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1、河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 1、掌握热辐射和辐射换热的基本原理及特点； 2、掌握黑体、灰体、辐射力、光谱辐射力、有 效辐射、投入辐射、吸收比、反射比、穿透比、 白体、镜体、透热体、黑度等基本概念； 3、掌握黑体辐射的四个基本定律； 4、了解气体辐射、太阳辐射和环境辐射的相关 概念. 基本要求 第八章 热辐射基本定律和辐射特性 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 8-1 热辐射现象的基本概念 8-2 黑体热辐射的基本定律 8-3 固体和液体的辐射特性 8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系 8-5太阳与环境辐射+ 9-4气体辐射的特点 河海大学常州校区热能
2、与动力工程系传热学* 杨祥花 由于太空的超真空环环境是天然 的热绝缘热绝缘 体，宇航员员与太空 的热热量交换换唯一通过辐过辐 射散 热热。 人体与墙墙壁间间的传热传热 方式主要是辐辐射 人体辐射散热 辐射换热应用背景 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 保温瓶的散热热-保温瓶夹层夹层 中主要依靠辐辐射传传 热热 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 太阳能热热水器是典型 的利用辐辐射换热换热 原理 传统传统 工业业中的辐辐射换热问题换热问题 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 一、几个概念 1、热辐射由于热的原因而产生的电磁波辐射 包含在辐射中 由物体内
3、部微粒的热运动状态改变激发出的 2、热辐射产生条件 3、辐射换热物体间辐射和吸收的总和 4、热辐射电磁波的传播速度： 某种电磁波的波长， （常用 ） 频率， （8-1） 8-1 热辐射现象的基本概念 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 二、热辐射在电磁波谱中的位置 1、热辐射 太阳辐射（主要是可见光0.380.76） ，工业上 部分紫外线+全部可见光+大部分红外线 2、工业范围内热辐射主要能量集中在 的红外线区 红外线: ，近红外 ，远红外 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 三、热辐射的吸收、反射、穿透 热辐射总能
4、量 穿透 反射 吸收 穿透比 反射比 吸收比 （8-2） 是物体表面的辐射特性，与物体的性质(种类)、温度 、 表面状况、投入辐射的波长分布有关. 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 1、固体和液体 不允许热辐射穿透 固体：反射 镜面反射:光滑的金属表面、玻璃、塑料等 漫反射: （一般工程材料表面形成） 粗糙非金属表面 （8-3） 分子排列非常紧密，投射辐射能在进入物体很小距 离内就被全部吸收.如：金属导体：该距离约为1 m； 非导体：1mm. 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 不平整尺寸 2、气体 对热辐射不能反射 （8-4） 河海大学常州校区热能与动力工程系传
5、热学* 杨祥花 四、几个名词 1、黑体物体的吸收比 2、镜体物体的镜面反射比 3、白体物体的漫反射比 4、透明体（透热体）物体的穿透比 五、黑体的试验模型 用吸收比 材料，实现黑体。 实际物体热辐射性能的理想模型 白天从远处看房屋的窗户有黑洞洞的感觉 黑体表面的辐射属于漫辐射；各方向分布均匀 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 关于物体的颜色 我们所看到的物体颜色是由于从该表面发出的单 色光线（辐射）投入到了我们的眼睛。 而从表面发出的辐射可能是自身发射的，也可能是反射投入 其表面上的可见光。 如果物体全部吸收各种可见光，它就呈黑色； 如果物体全部反射各种可见光，它就呈白色； 如
6、果物体只反射了一种波长的可见光，则它就呈现该反射的辐射 线的颜色。 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 注意：黑体、白体与黑色物体、白色物体不同 颜色是对可见光而言的 黑体、白体及透明体都是对全波长而言的，而可见光 只占全波长中的一小部分 故：物体对外来全波长射线的吸收能力的高低，不能 凭物体的颜色来判断，白颜色物体（反射的射线在可 见光部分呈白色）不一定是白体；黑颜色物体不一定 是黑体 例如：雪对可见光是良好的反射体，所以肉眼看到是 白色的，但对红外线几乎能全部吸收= 0.985 ，= 0.8 白布和黑布对可见光吸收率不同，但对红外线的吸收 率基本相同 玻璃只透过可见光，对 3
7、 m的红外线不透明 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 一、辐射力 定义：单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有 方向发射出去的全部波长的辐射能的总量. 单位： 引入光谱辐射力 ，单位 ， 为波长 显然有 8-2 黑体热辐射的基本定律 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 二、黑体辐射的基本定律 1、普朗克定律不同温度 的物体，黑体光谱 随波长 的变化规律 其中 ，第一辐射常量； ，第二辐射常量； 波长， 温度， (Planck) 辐射力 （8-6） 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 显见 1） 存在 2）热辐射只在一定区域（ ） 有意义 （热辐射集
8、中在该波长附近） 图8-7 黑体的光谱辐射力 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 2、维恩位移定律 可见 左移 在红外线区（工业应用） 位于可见光内（太阳辐射） (Wien) 又：1）灯光要求为可见光：0.380.76 则 T=38007600K (钨的熔点3410） 2）金属加热时：不变色暗红鲜红橘黄白织 1300 （8-7） 例题8-1 p362 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 3、斯忒藩-玻耳兹曼定律（俗称四次方定律） 黑体辐射力 其中 黑体辐射常数 或 ， （8-5） 其中 黑体辐射力Eb只与黑体表面温度T有关 温度越高，黑体辐射力升高剧烈 已知黑体表面
