第八章 辐射换热

3、无论温度高低，物体都在不停地相互发射 电磁波能、相互辐射能量；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；总的结果是热由高温传到低温。
•由于热辐射也属于一种辐射现象，从而也遵循
从理论上讲，热辐射的波长范围可在0～ ∞之间，但在工业范围内，一般温度不超过 2000K。
在 这 一 温 度 范 围 内 ， 热 射 线 波 长 在 0.38 ～ 100μm 之间，可见光 0.38 ～ 0.76μm ，比重不大， 如果太阳辐射包括在内，则为0.1～100μm，按照不 同的波长范围，电磁波可分为许多区段，每个区段有 相应的名称。
1T 0.38 2900 1102 2T 0.76 2900 2204
查黑体辐射函数表6-2得到： Fb0 0.1009 Fb01 0.0009405
2
于是可见光所占的比例为：
Fb(1 2 ) Fb(02 ) Fb(01 ) 0.1009 0.0009405 10%
38℃时无光泽的黄铜表面的发射率为0.22，磨 光后却只有0.05，而严重氧化时可达0.9。表面状况 对非金属材料的发射率影响不大，如各种颜色油漆 的发射率介于0.92～0.96。
缺乏资料时非金属材料的发射率可取为0.9
黑度小结：
金属表面的发射率一般较小。（ε 很小）； 有氧化层可大大增大金属表面的发射率：铝，轻微 氧化，ε =0.1；严重氧化，ε =0.5； 非导体的发射率较大，一般ε>0.8； 金属：T↑，ε ↑（形成氧化无薄层）； 非金属ε ↑或↓ （可增可减）。
辐 射 换 热
第一节 热辐射的基本概念
• 一、热辐射的本质
•辐射：物体以电磁波方式向外传递能量的过程。 •热辐射：由于热的原因而产生的电磁波辐射。 •前面我们已经介绍了热传递的二种基本方式（导热和 热对流） 辐射换热与导热、对流换热的区别： 1、不需物体间直接接触（在真空中，无需媒介）； 2、有能量形式的转变；
ρ+α=1（原因：因分子间排列非常紧密，当热辐射 能投射到固体表面时，马上被相邻的分子所吸收）
所以对于固体和液体，其吸收和反射均在表面进 行（表面状况影响很大）。吸收能力强，则反射能力 弱。 例如：玻璃—对可见光基本上是透明体，对于其它波 长的热辐射，穿透能力很差（大棚蔬菜；温室效应－ 地球变暖）。
节能的重要性：单位国民生产总值能耗约为世界平均 值的3.5倍（能源消费量与国民生产总值增长率成正比。 能源利用率为35％左右，发达国家则达到50％左右。 能源状况：水力第一；煤炭第三，石油、天然气第五
2. 维恩位移定律 •从普朗克定律知：单色辐射力与波长之间有一最大 值，从而：
维恩位移定律是1896年提出来的，早于普朗克定 律，从而证明二定律的正确性。 维恩位移定律的应用 用它可测定太空星体表面温度；也可用来选择 对特定地物的监测波段，如火灾检测。
几种金属导体在不同方向上的定向 发射率( )(t=150℃)
•
某一温度下，实际物体的定向辐射强度在各方向 上的变化是不规则的。 • 金 属：在φ≤0~40°基本为常数；然后随着φ↑，εφ↑ 非金属：在φ ≤0~60 °基本为常数；后φ ↑εφ↓
导电体和非导电体的定向发射率随空间方位 （纬度角θ）的变化规律
热辐射线组成：部分紫外线、可见光以及红外线。
从图中可以看出，热辐射线分布中，红外线占优。 反过来说，在某一具体热辐射中，热辐射不一定 也是占优的（看温度大小）
• 热射线：
紫外线0.1~0.38μm
可见光0.38~0.76μm
红外线0.76~100μm 近红外线0.76~1.4μm 中红外线1.4~3.0μm 远红外线3.0~100μm
思考
1、一铁块放入高温炉中加热，从辐射的角度分析铁 块的颜色变化过程
2、黑体一定是黑色的吗？ 3、节能灯原理？
3. 斯蒂芬－波尔兹曼定律
黑体的辐射力
• 由于黑体的辐射力与绝对温度呈四次方关系，所以 又叫四次方定律。
说明： T>0物体就有辐射力； T↑，Eb↑↑，若T2=3T1，则Eb2=81Eb1
向某一方向单位立体角内发射的辐射能
E d p dAd
定向发射率：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向
辐射强度之比：

