传热学：第六章 热辐射及辐射传热
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——与此同时，物体又在每时每刻接受其它物体 以热辐射的方式向它辐射的能量
辐射传热问题在工程领域和科学研究中普遍存在
例如在高温加热和燃烧、红外干燥、红外测 试、卫星、航天航空及太阳能利用等领域都占有 主导地位
对石油工程而言热辐射理论的重要性要低一 些
本章思路
❖ 1 辐射的基本概念 ❖ 2 理想辐射体－黑体 ❖ ——黑体的辐射特性 ❖ ——黑体间的辐射传热计算 ❖ 3 实际物体的辐射 ❖ ——实际物体的辐射和吸收特性 ❖ ——实际物体（灰体）辐射传热的计算
第6章 热辐射及辐射 传热
❖ 看一下书上例题6-7，6-10 ❖ 思考题：2，13，40，41，37 ❖ 作业题：6-3，6-6，6-11，6-13，6-14，6-
18，6-22，6-25
★热辐射是热量传递的三种基本方式之一 ★辐射传热是物体之间以热辐射方式进行热量交 换的总的效果
——任何温度高于OK的物体，每时每刻都在以热 辐射的方式向外界辐射能量
❖ 几何上，“角”反映了在空间某一方向所占区域 的大小
❖ 平面几何中，用平面角表示在平面上所占区域的 大小
❖ 单位“弧度”
❖ 类似地，为了表示物体在三维空间中某一方向所 占空间的大小，引入“立体角”的概念
❖ 立体角（solid angle）：球面面积As与球面半径 r2之比
❖ 单位：sr
As r2
❖ 工业温度范围（2000K）内，有实际意义的热 辐射位于0.8～100μm之间，且大部分能量集中 在红外区段0.76～20μm范围内，可见光区域（ 0.38～0.76μm ）所占比重不大——红外辐射
❖ 太阳辐射（温度约为5800K）能量集中在0.2－ 2μm的波长范围，其中可见光区段占很大比重 ——可见光辐射
向其周围半球空间各个方向发射的某一特定波长
的能量
E
lim
0
E
E Ed 0
定向辐射强度
❖ 热辐射研究的复杂性有两个方面 ❖ ——光谱特性：辐射的强弱随波长而变化，通
过光谱辐射力来描述 ❖ ——方向特性：表面在不同方向上辐射能力是
有差别的，如何衡量发射辐射在空间上的差别 呢？ ❖ 引入定向辐射强度的概念
❖ 引入立体角的目的是衡量表面辐射的方向特性 ❖ 表面在半球空间辐射的能量按不同方向分布的规
律只有对不同方位中相同的立体角来比较才有意 义
❖空间方位不同，可 以见到的辐射面积是 不同的
❖——表面的法线方 向最大
❖——切线方向最小，为零
❖ 表面在半球空间辐射的能量按不同方向分布的规 律只有在相同的辐射面积下来比较才有意义
吸收的综合结果所产生的热量传递现象称为辐 射换热 ❖ 辐射换热特点： ❖ （1）物体间不需要其他介质存在，真空中效 率最高 ❖ （2）伴随着能量形式的转换：内能－辐射能 －内能
6.1.3 辐射力与辐射强度／辐射力
❖ 辐射力——物体在单位时间内、单位表面积向 其上的半球空间的所有方向辐射出去的全部波 长（0～∞波长范围内）的能量
，可省略“定向”二字
6.1.4 理想辐射体／物体对投射辐射的反应
❖ 热辐射能投射到物体表面的反射现象和可见光 一样，也有镜面反射和漫反射之分
❖ 取决于表面的粗糙程度——相对于热辐射的波 长而言
❖ 热射线——由于热的原因而产生的、波长介于 为0.1～100μm的电磁波
❖ 热射线特点： ❖ ——具有电磁波的一般共性，能够以光速传播 ❖ ——电磁波的直线传播、投射、反射、折射等
也都适用于热射线 ❖ ——投射到其他物体表面后能引起明显的热效
应
❖ 6.1.2 辐射传热 ❖ ——不直接接触的物体之间，由于各自辐射和
辐射粒子所携带的能量，称为辐射能
❖ 物质会因受到各种不同方式的作用（激励）而 发射电磁波
❖ 热辐射：由于物体内部热运动状态的改变而将 部分内能转化成电磁波而发射出去的过程；或 者说，辐射能是由与温度有关的内能转化而来 的
❖ 能够发射热辐射是自然界中物体的特性之一 ❖ 在传热学中只研究热辐射
❖ 电磁波通常是以波长或频率来识别的 ❖ 起因不同，波长不同、名称不同
❖ 可见（有效）辐射面积——是指从空间某个方 位所见到的表面有效面积
