第八章辐射换热资料
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第八章 辐射换热
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）。
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，
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，
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。
部分材料的法向光谱发射率
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
第八章 辐射换热
图 8-2 辐射能的吸收、反射与透射
上式可变换为
GA GR GD A R D 1 GGG
公式中的 A、R、D 分别称为物体的吸收率、反射率与透射率。根据 A、R、D 的数值可以定义如下几种 特殊的辐射物体：A=1 的物体称为黑体；如图 8-3 所示，R=1 的物体根据其反射辐射能的方式分为一般 反射体(不规则反射)、白体(漫反射)和镜体(镜面反射)；D=1 的物体称为透明体。一般的，对固体与液体 有 D=0；对气体有 R=0，对称双原子气体和纯净空气可以进一步视为透明体。
例 8-2A 图
假设：(1)灯丝为黑体。 解： 电磁波谱中可见光范围为 0.4~0.76μm，如下图所示。 查表 8-1 知相应的黑体辐射函数为
1T (0.4μm)(2500K) 1000μm K f1 0.000321 2T (0.76μm)(2500K) 1900μm K f2 0.053035
因此，撞击到 F2 表面的辐射能只占整个能量的 0.012%。半球的立体角为 2π，因此 F2 所包含的立体角占 0.0108%，等于 辐射份数的 0.9 倍。因此，即使在辐射强度为常数时，表面包含的立体角也并不能表示表面接受的辐射能的份额。这是因 为表面在给定方向发射的辐射能正比于表面在该方向的投影面积，从 θ=0°时(垂直于表面方向)的最大一直变化到 θ=90°时 (平行于表面方向)的零。
单色辐射力也称为光谱辐射力。
类似的，用方向辐射力 Eθ 描述辐射能按空间分布的性质，即单位时间内物体的单位表面积在一指定 方向的单位立体角内所发射的全部波长的辐射能量。如果微元面积 dF1 在单位时间内沿着 θ 方向的立体 角 dω 内发射的辐射能量为 dQ，则有
E
dQ dF1d
上式可变换为
GA GR GD A R D 1 GGG
公式中的 A、R、D 分别称为物体的吸收率、反射率与透射率。根据 A、R、D 的数值可以定义如下几种 特殊的辐射物体：A=1 的物体称为黑体；如图 8-3 所示，R=1 的物体根据其反射辐射能的方式分为一般 反射体(不规则反射)、白体(漫反射)和镜体(镜面反射)；D=1 的物体称为透明体。一般的，对固体与液体 有 D=0；对气体有 R=0，对称双原子气体和纯净空气可以进一步视为透明体。
例 8-2A 图
假设：(1)灯丝为黑体。 解： 电磁波谱中可见光范围为 0.4~0.76μm，如下图所示。 查表 8-1 知相应的黑体辐射函数为
1T (0.4μm)(2500K) 1000μm K f1 0.000321 2T (0.76μm)(2500K) 1900μm K f2 0.053035
因此，撞击到 F2 表面的辐射能只占整个能量的 0.012%。半球的立体角为 2π，因此 F2 所包含的立体角占 0.0108%，等于 辐射份数的 0.9 倍。因此，即使在辐射强度为常数时，表面包含的立体角也并不能表示表面接受的辐射能的份额。这是因 为表面在给定方向发射的辐射能正比于表面在该方向的投影面积，从 θ=0°时(垂直于表面方向)的最大一直变化到 θ=90°时 (平行于表面方向)的零。
单色辐射力也称为光谱辐射力。
类似的，用方向辐射力 Eθ 描述辐射能按空间分布的性质，即单位时间内物体的单位表面积在一指定 方向的单位立体角内所发射的全部波长的辐射能量。如果微元面积 dF1 在单位时间内沿着 θ 方向的立体 角 dω 内发射的辐射能量为 dQ，则有
E
dQ dF1d
第八章——传热学课件PPT
• 在讨论角系数时，我们假定：
（1）所研究的表面是漫射表面；
（2）所研究表面向外发射的辐射热流密度是均匀的。
• 在这两个假定下，当物体的表面温度及发射率的改变 时，只影响到该物体向外发射的辐射能的大小，而不 影响辐射能在空间的相对分布，因而不影响辐射能落 到其他表面的百分数，即不影响角系数的大小。这样， 角系数就是一个仅与辐射表面间相对位置有关，而与 表面特性无关的纯几何量，从而给计算带来极大的方 便。
• 考虑如图所示的表面1对表面2的角系数。由于 从表面1上发出的落到表面2的总能量，等于落 到表面2上各部分的能量之和，于是有
A1Eb1 X 1,2 A1Eb1 X 1,2a A1Eb1 X 1,2b
2a
2b
• 所以，有 X 1,2 X 1,2a X 1,2b
1
• 如果把表面2进一步分成
若干小块，则仍有
• 实际工程问题虽然不一定满足这些假设，但由此造成 的偏差一般均在计算允许的范围之内，因此这种处理 问题的方法在工程中被广泛采用。本书为讨论方便， 在研Байду номын сангаас角系数时把物体作为黑体来处理。但所得到的 结果对于漫射的灰体表面也适用。
角系数的性质
• 角系数的相对性 • 角系数的完整性 • 角系数的可加性
角系数的相对性
第八章 辐射换热的计算
• 本章讨论物体间辐射换热的计算方法，重点是 固体表面间辐射换热的计算。
• 首先讨论辐射换热计算中的一个重要几何因 子——角系数的定义、性质及其计算方法；
• 然后介绍由两个表面及多个表面所组成系统的 辐射换热计算方法。
• 此基础上总结辐射换热的强化及削弱方法。
• 最后对位于容器及设备壳体内的烟气的辐射换 热特性及烟气与壳体间的辐射换热计算方法作 简要的讨论。
（1）所研究的表面是漫射表面；
