熱輻射和輻射換熱

熱輻射和輻射換熱第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三本章中將闡述熱輻射的本質、特征，以及有關的基本概念和基本規(guī)律，在此基礎上，進一步分析輻射換熱的計算和輻射換熱的網(wǎng)絡求解法。本專業(yè)主要介紹熱輻射的本質、特征，以及有關的基本概念和基本規(guī)律，對后半部分內容不做要求。第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三§8-1熱輻射的基本概念

一、輻射和熱輻射輻射：從宏觀的角度、輻射是連續(xù)的電磁波傳遞能量的過程；從微觀的角度，輻射是不連續(xù)的量子傳遞能量的過程。因此，物體向外界以電磁波的形式發(fā)射攜帶能量的量子的過程稱為輻射。輻射能：通過輻射所傳遞的能量稱為輻射能(也把輻射這個術語用來表明輻射能本身)。熱輻射：通常把物質由于自身與溫度有關的原因而激發(fā)產(chǎn)生的電磁波傳播稱為熱輻射。

第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三任何物體在絕對零度以上都能發(fā)射出電磁波。物質可對外發(fā)射從零到無窮大的任何波長的電磁波，激發(fā)方式不同，所產(chǎn)生的電磁波波長就不相同，它們投射到物體上產(chǎn)生的效應也不同。熱射線：0.1μm—100μm；可見光：0.38μm—0.76μm第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三熱輻射是電磁波多種輻射形式的一種，所有電磁輻射都以光速進行傳播，其值等于輻射波長與頻率的乘積：c＝λν(8-1)

式中c——光速；

λ——波長；

ν——頻率。熱輻射的傳播是以不連續(xù)的量子形式進行的，每個量子的能量為：E＝hν(8-2)式中h—普朗克常數(shù)，其值為6.6256×10-34J·S。

第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三輻射換熱：物體之間相互輻射和相互吸收過程的總效果，稱為輻射換熱。特點：1、不依靠物體間相互接觸而進行熱量傳遞，只要彼此可見的物體就能互相進行熱輻射。2、輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉化，即物體的部分內能轉化為輻射能發(fā)射出去，當射及另一物體表面而被吸收時，輻射能又轉化為該物體的內能。3、輻射換熱過程中，高溫物體向低溫物體輻射能量的同時，低溫物體也向高溫物體輻射能量，熱輻射是雙向的。能量最終由高溫物體傳向低溫物體。第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三二、輻射能的吸收、反射和透射

各種輻射射線都是電磁波，因而它們之間并無絕對的對立，可見光與不可見的熱射線也無本質的區(qū)別。當熱輻線投射到物體上時，和可見光一樣也有吸收，反射和透射現(xiàn)象發(fā)生。

第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三根據(jù)能量守恒原則：

Gα＋Gρ＋Gτ＝GGα/G＋Gρ/G＋Gτ/G＝1

其中：Gα/G、Gρ/G、Gτ/G分別稱為該物體對投射輻射的吸收率，反射率和透射率依次用符號α、ρ、τ表示，即有：α＋ρ＋τ＝1

(8-3a)第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三單色輻射：在某個特定波長下的輻射稱為單色輻射，如果投射能量是單色輻射，上述關系也同樣適用。αλ＋ρλ＋τλ＝１

(8-3b)式中:αλ、ρλ、τλ分別為單色吸收率、單色反射率和單色透射率。

α、ρ、τ和αλ、ρλ、τλ是物體表面的輻射特性，和物體的性質，溫度及表面狀況有關。α、ρ、τ還和投射能量的波長分布有關。

第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三

固體和液體不允許熱輻射透過。透射率τ＝０，即α＋ρ＝１。即：吸收能力大的物體其反射本領就?。环粗漳芰π〉奈矬w其反射本領就大。氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，可認為反射率ρ＝０，即α＋τ＝１。顯然，吸收性大的氣體，其穿透性就差。多原子氣體才具有吸收能力。固體和液體物體表面狀況對這些特性的影響是至關重要的。第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三輻射能投射到物體表面后的反射現(xiàn)象，也和可見光一樣有鏡面反射和漫反射兩種情況。當表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于投射輻射的波長時，形成鏡面反射，此時入射角等于反射角。當表面不平整尺寸（表面粗糙度）大于投射輻射的波長時，入射射線被反射后沿各個方向均勻分布、形成漫反射。一般工程材料的表面大都形成漫反射。

第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三自然界所有物體的吸收率α，反射率ρ和透射率τ的數(shù)值都在0到1

的范圍內變化，每個量的數(shù)值又因具體條件不同而千差萬別。為了使問題簡化，可以從理想物體入手進行研究。第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三黑體：如物體能全部吸收外來輻射線，則稱為黑體，即α＝１；白體：如物體全部反射外來射線，則不論鏡面反射或漫反射均稱為白體，即ρ＝１；透明體：如物體能被外來射線所全部透射，則稱為透明體，即τ＝１。自然界中并不存在絕對的黑體、白體和透明體，它們只是實際物體熱輻射性能的理想模型。但也存在接近理想模型的實際物體，如吸收力很強的煤煙炱和黑絲絨等，α≈0.97；高度磨光的純金ρ＝０.９８第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三黑體、白體和透明體都是對全波長射線而言的。不能按物體的顏色來判斷（可見光只是全波長射線中的一小部分），白顏色的的物體不一定是白體。例如雪對可見光吸收率很小，但對全波長射線其吸收率α≈0.98，非常接近黑體；白布和黑布對可見光的吸收率不同，但對紅外線的吸收率基本相同，普通玻璃能透過可見光，對λ＞3μm的紅外線幾乎是不透明體。因此，物體對外來輻射的吸收和反射能力是和物體的性質、表面狀況、所處溫度和發(fā)射物體的溫度有關。