E Eb Le Le dA cos d d pb Eb / cos Le b Lb dA cos d E / cos d p
部分材料的法向光谱发射率
Baidu Nhomakorabea
3. 辐射力
但实验结果发现，实际物体的辐射力并不严格 地与绝对温度呈四次方的关系，但工程上仍采用四 次方关系进行计算，而把温度项修正包括到黑度中 去，因而黑度还与温度有关。
部分材料的法向总发射率与温度的关系
4、定向发射率εφ
定向发射力：在数值上为单位辐射面积在单位时间内
体的反射能力强（针对于太阳能辐射）。应用到日常
生活中，如在冬天穿黑色（深色衣服）为好（吸收能
力强 ，而且头上需戴上一顶帽子）；夏天，则穿颜色
比较浅的衣服，如白色（少吸收能量），但这也不是 一成不变的。
例如：雪，对太阳能辐射具有很好的反射能力，但对 于其它的热射线，吸收率非常高，可达0.98左右。
所以决定对射线的吸收和反射有重大影响的是物 体的表面状况，而不是它的颜色。（针对工程上遇到 的温度）
有了黑体模型以后，许多科学家对黑体的单色辐射 力与波长二者的关系进行了研究。普朗克首先试图通过 热力学的理论即温度与焓的关系来揭示内在关系，取得 了一些进展，但不能圆满回答一些问题，后来根据电磁 波的量子理论，得到了著名的普朗克定律。（同时也创 立了量子学说理论）
•从图中可以得出以下结论：
（1）黑体的辐射波谱是随波长连续地变化的（光滑 曲线）；