（2）所研究表面向外发射的辐射热流密度是均匀的。
• 在这两个假定下，当物体的表面温度及发射率的改变 时，只影响到该物体向外发射的辐射能的大小，而不 影响辐射能在空间的相对分布，因而不影响辐射能落 到其他表面的百分数，即不影响角系数的大小。这样， 角系数就是一个仅与辐射表面间相对位置有关，而与 表面特性无关的纯几何量，从而给计算带来极大的方 便。
• 考虑如图所示的表面1对表面2的角系数。由于 从表面1上发出的落到表面2的总能量，等于落 到表面2上各部分的能量之和，于是有
A1Eb1 X 1,2 A1Eb1 X 1,2a A1Eb1 X 1,2b
2a
2b
• 所以，有 X 1,2 X 1,2a X 1,2b
1
• 如果把表面2进一步分成
若干小块，则仍有
• 实际工程问题虽然不一定满足这些假设，但由此造成 的偏差一般均在计算允许的范围之内，因此这种处理 问题的方法在工程中被广泛采用。本书为讨论方便， 在研Байду номын сангаас角系数时把物体作为黑体来处理。但所得到的 结果对于漫射的灰体表面也适用。
角系数的性质
• 角系数的相对性 • 角系数的完整性 • 角系数的可加性
角系数的相对性
第八章 辐射换热的计算
• 本章讨论物体间辐射换热的计算方法，重点是 固体表面间辐射换热的计算。
• 首先讨论辐射换热计算中的一个重要几何因 子——角系数的定义、性质及其计算方法；
• 然后介绍由两个表面及多个表面所组成系统的 辐射换热计算方法。
• 此基础上总结辐射换热的强化及削弱方法。
• 最后对位于容器及设备壳体内的烟气的辐射换 热特性及烟气与壳体间的辐射换热计算方法作 简要的讨论。
传热学第八章
ε (λ, s) = α (λ, s) = f (分压P, 温度T , 射线行程S)
华北电力大学
刘彦丰
Lλ , 0
体层的单色穿透比，所以
τ (λ, s) = Lλ,s / Lλ,0 = e−kλs
Lλ , x
Lλ ,s
x dx
s
α (λ, s) = 1−τ (λ, s) = 1− e−kλs
根据基尔霍夫定律，还可以得到光谱发射率等于
光谱吸收比
ε (λ, s) = α (λ, s) = 1− e−kλs
传热学 Heat Transfer
§8-1 角系数的定义、性质和计算
一、角系数的定义
两个表面的辐射换热
量与两个表面之间的相
对位置有很大关系。如 图所示：
我们把从表面1发出
表面1
表面2
的辐射能中落到表面2上
的百分数,称为表面1对 表面2的角系数,记为X1,2
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
华北电力大学
刘彦丰
3、代数法
传热学 Heat Transfer
利用角系数的相对性、完整性及可加性来获得 角系数的方法。
1 2
表面2
华北电力大学
表面1
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
X1,2 X 2,1
+ +
X1,3 X 2,3
=1 =1
完整性
X 3,1
+
X3,2
=1
A1 X 1,2 A1 X 1,3
=
A1 X1,2 (Eb1
−
Eb2 )
=
Eb1
− Eb2 1
A1 X1,2
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Lλ , 0
体层的单色穿透比，所以
τ (λ, s) = Lλ,s / Lλ,0 = e−kλs
Lλ , x
Lλ ,s
x dx
s
α (λ, s) = 1−τ (λ, s) = 1− e−kλs
根据基尔霍夫定律，还可以得到光谱发射率等于
光谱吸收比
ε (λ, s) = α (λ, s) = 1− e−kλs
传热学 Heat Transfer
§8-1 角系数的定义、性质和计算
一、角系数的定义
两个表面的辐射换热
量与两个表面之间的相
对位置有很大关系。如 图所示：
我们把从表面1发出
表面1
表面2
的辐射能中落到表面2上
的百分数,称为表面1对 表面2的角系数,记为X1,2
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传热学 Heat Transfer
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3、代数法
传热学 Heat Transfer
利用角系数的相对性、完整性及可加性来获得 角系数的方法。
1 2
表面2
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表面1
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传热学 Heat Transfer
X1,2 X 2,1
+ +
X1,3 X 2,3
=1 =1
完整性
X 3,1
+
X3,2
=1
A1 X 1,2 A1 X 1,3
=
A1 X1,2 (Eb1
−
Eb2 )
=
Eb1
− Eb2 1
A1 X1,2
传热学第八章辐射换热的计算
02
辐射换热的计算方法
辐射换热的基本公式
斯蒂芬-玻尔兹曼方程
描述了物体在任意温度下的辐射功率，是辐射换热的基本公式。
辐射力方程
表示物体发射和吸收的辐射能与物体表面温度和周围环境温度之间 的关系。
辐射传递方程
表示在给定温度和光谱发射率下，物体表面发射和吸收的辐射能与 物体表面温度之间的关系。
辐射换热的角系数法
表面传热系数的计算方法
通过实验测定或经验公式计算表面传热系数， 需要考虑表面粗糙度和涂层的影响。
表面传热系数的应用
适用于简化模型或近似计算中的辐射换热计算。
辐射换热的积分方程法
积分方程的建立
根据斯蒂芬-玻尔兹曼方程和边界条件建立积分方程。
积分方程的求解方法
采用数值方法求解积分方程，如有限元法、有限差分 法等。
太阳能利用
通过优化太阳能集热器的设计，提高太阳能辐射的吸收和 转换效率，降低太阳能利用成本，有助于减少化石能源的 消耗和碳排放。
05
辐射换热的发展趋势与展 望
