1、傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer一、輻射及熱輻射一、輻射及熱輻射 輻射輻射是物體通過電磁波傳遞能量的現象。是物體通過電磁波傳遞能量的現象。 輻射有很多種形式，它們的區別是導致發射電輻射有很多種形式，它們的區別是導致發射電磁波的激勵方式不同，而外在表現是輻射的波長不磁波的激勵方式不同，而外在表現是輻射的波長不一樣，以及吸收該輻射能量后引起的效應不同。一樣，以及吸收該輻射能量后引起的效應不同。 熱輻射熱輻射是物體由于熱的原因所產生的輻射。它是物體由于熱的原因所產生的輻射。它的作用：物

2、體吸收輻射能后將其轉變成自身的內能。的作用：物體吸收輻射能后將其轉變成自身的內能。波長范圍：波長范圍：0.10.1100mm傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer可見光的波長范圍：可見光的波長范圍：0.380.380.76mm紫紫 藍藍 青青 綠綠 黃黃 橙橙 赤赤傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer二、輻射與導熱、對流的區別二、輻射與導熱、對流的區別 1.1. 傳遞方式不同傳遞方式不同 導熱和對流需要媒介，輻射換熱不需要中間介質。導熱和對流需要媒

3、介，輻射換熱不需要中間介質。2. 2. 輻射換熱過程存在能量形式的轉換輻射換熱過程存在能量形式的轉換熱能熱能電磁能電磁能電磁能電磁能熱能熱能3. 3. 輻射表面具有方向性和選擇性輻射表面具有方向性和選擇性 輻射換熱屬于表面的物理過程，在換熱表面的不輻射換熱屬于表面的物理過程，在換熱表面的不同方向強度不一定相同，且與波長分布有關。同方向強度不一定相同，且與波長分布有關。傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer三、吸收、反射和透射三、吸收、反射和透射 周圍物體在單位時間內投周圍物體在單位時間內投射到物體單位表面積上的輻射射到物體單位表面積上的輻射能。用能。用G表示

4、，單位表示，單位W/m2 。1 1、投射輻射投射輻射 被物體吸收、反射和透射的部分所占總投射輻被物體吸收、反射和透射的部分所占總投射輻射的份額分別稱為吸收比射的份額分別稱為吸收比 、反射比、反射比 和透射比和透射比 。GGGGGG 12 2、吸收比、反射比和透射比、吸收比、反射比和透射比傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer 視物體表面狀況（平整程度）和投入輻射的波視物體表面狀況（平整程度）和投入輻射的波長，表面的反射又分為鏡反射和漫反射。長，表面的反射又分為鏡反射和漫反射。3 3、鏡反射和漫反射、鏡反射和漫反射 漫反射是把來自任意方向、任意波長的投入輻漫反

5、射是把來自任意方向、任意波長的投入輻射以均勻的強度（不是射以均勻的強度（不是“能量能量”）反射到半球空間）反射到半球空間所有方向上去。所有方向上去。(a)(a)鏡反射鏡反射(b)(b)漫反射漫反射注：除了經特殊處理的金屬表面，大注：除了經特殊處理的金屬表面，大 部分工程材料均可視為漫射表面。部分工程材料均可視為漫射表面。傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer 吸收比吸收比 = 1= 1的物體稱為黑體。的物體稱為黑體。4 4、黑體、白體和透明體、黑體、白體和透明體 黑體、白體和透明體都是理想物體，自然界中黑體、白體和透明體都是理想物體，自然界中并不存在，主要用

6、它們作為研究輻射規律的參照物。并不存在，主要用它們作為研究輻射規律的參照物。特別是黑體的概念，是整個熱輻射研究和工程應用特別是黑體的概念，是整個熱輻射研究和工程應用的理論基礎。的理論基礎。 反射比反射比 = 1= 1的物體稱為白體（或鏡體）。的物體稱為白體（或鏡體）。 透射比透射比 = 1= 1的物體稱之為透明體。的物體稱之為透明體。 傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer四、輻射力和有效輻射四、輻射力和有效輻射1 1、輻射力輻射力 在單位時間內物體單位面積上向半球空間所有在單位時間內物體單位面積上向半球空間所有方向發射的全部波長范圍內的輻射能稱為輻射力，方

