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1、热辐射的基本定律1楼smyt_19832位粉丝在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。 太阳对大地的照射是最常见的辐射现象。高炉中灼热的火焰 会烘烤得人们难以忍受太阳对人造卫星的辐射，会使卫星 的朝阳面的温度明显地高于卫星背阳面的温度；高温发动机 部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构 与强度设计，等等。特别是近年来，人类对太阳能的利用， 都大大地促进了人们对辐射换热的研究。本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律;然后重点讨论物 体之间的辐射换热规律；最后对气体辐射换热的特点作扼要 的介绍。第一节基本概念1一1热辐射的本质和特征 由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发
2、射各种不同波 长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以 利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。比如，人们可 以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行 零件探伤，利用热射线传递热能，等等。人们根据电磁波不 同效应把电磁波分成若干波段。波长九=0.38 0.76ym的 电磁波段称为可见光波段入=0.761000 gm的电磁波段称 为红外波段（一般将红外波段范围又分为近红外波段和远红 外波段，近红外波段为入=0.725gm，远红外波段为入=2 51000gm）；波长大于1000gm的电磁波段称为无线电波段 （根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段）； 波长小于0.
3、4gm的电磁波依次分为紫外线、x射线和Y射线 等。可见光和红外线以及紫外线的一部分被物体吸收后产生 热效应，即波长入=0.11000 gm范围内的电磁技能被物体 吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热射线。 因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范 围，所以本课程所感兴趣的将是热射线，下面将专门讨论这 一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。一、热辐射的本质和特点 1、发射辐射能是各类物质的固有特性。当原子内部的电子 受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向 空间传播，这就是辐射。由于自身温度或热运动的原因面激 发产生的电磁波传播，就称热辐射。显然，热辐射是
4、电磁波， 电磁波的波长范围可从几万分之一微米到数千米，它们的名 称和分类如图所示。通常把入=0.1100ym范围的电磁波称 热射线，其中包括可见光线、部分紫外线和红外线具有波动 和量子特性。2、特点热辐射的本质决定了热辐射过程有如下三个特点：辐射换热与导热、对流换热不同、它不依赖物体的接触而 进行热量传递，而导热和对流换热都必须由冷、热物体直接 接触或通过中间介质相接触才能进行。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，当此波能射及另一物体表面 而被吸收时，电磁波能又转化为内能。一切物体只要其温度TOK,都会不断地发射热射线。当 物体间有温差时，高温物体辐