新型材料的辐射换热特性研究
总结词
随着科技的发展，新型材料不断涌现，对新型材料的辐射换热特性研究成为当 前热点。
详细描述
新型材料如碳纳米管、石墨烯等具有独特的物理和化学性质，其辐射换热特性 与传统材料有所不同。研究这些新型材料的辐射换热特性有助于发现新的传热 机制，提高传热效率。
感谢观看
THANKS
传热学第八章辐射 换热的计算
目 录
• 辐射换热的基本概念 • 辐射换热的计算方法 • 辐射换热的实际应用 • 辐射换热的优化与控制 • 辐射换热的发展趋势与展望
01
辐射换热的基本概念
定义与特性
定义
第八章-热辐射基本定律和辐射基本特性分解
8-3 灰体和基尔霍夫定律
一、实际物体的辐射特性和发射率
▲光谱辐射力随波长呈现不规则的变化；
实际物体 辐射特性：
▲辐射力并不严格地同热力学温度四次方成正比；
▲定向辐射强度在不同方向上有变化谱发射率( )
—修正光谱辐射力Eb
定向发射率( )
—修正定向辐射强度I
★发射率（黑度）ε—— 实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力的比值。
固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上属于表面效应： 金属的表面层厚度小于1m；绝大多数非金属的表面层厚度小 于1mm。
二、黑体模型
能吸收投入到其表面上的所有热辐射能的物体，是 一种科学假想的物体，现实中并不存在。
黑体： 白体或镜体：
1
1
透明体：
1
煤烟、炭黑、粗糙的钢板 0.9以上
黑体吸收和发射辐射能的能力最强
热辐射是热量传递的 基本方式之一，以热辐 射方式进行的热量交换 称为辐射换热。
传热学
第八章 热辐射基本定律和辐射特性
§8-1 热辐射现象的基本概念
1. 热辐射特点
(1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；
(2) 特点：a 任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周
围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形
可见光波段的辐射能量比例为 0.545 8－0.099 32 = 0.446 5
0.76 m ~ 40 m红外波段的辐射能量比例
1.0－0.545 8 = 0.454 2
计算表明： (1) 大气层外太阳辐射中可见光的能量比例接近45％，而
40 m以内的红外辐射也占大约45％。 (2) 太阳辐射温度下，40m以上的红外辐射能量几乎为零。
第八章热辐射的基本定律_传热学
发射的一切波长的能量
d () I () dA cos d
单位：W/m2· sr
2) Lambert定律：
黑体表面具有漫辐射性质，在半球空间各个方向辐射强度相等
I 1 I 2 ...... I n
E I cos I n cos En cos
如果已知黑体温度，则可以求得最大单色辐射力 Eb， max 所对应的波长 max
25
讨论：黑体温度在3800K以下时，其峰值波长处在红外线区域。 因此，在一般工程中所遇到的辐射换热，基本上属于红外辐射。
思考：金属在加热过程中，随 着温度的升高，金属颜色呈暗 红、红、黄、白，请解释这一 现象。
Fb 0－T
T E c1 b d T d T f T 5 0 T C2 5 b b T exp 1 T
30
根据黑体辐射函数，可以计算出给定温度下λ1－λ2波段内的 黑体辐射力为：
Eb 1－ 2 Eb Fb 0－ 2T Fb 0－1T
f (T )
23
三、维恩位移定律
黑体的峰值波长 max 与热力学温度T之间的函数关系
Eb
c15 ec
2
( T )
1
根据普朗克定律，将Eb 对 波长求极值，可得： maxT 2897.6m.K
随着温度T的升高，最大单色辐射 力 Eb， 所对应的峰值波长 max max 逐渐向短波方向移动
• 实际物体的辐射力并不严格遵从四次方定律,怎么办？ 认为E∝T4 由此引起的误差修正归入用实验方法确定的中 因此除了与物性有关，还与物体本身的温度有关
39
2 实际物体的光谱辐射力E
E Eb
d () I () dA cos d
单位：W/m2· sr
2) Lambert定律：
黑体表面具有漫辐射性质，在半球空间各个方向辐射强度相等
I 1 I 2 ...... I n
E I cos I n cos En cos
如果已知黑体温度，则可以求得最大单色辐射力 Eb， max 所对应的波长 max
25
讨论：黑体温度在3800K以下时，其峰值波长处在红外线区域。 因此，在一般工程中所遇到的辐射换热，基本上属于红外辐射。
思考：金属在加热过程中，随 着温度的升高，金属颜色呈暗 红、红、黄、白，请解释这一 现象。
Fb 0－T
T E c1 b d T d T f T 5 0 T C2 5 b b T exp 1 T
30
根据黑体辐射函数，可以计算出给定温度下λ1－λ2波段内的 黑体辐射力为：
Eb 1－ 2 Eb Fb 0－ 2T Fb 0－1T
f (T )
23
三、维恩位移定律
黑体的峰值波长 max 与热力学温度T之间的函数关系
Eb
c15 ec
2
( T )
1
根据普朗克定律，将Eb 对 波长求极值，可得： maxT 2897.6m.K
随着温度T的升高，最大单色辐射 力 Eb， 所对应的峰值波长 max max 逐渐向短波方向移动
• 实际物体的辐射力并不严格遵从四次方定律,怎么办？ 认为E∝T4 由此引起的误差修正归入用实验方法确定的中 因此除了与物性有关，还与物体本身的温度有关
39
2 实际物体的光谱辐射力E
E Eb
传热学68-第八章 辐射换热的计算
解方程组得
( bc ad ) ( ac bd ) 2 ab
X
a b ,c d
交叉线之和 -不交叉线之和 2 表 面 A 1的 断 面 长 度
该方法又被称为交叉线法。
第八章 辐射换热的计算
17
§8-2 被透明介质隔开的两固体 表面间的辐射换热
采用“净热量 ”法。
1.