❖ 定向辐射（强）度——单位时间内，单位可见辐 射面积向空间某一方向的单位立体角内发出的总 辐射能（发射＋反射）
❖ 用Lp表示，单位是W/(m2.sr)
Lp (
,)
d( ,) dAcos d
❖ 反映了物体向空间不同方向发射辐射能的强度 ❖ 因定向辐射强度永远和空间特定方向联系在一起
dFra Baidu bibliotek
dAs r2
❖ 辐射通常用到半球空间， 半球空间的几何方位用球 坐标系更方便
❖ —用φ表示经度角（ azimuthal angle）
❖ —用θ表示纬度角（ latitudinal angle）
❖ 微元立体角与半球空间几何参数间的关系
❖ 微元立体角，与半径无关
d
dAs r2
sindd
❖ 半球空间的立体角为2π sr
❖ 波长不同，特性不同：
❖ ——短波的γ射线、X射线等，高能物理学家和
核工程师更感兴趣 ❖ ——波长在1mm－1m的电磁波称为微波，能穿
透塑料、陶瓷和玻璃等，但会被水等极性分子 吸收而产生内热源——微波炉的原理 ❖ ——波长大于1米的电磁波主要用于无线电技术 中 ❖ 热辐射中发出的电磁波通常称为热射线，本质 上也是电磁波
❖ 用“E”表示，W/m2 ❖ 辐射力表述了物体在一定温度下发射辐射能本
领的大小 ❖ 强调的是半球空间，尽其所能
❖ 任意微元表面都将整个空 间划分为对称的两部分： 表面之上与表面之下
❖ 每一部分都对应着半球空间
❖ 微元表面向其上的半球空 间发射辐射能
❖ 微元表面也接受来自该半 球空间的辐射能
光谱辐射力——物体在单位时间内、单位表面积
本章总说明
❖ 物体的辐射特性包含发射特性和吸收特性 ❖ 课程中提到的温度包括两个： ❖ （1）工业高温，小于2000K——红外辐射 ❖ （2）太阳高温，近6000K——太阳辐射
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射
❖ 辐射——物体向外界以电磁波的方式发射携带 能量的粒子的过程
❖ 宏观－辐射是连续的电磁波传递能量的过程 ❖ 微观－辐射是不连续的光子传递能量的过程 ❖ 电磁波的本质是具有一定能量的光子(粒子)，
辐射传热问题在工程领域和科学研究中普遍存在
例如在高温加热和燃烧、红外干燥、红外测 试、卫星、航天航空及太阳能利用等领域都占有 主导地位
对石油工程而言热辐射理论的重要性要低一 些
本章思路
❖ 1 辐射的基本概念 ❖ 2 理想辐射体－黑体 ❖ ——黑体的辐射特性 ❖ ——黑体间的辐射传热计算 ❖ 3 实际物体的辐射 ❖ ——实际物体的辐射和吸收特性 ❖ ——实际物体（灰体）辐射传热的计算
第6章 热辐射及辐射 传热
❖ 看一下书上例题6-7，6-10 ❖ 思考题：2，13，40，41，37 ❖ 作业题：6-3，6-6，6-11，6-13，6-14，6-
18，6-22，6-25
★热辐射是热量传递的三种基本方式之一 ★辐射传热是物体之间以热辐射方式进行热量交 换的总的效果
——任何温度高于OK的物体，每时每刻都在以热 辐射的方式向外界辐射能量
❖ 几何上，“角”反映了在空间某一方向所占区域 的大小
❖ 平面几何中，用平面角表示在平面上所占区域的 大小
❖ 单位“弧度”
❖ 类似地，为了表示物体在三维空间中某一方向所 占空间的大小，引入“立体角”的概念
❖ 立体角（solid angle）：球面面积As与球面半径 r2之比
❖ 单位：sr
As r2
❖ 工业温度范围（2000K）内，有实际意义的热 辐射位于0.8～100μm之间，且大部分能量集中 在红外区段0.76～20μm范围内，可见光区域（ 0.38～0.76μm ）所占比重不大——红外辐射
❖ 太阳辐射（温度约为5800K）能量集中在0.2－ 2μm的波长范围，其中可见光区段占很大比重 ——可见光辐射
向其周围半球空间各个方向发射的某一特定波长
的能量
E
lim
0
E
E Ed 0
定向辐射强度
❖ 热辐射研究的复杂性有两个方面 ❖ ——光谱特性：辐射的强弱随波长而变化，通
过光谱辐射力来描述 ❖ ——方向特性：表面在不同方向上辐射能力是
