在一般情况下,对于固体和液体而言,τ=0。
ρ+α=1(原因:因分子间排列非常紧密,当热辐射能投射到固体表面时,马上被相邻的分子所吸收)
但也有特例:例如玻璃对可见光是透明体,对于其它波长的热辐射,穿透能力很差(温室效应-地球变暖)。
对于反射来说,又可分为二类:
镜反射:表面的光洁度(粗糙度)小于波长。普通的镜子
漫反射:表面的光洁度(粗糙度)大于波长。如墙的反射
注意:固体和液体的吸收和反射,均在表面进行,而与物体的内部无关(表面状况密切相关)。
一般的工程材料表面都形成漫反射。
对于气体: ρ=0,α+τ=1
最后还须指出:在一般情况下,黑颜色物体吸收能力强,白颜色物体的反射能力强(针对于太阳能辐射)。应用到日常生活中,如在冬天穿黑色(深色衣服)为好(吸收能力强);夏天,则穿颜色比较浅的衣服,如白色(少吸收能量),但这也不是一成不变的。
例如:雪,对太阳能辐射具有很好的反射能力,但对于其它的热射线,吸收率非常高,。
所以决定对射线的吸收和反射有重大影响的是物体的表面状况,而不是它的颜色。
第二节黑体辐射
一、黑体模型
1. 黑体:
能够全部吸收各种波长辐射能的物体,称黑体。黑体表面的辐射属于漫反射。
在自然界中,纯粹的黑体是不存在的,例如吸收能力很强的黑丝绒,,但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。
在空腔内经过多次的吸收和反射,最后离开小孔的能量很小很小,可以认为完全被吸收在空腔内部,所以小孔具有黑体表面的性质。
如果小孔的面积越小,则小孔越接近黑体。
二、几个定律
在介绍几个定律之前,先介绍二个基本概念
1. 全辐射力(辐射力、本身辐射)E
物体在单位时间内单位表面积向周围的半球空间所有方向发射全部波长的辐射能的总量。
2. 黑体的性质
a. 黑体能够吸收任何波长,任何方面的全部投射辐射。
b. 吸收能力最大的黑体也一定具有最大的辐射能力。
c. 黑体的吸收和辐射能力是温度和波长的函数。
三个定律
1. 普朗克定律
有了黑体模型以后,许多科学家对黑体的单色辐射力与波长二者的关系进行了研究。普朗克首先试图通过热力学的理论来揭示内在关系,取得了一些进展,但不能圆满回答一些问题,后来根据电磁波的量子理论,得到了著名的普朗克定律。(同时也创立了量子学说理论)
2. 单色辐射力Eλ
物体在单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射某一波长的辐射能。