7、向發射的全部波長范圍內的輻射能稱為輻射力，用符號用符號E表示，單位為表示，單位為W/m2。bEE傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer2 2、有效輻射、有效輻射 單位時間離開單位面積的總輻射能為有效單位時間離開單位面積的總輻射能為有效輻射，記為輻射，記為J J 。GEJ傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer五五、定向輻射度、定向輻射度(1) (1) 立體角立體角 是指球面上的面積是指球面上的面積與球心所對應的空間角與球心所對應的空間角度度。立體角的單位叫球立體角的單位叫球面度，用面度，用SrSr表示。表示。 2rA傳熱學傳

8、熱學C C Heat Transfer Heat Transfer(2) (2) 可見輻射面積可見輻射面積dAnp可見輻射可見輻射面積面積是指從空間某方向所看到是指從空間某方向所看到的表面有效面積。如右圖的表面有效面積。如右圖中的可見輻射面積為：中的可見輻射面積為：cosdA傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfersr)W/(mdcosdd2ALpp 單位時間內單位時間內, ,單位可見輻射面積在空間指定方單位可見輻射面積在空間指定方向的單位立體角內所發出的總輻射能量。向的單位立體角內所發出的總輻射能量。傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat

9、Transfer一、黑體與黑體模型一、黑體與黑體模型 黑體是吸收比等于黑體是吸收比等于1 1的理想物體。它具有同溫度的理想物體。它具有同溫度下輻射能力最大的性質。下輻射能力最大的性質。 盡管在自然界并不存在黑體，但用人工的方法盡管在自然界并不存在黑體，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑體的模型。如：空腔上的可以制造出十分接近于黑體的模型。如：空腔上的小孔。小孔。傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer二、普朗克定律二、普朗克定律普朗克定律普朗克定律: :確定了黑體輻射的光譜分布規律。確定了黑體輻射的光譜分布規律。),(TfEb1/51b2TCeCEC C1

10、1普朗克第一常數普朗克第一常數，C C1 1= 3.742= 3.7421010-16-16 W m2 ; ;C C2 2普朗克第二常數普朗克第二常數， C C2 2 = 1.439= 1.4391010-2-2 m K。 傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer二、普朗克定律二、普朗克定律光譜輻射力：光譜輻射力：)(bddEE傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer根據黑體輻射曲線可以根據黑體輻射曲線可以得以下規律：得以下規律：(1) (1) 溫度愈高，同一波溫度愈高，同一波長下的光譜輻射力愈大；長下的光譜輻射力愈大；(2)

11、 (2) 在一定的溫度下，黑體的光譜輻射力隨波長連在一定的溫度下，黑體的光譜輻射力隨波長連續變化，并在某一波長下具有最大值；續變化，并在某一波長下具有最大值；(3) (3) 隨著溫度的升高，光譜輻射力取得最大值的波隨著溫度的升高，光譜輻射力取得最大值的波長長 maxmax愈來愈小，即在愈來愈小，即在 坐標中的位置向短波方向坐標中的位置向短波方向移動。移動。 傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer維恩位移定律維恩位移定律 33max109 . 2108976. 2TmK 計算溫度分別為計算溫度分別為300K和和5800K時最大光譜輻射力時最大光譜輻射力所對應的