黑体表面
图8-7
1
X 1, 2 1
A1 A2 1
(2)表面积 A 和 A 2 相差很小,
(3)表面积 A 2 比 A 大得多,
1
A1 A2
0
第八章 辐射换热的计算
27
§8-3 多表面系统辐射换热的计算
(1)
热网络法的原理：
是用电学中的电流、电位差和电阻比 拟热辐射中的热流、热势差与热阻，用电 路来比拟辐射热流的传递路径。
X 1, 2 1 A1
A A
1
cos 1 cos 2 d A1 d A 2
2
r
2
1 A1
A A
1
X d 1, d 2 d A1
2
(8-4a)
X 2 ,1
1 A2
A A
1
cos 1 cos 2 d A1 d A 2
2
r
2
d 1d A2
黑体系统的辐射换热
第八章 辐射换热的计算 18
如图8-7所示，表面1和2之间的辐射换热量为
1 , 2 A1 E b 1 X 1 , 2 A 2 E b 2 X 2 ,1 A1 X 1 , 2 ( E b 1 E b 2 ) 表面 1发出 的热辐射 表面 2 投入 的热辐射
第八章-辐射换热的计算-2
表面2投射到表面1 表面2投射到表面1上的辐射能流为
J2 J1 A1
Q2→1 = A J2 X2,1 2
两个表面之间交换的热流量为 ：
Q ,2 = A J1 X1,2 − A2 J2 X2,1 1 1
Q ,2 = A J1 X1,2 − A2 J2 X2,1 1 1
A2
由角系数的互换性有
A X1,2 = A2 X2,1 1
q = J −G
εEb
ρG
J
从表面内部观察， 从表面内部观察 ， 该表面与外界的辐 射换热量应为： 射换热量应为： q = E −αG 从上两式消去G得到： 从上两式消去 得到： 得到
G
αG
Eb − J q= 1−ε
或
ε
Eb − J Q= 1−ε Aε
Eb − J Q= 1−ε Aε
A为物体表面的面积。Q表示物体表 为物体表面的面积。 表示物体表 为物体表面的面积 面实际向空间辐射出去的辐射能 （热流量），单位为W。 热流量），单位为 。 ），单位为
J2 J1 A1
J1 − J2 J1 − J2 Q ,2 = = 1 1 1 A X1,2 A2 X2,1 1
我们称Q ， 为两表面交换的的热流量； 我们称 1，2为两表面交换的的热流量； J1－J2为两表面间的空间辐射势差； J1 为两表面间的空间辐射势差 空间辐射势差； 1/(A1X1,2)或1/(A2X2,1)为两表面之间的 或 为两表面之间的 空间辐射热阻。
2 两个灰体表面间的辐射换热
当两个灰表面的有效辐射和角系数确定之后， 当两个灰表面的有效辐射和角系数确定之后，我们 就可以计算它们之间的辐射换热量。 就可以计算它们之间的辐射换热量。 表面1投射到表面2上的辐射能流为: 表面1投射到表面2上的辐射能流为:
J2 J1 A1
Q2→1 = A J2 X2,1 2
两个表面之间交换的热流量为 ：
Q ,2 = A J1 X1,2 − A2 J2 X2,1 1 1
Q ,2 = A J1 X1,2 − A2 J2 X2,1 1 1
A2
由角系数的互换性有
A X1,2 = A2 X2,1 1
q = J −G
εEb
ρG
J
从表面内部观察， 从表面内部观察 ， 该表面与外界的辐 射换热量应为： 射换热量应为： q = E −αG 从上两式消去G得到： 从上两式消去 得到： 得到
G
αG
Eb − J q= 1−ε
或
ε
Eb − J Q= 1−ε Aε
Eb − J Q= 1−ε Aε
A为物体表面的面积。Q表示物体表 为物体表面的面积。 表示物体表 为物体表面的面积 面实际向空间辐射出去的辐射能 （热流量），单位为W。 热流量），单位为 。 ），单位为
J2 J1 A1
J1 − J2 J1 − J2 Q ,2 = = 1 1 1 A X1,2 A2 X2,1 1
我们称Q ， 为两表面交换的的热流量； 我们称 1，2为两表面交换的的热流量； J1－J2为两表面间的空间辐射势差； J1 为两表面间的空间辐射势差 空间辐射势差； 1/(A1X1,2)或1/(A2X2,1)为两表面之间的 或 为两表面之间的 空间辐射热阻。
2 两个灰体表面间的辐射换热
当两个灰表面的有效辐射和角系数确定之后， 当两个灰表面的有效辐射和角系数确定之后，我们 就可以计算它们之间的辐射换热量。 就可以计算它们之间的辐射换热量。 表面1投射到表面2上的辐射能流为: 表面1投射到表面2上的辐射能流为:
传热学第八章-辐射换热的计算-3
(3)参与辐射换热的物体表面都是漫射(漫发射、漫反 射)灰体或黑体表面；
(4)每个表面的温度、辐射特性及投入辐射分布均匀。
（一）封闭空腔中诸灰表面间的辐射换热
对于多个表面组成的封闭空腔，采用网络法计算不方 便，可以从能量平衡法入手进行分析。
考察如图所示的封闭空腔内诸表面间的换热：
(a)从包括i在内的所有表面
第八章 辐射换热计算
本节内容：
(1)封闭空腔中诸灰表面间的辐射换热； (2)辐射换热的强化与削弱； (3)气体辐射； (4) 火焰辐射
假设：
(1)把参与辐射换热的有关表面视作一个封闭腔，表面 间的开口设想为具有黑表面的假想面；
(2)进行辐射换热的物体表面之间是不参与辐射的透明 介质(如单原子或具有对称分子结构的双原子气体、空 气)或真空；
f (T , P, S)
3-2：气体吸收定律 设x=0处的单色辐射强度为I, 在经过x距离后，发生在 厚度为 dx的无限小薄层的衰减量为
dI (x) K I,xdx
分离变量并在整个辐射（吸收）层内积分，有
即，
dI I,s ,x
I I ,0 ,x
s
K dx
I,S
I eKS ,0
此为Beer定律，为描述气体吸收的基本定律，反 映气体穿透辐射的指数衰减规律。