5、射给低温物体的能量大于低温 物体辐射给高温物体的能量，因此总的结果是高温物体把能 量传给低温物体。即使各个物体的温度相同，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， 从而处于动平衡的状态。二、物体的热辐射特性-吸收、反射和透射当热射线投射到物件上时，遵循着可见光的规律，其中部分 被物体吸收，部分被反射，其余则透过物体。如图所示，其 中反射存在漫反射和镜反射两种情况。在物体表面对射线的吸收、反射和透射的过程中，能量平衡关系为：由此可定义吸收率、反射率和透射率：物体吸收率： ；物体反射率： ；物体透射率 。其中；对于单色吸收率、单色反射率、单色透射率: 为研究辐射特性可提
6、出以下理想辐射模型:黑体：a=1 p=0 t=0；白体：a=0 p=1 t=0； 2010-4-13 11:10 冋复透明体：a=0 p=0 t=1smyt_19832位粉丝自然界和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白体和透 明体虽然并不存在，但和它们根相象的物体却是有的。例如， 煤炭的吸收比达到0.96，磨光的金子反射比几乎等于0.98, 而常温下空气对热射线呈现透明的性质。但是，在分析实际 物体表面的吸收、反射和透过特性的时候，必须非常谨慎地 对待波长，尤其要注意不能以肉眼的直观感觉来判断某物体 吸收比的高低。对于T=1的物体、说明它能允许投射来的辐射能全部透射 过去、因此，称为透明体。
7、这种极限状况在自然界中并不存 在，只能有近似的透明体，如双原子气体（氧气、氮气）可视 为?=1的透明体；干燥的空气也可以近似视为透休，但当 空气中掺有水蒸气和二氧化碳气时，它就不再能作为透明体 来处理，因为这两种气体的吸收率不等于零。有些物体的透 射性能与波长有关。也就是说，它对于某一一波长范围的辐 射线表现出良好的透射性能，而对另一些波长范围则表现为 非透明体性能，这就是物体对波长的选择性。例如普通玻璃 对可见光来说是良好的透明体,但对紫外线和红外线来说就 不是透明体。因此人们在普通玻璃的室内进行日光浴的效果 就与室外显著不同。对大多数的固体和液体来说，热射线都是不能透射的，即T =0。这时
8、，a十p = 1由上式可以看到，对于t=o的物体， 吸收能力越强，它的反射能力就越弱；或者说反射能力越强 的非透体，其吸收能力就越弱。这一知识早巳被人们的日常 生活所验证。例如夏天人们总是喜欢穿白色衣服，这就是利 用白色对可见光反射能力强这一特点，便衣服吸收的可见光 减少，达到凉爽的目的。又如在防原子辐射的设施上涂成白 色也是这个道理。但是应该注意，颜色对可见光的特性并不 能概括为额色对全部热射线的特性，上面已经提及普通玻璃 对可见光是透体而对紫外线和红外线却不是进体。而白色涤 对可见光具有很高的反射串，但对于红外线的反射率却很 低；白族和黑漆对红外线的反射率和吸收牢几乎没有什么差 别。可见，
9、对热射线的吸收与反射并不取决于颜色，实际上 在很大程度上取决于物体表面的状况、粗糙度等因素。对于物体P=1的极限情况，说明物体能将投射来的辐射能 全部反射掉。这种物体称为白体。物体对投射来的射线的反 射可分为镜反射和漫反射。镜反射时射线入射角等于射线的 反射角，而漫反射则比较地元规律。表面粗糙度对射线的反射有决定性 的影响。注意，这里所指的表面扭糙度是相对于辐射线的波 长而言的。当表面不平整度（粗极度）小于投射射线的波长 时，即为光滑表面，这时形成镜反射，如高度抛光的金属表 面。一般的：t程材料表面对热射线来说均可视力粗糙表面, 所以形成漫反射。在本课程所涉及的范围内都只限十漫射表 面。 对于
10、。=1的物体，意味着它能全部吸收投射来的 各种波长的辐射能，可见它是物体吸收能力最强的一种物 体，因此称之为绝对黑体或黑体。在自然界中并不存在绝对 黑体。人们可以制造出近似的黑体。例如在高吸收率不透明 材料构成的等壁温空腔上开一小扎，就可以把该小孔视为该 温度下的黑体。由于投射到小7L上的射线进入空腔后，经 过反复吸收、反射，而最后从小孔反射出去的能量可以忽略。 可以认为能量全部被小孔吸收。在理解上述基本概念时，应注意以下几个问题：镜反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。物体的颜色。关键在于是物体本身发射可见光还是物体反 射可见光。理想辐射模型均是对全波长而言的。三、辐射强度和辐射力所有的固