12、波長所對應的波長 maxmax。m67. 9K 300Km 109 . 2 K, 3003maxTm5 . 0K 5800Km 109 . 2 K, 58003maxT傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer三、斯忒藩三、斯忒藩- -玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律 黑體輻射的輻射力與溫度的關系遵循斯忒藩黑體輻射的輻射力與溫度的關系遵循斯忒藩- -波波爾茲曼定律：爾茲曼定律：4TEbb4100TCEbb)K W/(m67. 5C)K W/(m1067. 542b428b傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer波段范圍內輻射力的計算波段

13、范圍內輻射力的計算21dbbEE為了計算上式，先計算為了計算上式，先計算（0 0 ) )的輻射占總輻射的輻射占總輻射力的百分比力的百分比：0)/(51440)0(d11d2TcbbecTTEFTTcTfTecT0)/(515)()(d112表表8-28-2給出了黑體輻射函數表，即給出了黑體輻射函數表，即 f( T)的數值。的數值。傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat TransferT / (mK)Fb(0-) / % T / (mK)Fb(0-) / %100011001200130014001500160017001800190020002200240026002800

14、30000.03230.09160.2140.4340.7821.2901.9792.8623.9465.2256.69010.1114.0518.3422.8227.36 650070007500800085009000950010000120001400016000180002000022000240002600077.6680.8383.4685.6487.4789.0790.3291.4394.5196.2997.3898.0898.5698.8999.1299.30傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer例題：計算太陽輻射中可見光所占的比例例題：計算

15、太陽輻射中可見光所占的比例。解：太陽可認為是表面溫度為解：太陽可認為是表面溫度為T = 5762 K的黑體，的黑體，可見光的波長范圍是可見光的波長范圍是0.380.76 m ，即，即 1 = 0.38 m , 2 = 0.76 m , 于是于是 24380T mK 12190T mK 由黑體輻射函數表可查得由黑體輻射函數表可查得 %.F94910b%.F595420b可見光所占的比例為可見光所占的比例為 %65.4422210b0bbFFF傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer一、實際物體的光譜輻射力一、實際物體的光譜輻射力 和光譜發射率和光譜發射率E)(1

16、)(bEE)(傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer二、實際物體的輻射力二、實際物體的輻射力 和發射率和發射率EbEE40d)(TEEEbb傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer三、實際物體的定向輻射度三、實際物體的定向輻射度 和定向發射率和定向發射率)()(LbLL)()(幾種非金屬材料的定向發射率幾種非金屬材料的定向發射率幾種金屬材料的定向發射率幾種金屬材料的定向發射率傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer材料類別和表面狀況材料類別和表面狀況溫度溫度法向發射率法向發射率鋼：拋光的鋼：

17、拋光的40260402600.070.10.070.1軋制的鋼板軋制的鋼板40400.650.65不銹鋼：拋光的不銹鋼：拋光的40400.070.170.070.17紅磚紅磚20200.880.930.880.93玻璃玻璃40400.940.94各種顏色的油漆各種顏色的油漆40400.920.960.920.96雪雪-120-1200.820.82水（厚度大于0.1mm）水（厚度大于0.1mm）010001000.960.96人體皮膚人體皮膚32320.980.98部分常見材料表面的法向發射率部分常見材料表面的法向發射率傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer

18、四、實際物體的光譜吸收比四、實際物體的光譜吸收比)()()()(GG)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性質表面的性質，表面投入的總能量吸收的總能量TTfTETTETTbb設下標設下標1 1、2 2分別代表所研究的物體和產生投入輻射的物體，分別代表所研究的物體和產生投入輻射的物體，則物體則物體1 1的吸收比為的吸收比為傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer物體的吸收比除與自身表面性質的溫度有關外，物體的吸收比除與自身表面性質的溫度有關外，還與投入輻射按波長的能量分布有關。還與投入輻射按波長的能量分布有關。傳熱學傳熱學C C Heat