tw t3
d t1 s
（三）气体辐射
3-1：气体辐射的特点 (a) 固体表面的辐射和吸收光谱具有连续性，但气体的 辐射和吸收具有明显选择性；只能辐射和吸收某一定 波长范围内的能量。利用这一性质可制成谱带分析仪 ，分析物质的成份； (b) 对于某一投射辐射，只存在吸收和透射；＋＝1 (c) 气体的吸收和辐射在整个气体空间中进行，而固体 的辐射和吸收则仅在很薄的表面层中进行。气体对辐 射的吸收与气体的温度、气体分压和辐射层厚度S有关
(4)每个表面的温度、辐射特性及投入辐射分布均匀。
（一）封闭空腔中诸灰表面间的辐射换热
对于多个表面组成的封闭空腔，采用网络法计算不方 便，可以从能量平衡法入手进行分析。
考察如图所示的封闭空腔内诸表面间的换热：
(a)从包括i在内的所有表面
第八章 辐射换热计算
本节内容：
(1)封闭空腔中诸灰表面间的辐射换热； (2)辐射换热的强化与削弱； (3)气体辐射； (4) 火焰辐射
假设：
(1)把参与辐射换热的有关表面视作一个封闭腔，表面 间的开口设想为具有黑表面的假想面；
(2)进行辐射换热的物体表面之间是不参与辐射的透明 介质(如单原子或具有对称分子结构的双原子气体、空 气)或真空；
f (T , P, S)
3-2：气体吸收定律 设x=0处的单色辐射强度为I, 在经过x距离后，发生在 厚度为 dx的无限小薄层的衰减量为
dI (x) K I,xdx
分离变量并在整个辐射（吸收）层内积分，有
即，
dI I,s ,x
I I ,0 ,x
s
K dx
I,S
I eKS ,0
此为Beer定律，为描述气体吸收的基本定律，反 映气体穿透辐射的指数衰减规律。
tw t3
d t1 s
（三）气体辐射
3-1：气体辐射的特点 (a) 固体表面的辐射和吸收光谱具有连续性，但气体的 辐射和吸收具有明显选择性；只能辐射和吸收某一定 波长范围内的能量。利用这一性质可制成谱带分析仪 ，分析物质的成份； (b) 对于某一投射辐射，只存在吸收和透射；＋＝1 (c) 气体的吸收和辐射在整个气体空间中进行，而固体 的辐射和吸收则仅在很薄的表面层中进行。气体对辐 射的吸收与气体的温度、气体分压和辐射层厚度S有关
ch8.辐射换热解读
非金属----- T↗，↘。非金属的黑度大于金属的黑度。 >0.78
表面氧化层 波长
金属： ↗，↘
非金属： ↗， ↗
19:05:45 第8章 辐射换热 18
8.2
热辐射的基本定律
吸收率a表示物体相对于黑体的吸收 能力
黑度ε表示物体相对于黑体的辐射能力
E1 (灰体辐射) a1 E b 灰体吸收
紫外线 0.1-- 0.38 可见光 0.38--0.76 红外线 0.76--100
工程上的热辐射集中在0.76～40微米的红外线部分——红外线辐射。
19:05:44
第8章 辐射换热
2
8.1
热辐射的基本概念
19:05:44
第8章 辐射换热
3
8.1
热辐射的基本概念
热辐射：高温物体的热能以电 磁波的形式传递给低温物体。
第8章 辐射换热 28
8.3
3）两可自见面
固体表面间的辐射换热
f—透热体
ff 0
兼顾性
f1 1
12 1 f
21 2 f f / A2
A1 1 f f f 1 1 f f / A1
12 1 f f / A1
11 1 12 1 f / A1
位立体角内发射的全部波长的辐射能量。
E
W
m 2 sr
辐射强度：单位时间内，与某一辐射方向垂直的单位辐射面
积在单位立体角发射的全部波长的辐射能量。
I
19:05:44
W
m 2 sr
9
第8章 辐射换热
8.1
立体角
热辐射的基本概念
立体角：是一个空间角度，单位为Sr 。
第八章 辐射换热
E
dE d
式中：Eθ——物体在 θ 方向的方向辐射力(W/(m2· sr))。
方向辐射力是描述辐射能按照空间方向分布的物理量，另一个描述辐射能按照空间方向分布的物理量是辐射强度。
物体在单位时间内，由单位表面积在某一方向的单位立体角内所发射的某一特定波长的辐射能量称为 单色方向辐射力/单色定向辐射力/光谱方向辐射力/光谱定向辐射力。物体的单色方向辐射力可以表示为
0T14 (5.67 108 kg/(s 3 K 4 ))(600K)4 2339W/(m2 sr)
由于黑体是一个漫发射体，这个数值在各个方向上相同。 因此，由小表面 1 发射的撞击到小表面 2 上的辐射能量为
Q12 I1 ( F1 cos1 )21 (2339kg/(s 3 sr))(3cm2 )(cos55)(6.81104 sr) 2.74 104 W
Eλ lim
式中：Eλ——物体的单色辐射力(W/m3)。 单色辐射力和辐射力之间的关系可以表示为
E dE 0 d
E Eλ d
0
物体在单位时间内，由单位表面积在某一方向的单位立体角内所发射的全部波长的辐射能量称为方向 辐射力/定向辐射力。物体的方向辐射力可以表示为
图 8-2 辐射能的吸收、反射和透射
2
上式可以进一步表示为
GA GR GD A R D 1 G G G
式中：A——物体的吸收率(absorptivity)/吸收比； R——物体的反射率(reflectivity)/反射比； D——物体的透射率(transmissivity)/穿透率/透射比/穿透比。 如图 8-3 所示，物体反射辐射能的方式可以分为不规则反射、漫反射和镜面反射三种。
第八章 辐射传热 传热学 教学课件
整理（1）、（2）式得：
X dA1,dA2 dA1 X dA dA2 ,dA1 2
(3)
两微元表面角系数的相对性表达式：
dA1 X
dA X dA1,dA2
2
dA2 ,dA1
2021/4/24
（2）两个有限大小表面之间角系数的相对性
