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0.4gm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。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，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，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。=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(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)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