19、 Transfer Heat Transfer 實際物體的光譜吸收比對投入輻射的波長有選實際物體的光譜吸收比對投入輻射的波長有選擇性這一情況給輻射換熱的工程計算帶來很多不便。擇性這一情況給輻射換熱的工程計算帶來很多不便。五、灰體五、灰體 光譜吸收比與波長光譜吸收比與波長無關的理想物體稱為灰無關的理想物體稱為灰體。體。常數)( 在在紅外線紅外線的輻射范圍內大多數工程材料可以當的輻射范圍內大多數工程材料可以當作灰體處理。作灰體處理。吸收比波長015 . 0傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer六、基爾霍夫定律六、基爾霍夫定律 基爾霍夫定律給出基爾霍夫定律給出了實

20、際物體輻射能力與了實際物體輻射能力與吸收能力的關系。吸收能力的關系。列出處于熱平衡時，實際列出處于熱平衡時，實際物體物體2 2的能量收支關系。的能量收支關系。12221bEEqbEE 熱平衡時：熱平衡時：傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer七、關于基爾霍夫定律和灰體的幾點說明七、關于基爾霍夫定律和灰體的幾點說明1 1、根據基爾霍夫定律，物體的輻射能力越大，其、根據基爾霍夫定律，物體的輻射能力越大，其吸收能力也越大。換句話，善于輻射的物體必善于吸收能力也越大。換句話，善于輻射的物體必善于吸收。吸收。2 2、對于工程問題而言，只要在所研究的波長范圍、對于工程問

21、題而言，只要在所研究的波長范圍內光譜吸收比基本上與波長無關，則灰體的假定是內光譜吸收比基本上與波長無關，則灰體的假定是成立的。成立的。 3 3、當研究物體表面對太陽能的吸收時，一般不能、當研究物體表面對太陽能的吸收時，一般不能把物體當作灰體處理。把物體當作灰體處理。傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer一、角系數的定義一、角系數的定義 兩個表面的輻射換熱兩個表面的輻射換熱量與兩個表面之間的相量與兩個表面之間的相對位置有很大關系。如對位置有很大關系。如圖所示：圖所示： 我們把從表面我們把從表面1 1發出發出的輻射能中落到表面的輻射能中落到表面2 2上上的百分數

22、的百分數, ,稱為表面稱為表面1 1對對表面表面2 2的角系數的角系數, ,記為記為X X1,21,2 表面表面1 1表面表面2 2傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer二、角系數的性質二、角系數的性質1 1、角系數的相對性、角系數的相對性1 , 222, 112, 1211 , 22b22, 11b112212, 11 , 22b2122, 11b1210XAXATTXAEXAEXAEXAE時對于兩個黑體表面：對于兩個黑體表面：傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer 在幾個表面組成的封在幾個表面組成的封閉系統中，任一個表

23、面閉系統中，任一個表面對封閉腔各個表面的角對封閉腔各個表面的角系數之和等于系數之和等于1 1。2 2、角系數的、角系數的完整性完整性11, 1, 13 , 12, 11 , 1nitnxXXXX傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer3 3、角系數的分解性、角系數的分解性bbabbXEAXEAXEA2, 1112, 1212, 111baXXX2, 12, 12, 1傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer4 4、代數法求代數法求角系數角系數 利用角系數的相對性、完整性及可加性來獲得利用角系數的相對性、完整性及可加性來獲得角系

24、數的方法。角系數的方法。傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer完整性1= X+ X 1= X+ X1= X+ X3,23,12,32,11,31,2相對性2, 333 , 221 , 333 , 111 , 222, 11XAXAXAXAXAXA13212, 12AAAAX傳熱學傳熱學C C Heat Transfer Heat Transfer一、黑體表面間的輻射換熱計算一、黑體表面間的輻射換熱計算1 , 2222, 1112, 1XEAXEAbb2, 1121212, 111)(XAEEEEXAbbbb1 , 2221211 , 221)(XAEEEEXAbbbb 空間輻射熱阻空間輻射熱阻表面表面1 1表面表面2 211 ,TA22 ,TA傳熱學傳熱學C C Heat Transfer H