有差别的，如何衡量发射辐射在空间上的差别 呢？ ❖ 引入定向辐射强度的概念
❖ 引入立体角的目的是衡量表面辐射的方向特性 ❖ 表面在半球空间辐射的能量按不同方向分布的规
律只有对不同方位中相同的立体角来比较才有意 义
❖空间方位不同，可 以见到的辐射面积是 不同的
❖——表面的法线方 向最大
❖——切线方向最小，为零
❖ 表面在半球空间辐射的能量按不同方向分布的规 律只有在相同的辐射面积下来比较才有意义
吸收的综合结果所产生的热量传递现象称为辐 射换热 ❖ 辐射换热特点： ❖ （1）物体间不需要其他介质存在，真空中效 率最高 ❖ （2）伴随着能量形式的转换：内能－辐射能 －内能
6.1.3 辐射力与辐射强度／辐射力
❖ 辐射力——物体在单位时间内、单位表面积向 其上的半球空间的所有方向辐射出去的全部波 长（0～∞波长范围内）的能量
，可省略“定向”二字
6.1.4 理想辐射体／物体对投射辐射的反应
❖ 热辐射能投射到物体表面的反射现象和可见光 一样，也有镜面反射和漫反射之分
❖ 取决于表面的粗糙程度——相对于热辐射的波 长而言
❖ 热射线——由于热的原因而产生的、波长介于 为0.1～100μm的电磁波
❖ 热射线特点： ❖ ——具有电磁波的一般共性，能够以光速传播 ❖ ——电磁波的直线传播、投射、反射、折射等
也都适用于热射线 ❖ ——投射到其他物体表面后能引起明显的热效
应
❖ 6.1.2 辐射传热 ❖ ——不直接接触的物体之间，由于各自辐射和
辐射粒子所携带的能量，称为辐射能
❖ 物质会因受到各种不同方式的作用（激励）而 发射电磁波
❖ 热辐射：由于物体内部热运动状态的改变而将 部分内能转化成电磁波而发射出去的过程；或 者说，辐射能是由与温度有关的内能转化而来 的
❖ 能够发射热辐射是自然界中物体的特性之一 ❖ 在传热学中只研究热辐射
❖ 电磁波通常是以波长或频率来识别的 ❖ 起因不同，波长不同、名称不同
❖ 可见（有效）辐射面积——是指从空间某个方 位所见到的表面有效面积
❖ 定向辐射（强）度——单位时间内，单位可见辐 射面积向空间某一方向的单位立体角内发出的总 辐射能（发射＋反射）
❖ 用Lp表示，单位是W/(m2.sr)
Lp (
,)
d( ,) dAcos d
❖ 反映了物体向空间不同方向发射辐射能的强度 ❖ 因定向辐射强度永远和空间特定方向联系在一起
dFra Baidu bibliotek
dAs r2
❖ 辐射通常用到半球空间， 半球空间的几何方位用球 坐标系更方便
❖ —用φ表示经度角（ azimuthal angle）
❖ —用θ表示纬度角（ latitudinal angle）
❖ 微元立体角与半球空间几何参数间的关系
❖ 微元立体角，与半径无关
d
dAs r2
sindd
❖ 半球空间的立体角为2π sr
❖ 波长不同，特性不同：
❖ ——短波的γ射线、X射线等，高能物理学家和
核工程师更感兴趣 ❖ ——波长在1mm－1m的电磁波称为微波，能穿
透塑料、陶瓷和玻璃等，但会被水等极性分子 吸收而产生内热源——微波炉的原理 ❖ ——波长大于1米的电磁波主要用于无线电技术 中 ❖ 热辐射中发出的电磁波通常称为热射线，本质 上也是电磁波
❖ 用“E”表示，W/m2 ❖ 辐射力表述了物体在一定温度下发射辐射能本
领的大小 ❖ 强调的是半球空间，尽其所能
❖ 任意微元表面都将整个空 间划分为对称的两部分： 表面之上与表面之下
❖ 每一部分都对应着半球空间
❖ 微元表面向其上的半球空 间发射辐射能
❖ 微元表面也接受来自该半 球空间的辐射能
光谱辐射力——物体在单位时间内、单位表面积
本章总说明
❖ 物体的辐射特性包含发射特性和吸收特性 ❖ 课程中提到的温度包括两个： ❖ （1）工业高温，小于2000K——红外辐射 ❖ （2）太阳高温，近6000K——太阳辐射
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射
❖ 辐射——物体向外界以电磁波的方式发射携带 能量的粒子的过程
❖ 宏观－辐射是连续的电磁波传递能量的过程 ❖ 微观－辐射是不连续的光子传递能量的过程 ❖ 电磁波的本质是具有一定能量的光子(粒子)，