11、体和液体表面都随时向其上方的整个空间(称为半 球空间)发射不同波长的辐射能量。为了进行辐射换热的工 程计算，必须研究物体辐射能量随波长的分布特性，以及在 半球空间各个方向亡的分布规律。一辐射强度 2010-4-13 11:10 回复1、立体角：是一个空间角度。定义为：，单位为立体弧度Srsmyt_19832位粉丝其中0的变化范围是0-900，卩的变化范围则是0-3600。2、辐射强度：是物体给定辐射方向上，物体在与发射方向垂直的方向上的 单位投影面积，在单位时间和单位立体角内所发射全波长的 能量，符号为I,单位为W/(m2Sr)。，其中3、单色辐射强度如果辐射强度是指在波长入附近的单位波长间隔
12、内所发射 的能量，称为单色辐射强度，符号为I入，单位为W/(m2ym Sr)。二辐射力1、辐射力：发射物体每单位表面积在单位时间内向半球空 间所发射的全波长能量，称为辐射力，符号为E，单位为W /m2oE与I的关系为：；E与IX的关系为:2、单色辐射力：如果辐射力是指在波长入附近的单位波长 间隔内所发射的能量，称为单色辐射力，符号为E儿单位 为 W/(m2ym)。3、定向辐射力：如果辐射力是指在某规定方向上的单位面 积上所发射的能量，称为定向辐射力，符号为E0,单位为 W/(m2ym)。第二节 热辐射的基本定律重点内容：热辐射的基本定律及实际物体的热辐射特性简化方法一、黑体黑体具有最大的吸收力
13、(a=1)，同时亦具有最大的辐射力(=1)。在实际物体中不存在绝对黑体，为此引出人工黑体，如图所 示。具有一个小孔的等温空腔表面，若有外部投射辐射从小孔进 入空腔内，必将在其内表面经历无数次的吸收和反射，最后 能够从小孔重新选出去的辐射能量必定微乎其微。于是有理 由认为，几乎全部入射能量都被空腔吸收殆尽。从这个意义 上讲，小孔非常接近黑体的性质。另外，腔内空间的辐射场 系由腔内表面的发射和反射叠加而成，是各向同性的，而且 必定和从小孔选出的辐射具有相同的性质，也等于腔壁温度 所对应的黑体辐射力。、普朗克(M.Planck)定律 1、表达式其中 C1、C2 分别称为普朗克第一常数和第二常数。该规
14、律描述了黑体单色辐射力随波长及温度的变化规律，如 图所示。2 分析(1)在一定温度下，黑体在不同波长范围内辐射能量各不相 同。维恩位移定律：随着温度T增高，最大单色辐射力Eb人 max所对应的峰值波长九max逐渐向短波方向移动。九maxT =2897.6yK。黑体TV1400K,辐射大部分能量集中在九=0.76-10卩内， 从而可以忽略可见光。常温下，实际物体的辐射主要是红外 辐射。三、斯蒂芬-玻尔兹曼定律Eb=obT4W/m2； ob=5.67*10-8W/(m2K4)描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。也可以计算某一波长范围内的辐射力。其中 称为黑体辐射系数。四、兰贝特(Lambert)
15、余弦定律包括三个方面的内容： 1、半球空间上，黑体的辐射强度与方向无关。即：，而各朝向辐射同性的表面称为漫辐射表面。2、漫辐射表面定向辐射力与辐射强度间满足:3、漫辐射表面的辐射力是辐射强度的n倍。该定律描述了黑体及漫辐射表面定向辐射力按空间方向的 分布变化规律。7-3、实际固体何液体的辐射特性黑体是所有物体当中吸收能力最大，同时发射能力也最大的 理想化表面，这个特点使它很自然地成了描述实际表面的吸 收和发射能力大小的最佳基准。通常实际表面（固体或液体） 的光谱辐射力比同温度的黑体小，而且表现出不像黑体那么 有规律。一般对实际物体表面辐射特性进行一定程度的简 化，再用辐射率和吸收率进行修正。引入辐射率是为了定量 描述实际物体在发射辐射方面与黑体的差别,而引入吸收率 是为了定量描述实际物体在吸收辐射方面与黑体的差别。一辐射率 2010-4-13 11:10 冋复（全波长）辐射率；定向辐射率；单色辐射率4楼smyt_19832位粉丝单色辐射率在图中，是两段线段长度之比；辐射率则是阴影 面积（即实际物体辐射力）与实线下的面积（即黑体辐射力） 之比；实际物体用灰体近似替代，在图上就意味着，虚线下 的面积与阴影面积相同。二单色辐射率与灰体实际