1，2 A1 Eb1 X 1,2 A2 Eb2 X 2,1 当 T1 T时2 ，净辐射换热量为零，即 Eb1 Eb2 则有限大小表面间角系数的相对性的表达式：
2021/4/24
此式为基尔霍夫定律的表达式之一。该 式说明，在热力学平衡状态下，物体的 吸收率等于它的发射率、但该式具有如 下限制：
1）整个系统处于热平衡状态 2）如物体的吸收率和发射率与温度有关，
则两者只有处于同一温度下的数值才能 相等；
3）投射辐射源必须是同温度下的黑体
2021/4/24
研究角系数的性质是用代数法（代数分析法）求解 角系数的前提：
假定：（1）所研究的表面是漫射的 （2）在所研究表面的不同地点上向外发射的辐
射热流密度是均匀的
2021/4/24
1、角系数的相对性
一个微元表面到另一个微元表面的角系数
X
dA1
,dA2
由dA1发出的落到dA2上的辐射能 由dA1发出的辐射能
2021/4/24
8－3 实际物体和灰体的辐射
实际物体的光谱辐射力E随波长和温度的 变化是不规则的，与黑体的E有区别。
相同条件下：实际物体的光谱辐射力E小 于黑体的E
2021/4/24
实际物体发射率（黑度）ε＝实际物体辐射力/同 温度条件下黑体辐射力
黑度的大小表征实际物体的
辐射能力与同温度黑体辐射
(1)三个非凹表面组成的封闭系统
传热学第8章-辐射换热的计算
传热学第8章-辐射换热的计算第⼋章辐射换热的计算重点内容：辐射空间热阻及⿊体表⾯间的辐射传热计算分析⽅法。
影响辐射换热的因素：物体表⾯的温度，表⾯形状及尺⼨，表⾯间相对位置，表⾯的辐射及吸收特性。
分析中的假定：物体表⾯⑴为恒温表⾯；⑵为漫-灰表⾯；⑶之间⽓体为透明体。
任何换热均有阻⼒，辐射换热也不例外，但其热阻形式与导热和对流换热有所不同，它包括仅与表⾯间⼏何因素有关的空间热阻和仅与表⾯辐射及吸收特性有关的表⾯热阻两⼤类。
因此，辐射换热计算中最有效、应⽤最普遍的⽅法是封闭空腔⽹络法。
这⾥将分析⿊体表⾯间的辐射换热并引出空间热阻，并讨论如何应⽤封闭空腔⽹络法进⾏⿊体表⾯间辐射换热的分析计算。
§ 8-1 ⾓系数的定义、性质及计算前⾯讲过，热辐射的发射和吸收均具有空间⽅向特性，因此，表⾯间的辐射换热与表⾯⼏何形状、⼤⼩和各表⾯的相对位置等⼏个因素均有关系，这种因素常⽤⾓系数来考虑。
⾓系数的概念是随着固体表⾯辐射换热计算的出现与发展，于 20 世纪 20 年代提出的，它有很多名称，如，形状因⼦、可视因⼦、交换系数等等。
但叫得最多的是⾓系数。
值得注意的是，⾓系数只对漫射⾯ ( 既漫辐射⼜漫发射 ) 、表⾯的发射辐射和投射辐射均匀的情况下适⽤。
1. ⾓系数的定义在介绍⾓系数概念前，要先温习两个概念. (1)投⼊辐射：单位时间内投射到单位⾯积上的总辐射能，记为 G 。
(2) 有效辐射：单位时间内离开单位⾯积的总辐射能为该表⾯的有效辐射，参见图 8-1 。
包括了⾃⾝的发射辐射 E 和反射辐射 r G 。
G 为投射辐射。
下⾯介绍⾓系数的概念及表达式。
(1) ⾓系数：有两个表⾯，编号为 1 和 2 ，其间充满透明介质，则表⾯ 1 对表⾯ 2 的⾓系数 X 1,2 是：表⾯ 1 直接投射到表⾯2（8—1）同理，也可以定义表⾯ 2 对表⾯ 1 的⾓系数。
从这个概念我们可以得出⾓系数的应⽤是有⼀定限制条件的，即漫射⾯、等温、物性均匀(2) 微元⾯对微元⾯的⾓系数如图8-2所⽰，⿊体微元⾯d A1对微元⾯d A2的⾓系数记图8-1为（8—2b ）(3) 微元⾯对⾯的⾓系数（8—3a ）微元⾯dA2对⾯（8—3b ）(4) ⾯对⾯的⾓系数⾯A 1（8—4a ）（8—4b ）2. ⾓系数性质根据⾓系数的定义和诸解析式，可导出⾓系数的代数性质。
第8章-辐射换热的计算
2
d
dAc dA2 cos 2 2 r r2
dA2 cos 1 cos 2 X dA1 ,dA2 r 2
1
两微元面间的辐射
dA2 cos 1 cos 2 X dA1 ,dA2 r 2
同理：
整理得：
dA1 cos 1 cos 2 X dA2 ,dA1 r2
同理 X 2,4 X 2, 34） X 2,3 （
A(12) X (12), 34） A(34) X 34） 2) （ （ ,(1
A(12) X (12),3 A3 X 3,(12)
A2 X 2,(34) A(34) X (34),2
A2 X 2,3 A3 X 3,2
上述方法又被称为交叉线法。注意：这里所 谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线， 或者说是辅助线。
【例】求下列图形中的角系数
解：
A1 X1， A2 X 2， 2 1
A2 X1， X 2， 2 1 A1
X1， 2
X 2， 1 1
X1,2 4 1 3 3 2 R 4 2R
8.1.2.
角系数的性质
1、角系数的相对性
一个微元表面到另一个微元表面的角系数
由dA1发出的落到dA2上的辐射能 Ib1 d A1 cos 1 d X dA1 ,dA2 由dA1发出的辐射能 Eb1 d A1
E b1 I b1 Eb1 : 辐射力 I b1：定向辐射强度
(2)任意两个非凹表面间的角系数 如图所示表面和假定在垂直于纸面的方向上表面的长 度是无限延伸的，只有封闭系统才能应用角系数的完整性， 为此作辅助线ac和bd，与ab、cd一起构成封闭腔。
A1 两个非凹表面及假想面组 成的封闭系统
d
dAc dA2 cos 2 2 r r2
dA2 cos 1 cos 2 X dA1 ,dA2 r 2
1
两微元面间的辐射
dA2 cos 1 cos 2 X dA1 ,dA2 r 2
同理：
整理得：
dA1 cos 1 cos 2 X dA2 ,dA1 r2