0
( , T1 ) Eb (T2 )d


0
Eb (T2 )d
0
( , T1 ) Eb (T2 )d
f (T1 , T2 , 表面1的性质)
下图给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。
一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系
二、灰体
实际物体的光谱吸收比与黑体相差很大，不但 小于1，无规律，且随波长变化。若某一物体的光谱
吸收比虽小于1，但它是一个不随投射辐射的波长而
变化的常数，则它的吸收比也不是一个常数。
灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。
const
灰体与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于 大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以接 受的。 灰体的光谱发射率亦为常数。
E const Eb
小结：
• 黑体的辐射力由四次方定律确定，Eb=σbT4 W/m2；
• 黑体辐射能量按波长分布服从普朗克定律；按空间 方向的分布则服从兰贝特定律；
• 与峰值相对应的λm有维恩位移定律确定，即： λmax·T=2898(μm·K)。
第三节 实际物体的辐射
一、几个概念 在介绍普朗克定律时，已知黑体的单色辐射力随波长 作规律的变化（即曲线光滑）。对于实际物体，它的 单色辐射力随波长作不规则的变化。
工业上一般物体(T<2000K)热辐射的大部分
能量的波长位于0.76~20μm。
太阳辐射：0.1~20μm
约定：除特殊说明，以后论及的热射线都
指红外线。
二、辐射能的吸收、反射和透射
当热辐射的能量投射到物体表面时，和可见光一 样，也发生吸收，反射和穿透现象。
根据能量守恒有：
在一般情况下，对于固体和液体而言，τ=0。
第二节 黑体辐射
一、黑体模型
1. 黑体： •能够全部吸收各种波长辐射能的物体，称黑体。黑体 表面的辐射属于漫反射。 •在自然界中，纯粹的黑体是 不存在的，例如吸收能力很 强的黑丝绒，其吸收率也只 有0.96，但用人工的方法可 以制造出十分接近于黑体的 模型。
黑体模型
•在空腔内经过多次的吸收和反射，最后离开小孔的能 量很小很小，可以认为完全被吸收在空腔内部，所以 小孔具有黑体表面的性质。 •如果小孔的面积越小，则小孔越接近黑体。 2. 黑体的性质 a. 黑体能够吸收任何波长，任何方向的全部投射辐射。 b. 吸收能力最大的黑体也一定具有最大的辐射能力。 c. 黑体的吸收和辐射能力是温度和波长的函数。
5. 影响黑度的因素 ε =f（种类，表面温度，表面状况）=f（本身性） 种类不同，黑度不同：白大理石， ε=0.95；镀锌铁皮，ε=0.23。 温度不同，ε不同：金属T↑，ε↑（形成氧化膜）； 非金属，T ↑，ε↓（暗黑表面、白亮表面）。
表面状况不一样：ε不一样，磨光表面，ε低；粗糙表面， ε高。有氧化与无氧化不一样：一般氧化的金属黑度大 于无氧化的金属黑度。
对于反射来说，又可分为二类： •镜反射：表面的光洁度、粗糙度小于波长，普通 的镜子 •漫反射：表面的光洁度、粗糙度大于波长，墙 固体和液体的吸收和反射，均在表面进行，而与物 体的内部无关（表面状况密切相关）。
一般的工程材料表面都形成漫反射。 对于气体：ρ=0，α+τ=1 最后还指出：在一般情况下，黑体吸收能力强，白
（2）对任何波长，T↑，Ebλ↑ （3）对于某一温度而言，辐射力有最大值，T↑， 最大值向左移动； （4）辐射能和温度有关。当温度较低时，可见光所 占分额很少（<800K无颜色变化），但随着T的升高， 所占分额有所升高，若是太阳辐射，辐射能在可见 光区所占分为很大。
一般情况下，T≤800K时，物体的颜色变化是看不见 的（无可见光），此时均在红外谱区。 加热金属，T↑，颜色将由从暗红色→鲜红色→桔红 色→白炽色。（根据颜色的变化，炉钢工人就能知道 炉内的大体温度） 我们所用的普通灯泡，其效率为10％，随着科学 技术的发展，必须逐渐淘汰耗能多的灯泡改用节能灯， 可以大大节省电力。
•因为实际物体的不规则变化，使得研究起来非常复 杂，但黑体的机理已经搞清楚，为了和黑体联系起 来，定义以下几个概念
1. 黑度（发射率）ε
定义：实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比 值。
2. 单色黑度（光谱发射率）ελ 实际物体的单色辐射力与同温度下黑体单色辐射力的 比值。
它表明，材料的 光谱发射率随波 长变化比较大， 且不规则；不同 材料的光谱发射 率随波长的变化 规律差异也很大。
室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系
金属导电体的光谱吸收比同波 长的关系
非导电体材料的光谱吸收比同 波长的关系
如果投入辐射来自黑体，由于 b ( , T2 ) 1 ，则上式可变为
1


0
( , T1 ) b ( , T2 ) Eb (T2 )d



0
b ( , T2 ) Eb (T2 )d T24
在温度较高时，必须考虑热辐射的影响（对气体）。
黑体辐射函数 定义：在0~λ的波长范围内黑体发出的辐射能在其 辐射力中所占份额。
黑体辐射函数
【例8-1】若灯泡钨丝的辐射可近似地视为黑体辐射， 试求可见光区段辐射能所占的份额。设灯丝的温度为 2900K。
解：可见光的波段范围为 0.38μm~0.76μm，
二、.实际物体的吸收特性
吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用 表示，即 吸收的能量 投入的能量(投入辐射)
3）光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所 吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随 波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。
吸收的某一特定波长的能量 (,T1) 投入的某一特定波长的能量
二、几个定律 在介绍几个定律之前，先介绍二个基本概念
1. 全辐射力（辐射力）E（本身辐射） 物体在单位时间内单位表面积向周围的半球空间 所有方向发射全部波长的辐射能的总量。 2. 单色辐射力Eλ 物体在单位时间内单位表面积向半球空间所有方向 发射某一波长的辐射能。
•四个定律
1. 普朗克定律 黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系
三、基尔霍夫定律 反射辐射与吸收辐射二者之间的联系: 1859年基尔霍夫揭示了与周围环境处于热 平衡状态下的实际物体辐射力E与吸收比α间的 关系。
如图，板1是黑体，板2是实际物体，