第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三三、輻射強度和輻射力

輻射強度是物體表面朝向某給定方向，對垂直于該方向的單位面積，在單位時間單位立體角內所發(fā)射全波長的能量，用符號Ⅰ表示，它的單位是W／(m２·Sr)。Sr是立體角的單位稱為球面度。

若輻射強度僅指某波長λ下波長間隔dλ范圍內所發(fā)射的能量，則稱為單色輻射強度，用符號Iλ表示，單位是W／(m２·μm·Sr)

第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三輻射力是物體參與輻射的單位表面積在單位時間內向半球空間輻射出去的0～∞波長范圍內的總能量，用符號E表示，單位是W／m２。單色輻射力指若輻射力僅指某波長λ下波長間隔dλ范圍內所發(fā)射的能量。用符號Eλ表示，單位是W／(m２·μm)，

第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三§8-2熱輻射基本定律

黑體作為理想輻射體，能夠吸收來自半球各個方向各種波長的全部能量。黑體吸收率最大，輻射力亦最強，是一個理想化的物體。

此后凡與黑體輻射有關的物理量，均以右下角標“b”表示。第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三一、普朗克定律

(黑體輻射按波長分布的規(guī)律)

普朗克定律即黑體單色輻射力Ebλ與波長λ和物體表面絕對溫度T之間的函數(shù)關系式：(8-9)其中：C1=3.743×108

w·μm4/m2

C2=1.4387×104μm

K第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三

維恩位移定律

德國物理學家維恩在1896年用經(jīng)典熱力學方法確定了Ebλ為最大值時的波長λmax與溫度T之間的關系：

λmax·T＝2897.6μm·K(8-10)第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三二、斯蒂芬—玻爾茲曼定律

上式說明：黑體的單位表面積上在單位時間內發(fā)出的(包括全波長范圍的)熱輻射總能量，和它的絕對溫度四次方成正比。這就是斯蒂芬-玻爾茲曼定律，亦稱四次方定律。

第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三波段輻射力:波段區(qū)間的輻射能。Fb(λ１－λ２）:波段輻射力占同溫度下黑體輻射力Eb的百分數(shù)。(8-12a)(8-12b)第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三例8-2試求當溫度為2000K時黑體最大的單色輻射力所對應的波長；此時可見光與紅外線在總輻射中所占份額各為多少?解：應用式(8-10)，該黑體最大的輻射力所對應的波長λmax為：λmax＝2897.6/2000＝1.4488μm

可見光的波長范圍為0.38～0.76μm，紅外線波長范圍為0.76～1000μm可分別算出各波長下的λＴ值并由表8-1查出對應的Fb(0－λT)

值。

λ＝0.38μmλT＝760μm·KFb(0－0.38)＝0.1×10-4

λ＝0.76μmλT＝1520μm·KFb(0－0.76）＝0.16×10-1λ＝1000μmλT＝2×10６μm·KFb(0－1000）＝1.0第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三可見光在總輻射中所占的份額Fb(0.38～0.76)

＝0.016－0.1×10-4＝0.01599

＝1.599％紅外線在總輻射中所占的份額

Fb(0.76～1000)

＝１－0.016＝0.984

＝98.4％顯然，在這樣的溫度下，可見光輻射所占份額是微不足道的。第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三四、克?；舴蚨?/p>

黑度ε

：把實際物體的輻射力E與同溫度下黑體的輻射力Eb之比稱為該物體的黑度，用符號ε表示：ε＝E/Ｅb(8-18a)單色黑度ελ

：是實際物體的單色輻射力與同溫度下黑體的單色輻射力之比。ελ＝Eλ/Ｅbλ或Eλ＝ελEbλ(8-18b)ε與ελ的關系為：第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三灰體是指物體的單色輻射率即黑度與波長無關的物體?；殷w的輻射力遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律

E＝εEb＝εσbT４

(8-19a)

＝εcb（T/100)4

(8-19b)

實際物體的輻射力并非嚴格遵守四次方定律，但工程上為方便仍用式(8-19)來計算，所引起的誤差都歸到實際物質的黑度中去修正。此外，自然界中并無絕對灰體，它僅作為一種假想物體。實際物體在紅外波長范圍內，可以近似地看作是灰體。

第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三物體對于投射能量吸收的百分數(shù)是該物體的吸收率α，實際物體的吸收率既決定于投入射線的方向和波長，又決定于物體本身的材料、表面溫度及表面狀況。引入灰體概念后，認為灰體的吸收率和單色吸收率都與波長無關，大小僅取決于吸收表面的狀況。第二十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三實際物體在吸收與輻射之間內在聯(lián)系克?；舴?Kirchhoff)揭示了與周圍環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)下實際物體的黑度與吸收率之間的關系。第三十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三有兩塊相距很近而面積又很大的平行平板。設平板I為黑體表面，其輻射力為Eb，吸收率αb＝１，表面溫度T１；平板Ⅱ為非黑體表面，其輻射力為E，吸收率為α，黑度為ε，表面溫度T２，分析兩平板在單位時間，單位面積上的能量收支。板Ⅱ的能量收支為q＝Ｅ－αEb第三十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三

q＝Ｅ－αEb當系統(tǒng)處于熱平衡時T１＝Ｔ２，q＝０，則Ｅ＝αEb

或E/α＝Ｅb

推廣到任意物體：

E１/α１＝