传热学课件第五章辐射换热理论

第三节 辐射力和有效辐射
一、 辐射力
物体在某一温度下向空间辐射能量的多少常用 辐射力来描述。 辐射力E 定义为物体在单位时间内单位表面积 向半球空间所有方向发射的全波长辐射能的总和,单 位为W/㎡。 单色辐射力Eλ 定义为物体在单位时间内单位 表面积向半球空间发射的某一波长λ 的辐射能,单位 为W/m3。根据定义,辐射力与单色辐射力之间的关系 dE 为 或 E
G G G 1 G G G
G G G , , G G G
定义 可得出
1
式中：α 为物体的吸收比，表示物体所吸收 的能量占投入辐射能量的份额；ρ 为物体的反 射比，表示物体所反射的能量占投入辐射能量 的份额；τ 为物体的透射比，表示物体所穿透 的能量占投入辐射能量的份额。
注意：有些物体对热射线的透过具有选择性，
例如玻璃对于波长λ ＞4μ m的红外线是不透明的,而 对于可见光和紫外线则是透热体。还应注意对热射线 而言的黑白概念是对整个热射线范围而言的，可见光 只是其中的一部分，因此对热射线而言的黑白概念与 日常的不同。对于工业高温下的热辐射来说,对射线 的吸收和反射有重大影响的是表面的粗糙程度,而不 是表面的颜色,例如白色表面和黑色表面对于工业高 温下的红外辐射几乎具有相同的吸收比。例如白雪的 吸收比高达0.985,近似于黑体。白布与黑布一样,吸 收比很高,它们辐射特性的区别仅表现在白布对太阳 辐射的吸收比很低,而黑布则相反。
第五章 热辐射基本概念 及基本定律
例 题 赏 析
内 容 精 粹
重 点 难 点
基 本 要 求
基本要求
1. 理解热辐射的本质，掌握热辐射的特点及 吸收比、反射比、穿透比、黑体、透明 体、灰体、漫射体、辐射力、有效辐射等 概念。 2. 掌握热辐射的基本定律及黑体辐射函数表 的应用。 3. 理解实际物体的辐射特性及其黑度、吸收 比的意义及确定方法。 4．掌握气体辐射的特点，了解太阳辐射和炉 内辐射的特点。
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重点与难点
重点：
1. 热辐射的特点、热辐射表面的性质。 2. 辐射力、黑体、灰体、有效辐射等基本 概念。 3. 热辐射基本定律。 4. 气体辐射的特点。
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难点：
1. 热辐射表面的性质 2. 基尔霍夫定律
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内容精粹
§1 热辐射的本质和辐射换热特点
§2 热辐射表面的一般性质
§3 辐射力和有效辐射 §4 黑体辐射基本定律 §5 灰体和基尔霍夫定律 §6 气体辐射
对于某一波长射线，即单色射线上式 仍然成立。可表示为:
1
式中：
, ,
分别称为物体的
单色吸收比、单色反射比和单色透射比。
固体和液体由于分子排列紧密，只要稍具厚 度，它们就不允许热射线透过，即 τ =0 ，因此对 于固体和液体有
1
§7 太阳辐射
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第一节 热辐射的本质和辐射换热特点
辐射:物体以电磁波的形式释放能量的现 象。
热辐射:物体由于热的原因发生的辐射现
象。
热辐射是物体具有一定温度时固有的属性， 物体之间可以依靠热辐射进行辐射换热。
辐射能依靠电磁波在真空或介质中传播， 传播速度等于光速。
辐射线的波长理论上应是0～∞μ m，实际上， 与传热有关的波长大致在0.1～100μ m的范围内，其 中λ =0.38～0.76μ m的为可见光，λ ＜0.38μ m的为 紫外线，λ ＞0.76μ m的为红外线，这些射线称为热 射线。如图示出了整个电磁波谱，可以看出热射线 只占波谱的一部分。
镜反射 漫反射 物体反射有镜面反射和漫反射两种情况，如 图所示。当反射表面非常平整光滑，则形成镜面 反射，这时将遵循几何光学规律，即入射角等于 反射角，此种物体称为镜体，当物体表面十分粗 糙，使得投入表面的辐射向不同方向反射出去， 并且反射辐射在各个方向上均匀分布时，则称为 漫反射。一般工程材料都形成漫反射。
第二节
热辐射表面的一般性质
由于各种辐射线都是电磁波，因此可见 光和不可见光之间无本质区别，辐射线落到 表面上同样会发生反射、吸收和透射现象。
当辐射能量为G的热射线落到
物体表面时，Gα 部分被物体吸收，
Gρ 部分被物体反射,Gτ 部分则透过
物体，根据能量守恒原理有：
G= Gα +Gρ + Gτ
则
（3）辐射换热与导热和对流换热的另一个不 同点在于导热量或对流换热量只和物体温度的一 次方之差成正比，而辐射换热量是与两个物体热 力学温度的四次方之差成正比，因此，两个物体 的温度差对于辐射换热量的影响更强烈。 （4）热辐射是一切物体的固有属性，只要温 度高于0K ,物体就一定向外发出辐射能量，当两 个温度不同的物体在一起时高温物体辐射的能量 大于低温物体辐射的能量，最终结果是高温物体 向低温物体传递了能量。即使两个物体温度相同， 辐射换热也仍在不断进行，只是处于热动平衡状 态，净辐射换热量为零。
工程上，辐射物体 温度一般在 2000K以下，
热辐射主要集中于红外
线区域，辐射体温度不
同，辐射能量的强度不
同。
发光颜色与对应温度的关系
当物体温度不同时，虽然物体之间不相互接触， 却可以通过热射线的相互辐射和吸收，进行能量交换， 这一现象称为辐射换热。辐射换热具有如下特点： （1）辐射换热与导热和对流换热不同，发生辐射 换热时不需要存在任何形式的中间介质，即使在真空 中热辐射也可以进行。 （2）物体在辐射换热过程中，不仅有能量的转换， 而且还有能量形式的转化，即物体在辐射时，不断将 自己的热能转变为电磁波向外辐射，当电磁波射到其 它物体表面时即被吸收而转变为热能，导热和对流换 热均不存在能量形式的转换。
即对固体和液体而言，吸收能力大的物体其反射 能力就小，反之亦然。
对于气体，热射线几乎不被反射，即ρ =0， 故有 1

说明吸收能力大的气体，其穿透能力就小，反之 亦然。
几种假想物理模型: 如果物体能够吸收外来投入辐射所有方向全波长 的辐射能，这时吸收比 α =1，我们称之为黑体；而 当反射比 ρ =1时，称之为镜体或白体，当透过比 τ =1时，称之为透热体。事实上，在自然界中，并不 存在绝对的黑体、白体和透热体，这是人们为了研究 的方便而采用的。 例如：煤烟、炭黑、粗糙的钢板等，对热射线的 吸收比在0.9～0.95以上，接近于黑体。而磨光的纯 金反射比ρ 接近0.98，近似于白体。纯净的空气对于 热射线基本上不吸收也不反射，认为是透热体。