同理 X 2,4 X 2, 34） X 2,3 （
A(12) X (12), 34） A(34) X 34） 2) （ （ ,(1
A(12) X (12),3 A3 X 3,(12)
A2 X 2,(34) A(34) X (34),2
A2 X 2,3 A3 X 3,2
上述方法又被称为交叉线法。注意：这里所 谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线， 或者说是辅助线。
【例】求下列图形中的角系数
解：
A1 X1， A2 X 2， 2 1
A2 X1， X 2， 2 1 A1
X1， 2
X 2， 1 1
X1,2 4 1 3 3 2 R 4 2R
8.1.2.
角系数的性质
1、角系数的相对性
一个微元表面到另一个微元表面的角系数
由dA1发出的落到dA2上的辐射能 Ib1 d A1 cos 1 d X dA1 ,dA2 由dA1发出的辐射能 Eb1 d A1
E b1 I b1 Eb1 : 辐射力 I b1：定向辐射强度
(2)任意两个非凹表面间的角系数 如图所示表面和假定在垂直于纸面的方向上表面的长 度是无限延伸的，只有封闭系统才能应用角系数的完整性， 为此作辅助线ac和bd，与ab、cd一起构成封闭腔。
A1 两个非凹表面及假想面组 成的封闭系统
自编传热第八章-辐射换热PPT(2009)
部分Φτ与Φ的比值。当τ=1 时，称为绝对透明体。
1
对液体和绝大多数固体来说，由于热射线不能穿过
固体和液体，几乎不允许热辐射穿透，于是可以把它们 的吸收和反射视为一个表面过程，它们自身辐射也应在 表面完成，因此，固体和液体上的热辐射是表面辐射。
即：ρ+α=1一般为表面辐射，物体的表面状况
数求解辐射换热问题。
由于太空的超真空环境是天 然的热绝缘体，使其高温外 壁不易冷却，而辐射几乎是 唯一的散热方式
辐射通过低温区向人 体传热
人体与墙壁间的传热方式主要是辐射
辐射换热应用背景介绍 物体通过电磁波来传递能量的方式叫辐射。自
然界中各个物体不停地向空间发出热辐射，同时又 不断地吸收其它物体发出的热辐射。辐射与吸收过 程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的
T—黑体的热力学温度，K
e—自然对数的底； c1—第一辐射常量，其值为：3.742×10－16 W· 2； m c2—第二辐射常量，其值为：1.4388×10－2m· K。
黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系
图 Planck 定律的图示
(3) Planck定律(普朗克定律)的图示 ① 每一温度下，均有一波长λm使Ebλ(光谱辐
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。
在理解上述基本概念时，应注意以下几个问题：
⑴ 镜面反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。 镜面反射：入射角 = 反射角，表面粗糙度 < 波长 漫反射： 表面粗糙度>波长 ⑵ 物体的颜色。关键在于物体本身发射可见光还是物
1
对液体和绝大多数固体来说，由于热射线不能穿过
固体和液体，几乎不允许热辐射穿透，于是可以把它们 的吸收和反射视为一个表面过程，它们自身辐射也应在 表面完成，因此，固体和液体上的热辐射是表面辐射。
即：ρ+α=1一般为表面辐射，物体的表面状况
数求解辐射换热问题。
由于太空的超真空环境是天 然的热绝缘体，使其高温外 壁不易冷却，而辐射几乎是 唯一的散热方式
辐射通过低温区向人 体传热
人体与墙壁间的传热方式主要是辐射
辐射换热应用背景介绍 物体通过电磁波来传递能量的方式叫辐射。自
然界中各个物体不停地向空间发出热辐射，同时又 不断地吸收其它物体发出的热辐射。辐射与吸收过 程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的
T—黑体的热力学温度，K
e—自然对数的底； c1—第一辐射常量，其值为：3.742×10－16 W· 2； m c2—第二辐射常量，其值为：1.4388×10－2m· K。
黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系
图 Planck 定律的图示
(3) Planck定律(普朗克定律)的图示 ① 每一温度下，均有一波长λm使Ebλ(光谱辐
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。
在理解上述基本概念时，应注意以下几个问题：
⑴ 镜面反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。 镜面反射：入射角 = 反射角，表面粗糙度 < 波长 漫反射： 表面粗糙度>波长 ⑵ 物体的颜色。关键在于物体本身发射可见光还是物
建筑设备工程-第八章第四节辐射性采暖
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系统设置
❖ 加热盘管均采用并联布置：减少流动阻力和保证供，回水温 差不致过大。
❖ 原则上采取一个房间为一个环路，大房间一般以房间面积20 一30m2为一个环路，视具体情况可布置多个环路。每个分支 环路的盘管长度宜尽量接近，一般为60～80m，最长不宜超 过120m。
❖ 埋地盘管的每个环路宜采用整根管道，中间不宜有接头，防 止渗漏。加热管的间距不宜大于300mm。PB和PE—X管转 弯半径不宜小于5倍管外径，其他管材不宜小于6倍管外径， 以保证水路畅通。