9、面积，可求黑体辐射功率 例题8-2 （8-8） p363 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 4、兰贝特定律 1)立体角 定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位： sr(球面度或者称为空间度)。 图8-9 立体角定义图 8-12 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 2）可见辐射面积 是指从空间某方向所看 到的表面有效面积。如 右图中的可见辐射面积 为： dA=dA1cos dA1 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 3）定向辐射强度： 与方向无关 b) Eb与b的关系 （8-16） （服从兰贝特定律的辐射， 与 存在倍数关系） (Lambert
10、) 单位时间内，物体在垂直发射方向的单位 面积上，在单位立体角内发射的一切波长 的能量。 （8-15b） a)定义： 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 注意： 黑体表面为漫辐射表面 漫辐射表面：辐射强度在空间各个方向上都相等 只有漫辐射表面：是常数 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 试从热辐射观点分析，用电炉来烘烤某一工 件，把工件放在电炉的正上方热得快还是放 在电炉的边沿热得快？为什么？ 答：虽然不论是放在上方，还是放在边沿， 工件被辐射照射面积相同，所张立体角也相 同，但一个是法向，一个是成角的偏向，而 =ncos，所以工件放在电炉正上方(即法 向)得到的辐
11、射热多，热得快。 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 总结： 黑体辐射的总辐射能力由斯蒂芬玻尔兹定律 确定，辐射力E正比于绝对温度的四次方； 黑体辐射的能量按波长的分布服从于普朗克定律 ，而按空间方向的分布服从于兰贝特定律； 黑体的单色辐射力有个峰值，与此峰值相对应的 波长m由维恩位移定律确定，即随温度T ，m 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 传热学问题思考 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 三、黑体辐射函数 1、实际中常要求 2、黑体辐射函数： 则 比值关系 于是 （8-11） 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 河海大学常州校区
12、热能与动力工程系传热学* 杨祥花 表8-1 a) ， ， 则 b) 则 则 若 ，则 为热射线范围 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 一、实际固体和液体的辐射 1、定义 发射率（黑度） 实际物体的辐射力 ，W/m2 黑体的辐射力，W/m2 光谱发射率（单色黑度） 则 8-3 固体和液体的辐射特性 （8-19） （8-18） （8-17） 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 2、定义定向发射率（定向黑度） 实际物体的定向辐射强度不服从兰贝特定律 3、发射率大小 半球平均发射率（平均黑度） ，高度磨光的金属表面 ， 其它一般材料 法向发射率 求碳化硅辐射力 分析钨丝发
13、光效率 （8-21） 表8-2 例题8-5 例题8-6 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 4、影响物体发射率的因素 物质的种类 由大至小排列： 表面温度 有温度范围下的 （例：严重氧化的铝 ， ） 表面状况 非金属材料：与表面状况关系不大 金属材料 非金属材料(0.850.95)灯黑(0.950.97)水(0.96) 金属 材料(0.60.8) 磨光的表面(0.020.38) 粗糙、氧化的表面(0.60.8) 一般地 表8-2 注意：黑度只与发射体有关，与投入辐射无关 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 一、实际物体的吸收比 1、光谱吸收比 某特定 的投入辐射被吸
14、收的百分数 （与温度及波长分布有关） 结论：物体对不同波长 的投入辐射的吸收是有选择性的 投入辐射：单位时间内从外界辐射到物体单位表面积上 的能量: w/m2 8-4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 8-17 铜与铝的光谱吸收比与波长的关系 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 结论：物体对不同波长 的辐射吸收是有选择的 返回 8-18 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 2、吸收比 物体对全部波长（ ）的 投入辐射所吸收的百分数 若投入辐射来自黑体（ ）（吸收物体
15、温度 ），则 结论：吸收比不仅与自身表面特性有关 还与投入辐射的波长分布有关 若投入辐射来自实际物体（ ），则 （8-23b） （8-23a） 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 3、影响物体吸收比 的因素 1）自身表面性质和温度 ， 2）投入辐射的波长分布规律 本质原因：物体对不同波长 的光谱吸收比 不同 4、灰体光谱吸收比 与波长无关的物体 常数 灰体吸收比 与外界条件无关 灰体同黑体一样，是一种理想物体 实际物体常可看作灰体的条件： 而 在此区内近似不变的物体 2)对投入的热辐射波长范围具有等 的物体 1)热辐射能量集中在 红外线内， （8-24） 河海大学常州校区热能与动力工程系传热学* 杨祥花 几种假想物体