第四节 辐射采暖系统
一、辐射采暖分类
辐射采暖
(当辐射表面温度)
小于80℃ 低温辐射采暖 80℃~200 ℃ 中温辐射采嗳
大于500℃ 高温辐射采暖
❖ 低温辐射采暖的结构形式是把加热管(或其他发热体)直 接埋设在建筑构件内而形成散热面。
❖ 中温辐射采暖通常是川钢板和小管径的钢管制成矩形块 状或带状散热板。
❖ 卫生间一般采用散热器采暖， 自成环路，采用类似光管式散
热器的干手巾架与分、集水器直接连接。
（图8—26）
❖ 加热管以上的混凝上填充层厚度不应小于30mm，且应设伸
缩缝以防止热膨胀导致地面龟裂和破损。注：伸缩缝的做法
系统设置
(二)低温辐射电热膜采暖
❖ 低温辐射电热膜采暖方式足以电热膜为发热体，大部分 热量以辐射方式散入采暖区域。它是一种通电后能发热 的半透明聚脂薄膜，由可导电的特制油墨、金属载流条 经印刷、热压在两层绝缘聚酯薄膜之间制成的。
❖ 电热膜工作时表面温度为40～60‘C，通常布置在顶棚下 (见图8—27)或地板下或墙裙、墙壁内，同时配以独立的 温控装置。
(三)低温发热电缆采暖
第八章-辐射换热
1
辐射力、辐射强度
物体向外发射的辐射能包括不同波长和不同空间方向的能量
辐射力：单位时间内，物体的单 位表面积向半球空间发射的全部 波长的辐射能量
0~ E
W
m2
E Eb
单色辐射力：单位时间内，物体
的单位表面积向半球空间发射的某 一特定波长的辐射能量,描述辐射能 按波长分布 W
方向辐射力：单位时间内，
T E Eb E Eb c0 100
4
实际物体的方向辐射特性 定向发射率（定向黑度）：
L E 实际物体不是漫发射体， Eb Lb 定向发射率是方向角 的函数。
1.0 ~ 1.2 金属 n
0.95 ~ 1.0 非金属 n
第八章.辐射换热
在绪论中已指出，热辐射是热量传递的基 本方式之一，以热辐射方式进行的热量交换称 为辐射换热。辐射换热在热能动力工程、核能 工程、冶金、化工、航天、太阳能利用、干燥 技术以及日常生活中的加热、供暖等方面具有 非常广泛的应用。
本章主要从宏观的角度介绍热辐射的基本 概念、基本定律以及辐射换热的计算方法。
3）角系数的可加性：
A1Eb1 X1,2 A1Eb1 X1,a A1Eb1 X1,b
X1,2 X1,a X1,b
A1Eb1 X1,23 A1Eb1 X1,2 A1Eb1 X1,3
X1,23 X1,2 X1,3
（3）角系数的计算方法 有积分法、代数法、图解法(或投影法)等
dE b 0 d
maxT 2897 .6m K
维恩定律
8.辐射换热
8.2 黑体辐射的基本定律
斯蒂芬－玻尔兹曼定律
c15 Eb Eb d d c 0 0 exp 2 1 T
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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；
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。
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
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。
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）
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。
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
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？
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）；
（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。
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
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；
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。
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
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。
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）
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。
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
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？
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）；
（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。
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