热辐射和辐射换热

任何物体在绝对零度以上都能发射出电磁波。 物质可对外发射从零到无穷大的任何波长的电 磁波，激发方式不同，所产生的电磁波波长就 不相同，它们投射到物体上产生的效应也不同。 热射线：0.1μ m—100μ m； 可见光：0.38μ m—0.76μ m
热辐射是电磁波多种辐射形式的一种，所有电 磁辐射都以光速进行传播，其值等于辐射波长 与频率的乘积： c ＝λ ν (8-1) 式中 c —— λ —— ν ——频率。 热辐射的传播是以不连续的量子形式进行的， 每个量子的能量为： E ＝h ν (8-2) 式中 h —普朗克常数，其值为6.6256×10-34J· S。
三、辐射强度和辐射力
辐射强度是物体表面朝向某给定方向，对
垂直于该方向的单位面积，在单位时间单位 立体角内所发射全波长的能量，用符号Ⅰ表 示，它的单位是W／(m２· Sr)。Sr是立体角的 单位称为球面度。 若辐射强度仅指某波长λ 下波长间隔dλ 范围 内所发射的能量，则称为 单色辐射强度 ， 用符号Iλ表示，单位是W／(m２·μm·Sr)
本章中将阐述热辐射的本质、特征， 以及有关的基本概念和基本规律， 在此基础上，进一步分析辐射换热 的计算和辐射换热的网络求解法。 本专业主要介绍热辐射的本质、特 征，以及有关的基本概念和基本规 律，对后半部分内容不做要求。
§8-1 热辐射的基本概念
一、辐射和热辐射 辐射：从宏观的角度、辐射是连续的电磁波 传递能量的过程；从微观的角度，辐射是不 连续的量子传递能量的过程。因此，物体向 外界以电磁波的形式发射携带能量的量子的 过程称为辐射。 辐射能：通过辐射所传递的能量称为辐射能 (也把辐射这个术语用来表明辐射能本身)。 热辐射：通常把物质由于自身与温度有关的 原因而激发产生的电磁波传播称为热辐射。
I
0 I d
或
dI I d
辐射力是物体参与辐射的单位表面积在单位 时间内向半球空间辐射出去的0～∞波长范围 内的总能量，用符号E表示，单位是W／m２。 单色辐射力指若辐射力仅指某波长 λ 下波长 间隔 dλ 范围内所发射的能量。用符号 Eλ 表 示，单位是W／(m２· μ m)，
固体和液体不允许热辐射透过。透射 率τ＝０，即α＋ρ＝１。即：吸收能力大 的物体其反射本领就小；反之吸收能力 小的物体其反射本领就大。 气体对辐射能几乎没有反射能力，可 认为反射率 ρ ＝０，即 α ＋ τ ＝１。显 然，吸收性大的气体，其穿透性就差。 多原子气体才具有吸收能力。 固体和液体物体表面状况对这些特性 的影响是至关重要的。
辐射能投射到物体表面后的反射现象，也和 可见光一样有镜面反射和漫反射两种情况。 当表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于投射 辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角 等于反射角。当表面不平整尺寸（表面粗糙 度）大于投射辐射的波长时，入射射线被反 射后沿各个方向均匀分布、形成漫反射。一 般工程材料的表面大都形成漫反射。
依次用符号α 、ρ 、τ 表示，即有： α ＋ρ ＋τ ＝1 (8-3a)
单色辐射：在某个特定波长下的辐射称为单色 辐射，如果投射能量是单色辐射，上述关系也 同样适用。 α λ ＋ρ λ ＋τ λ ＝１ (8-3b) 式中 :α λ 、 ρ λ 、 τ λ 分别为单色吸收率、单色 反射率和单色透射率。 α 、 ρ 、 τ 和 α λ 、 ρ λ 、 τ λ 是物体表面的 辐射特性，和物体的性质，温度及表面状况有 关。α 、ρ 、τ 还和投射能量的波长分布有关。
透明体：如物体能被外来射线所全部透射，
则称为透明体，即τ ＝１。 自然界中并不存在绝对的黑体、白体和透明体， 它们只是实际物体热辐射性能的理想模型。但 也存在接近理想模型的实际物体，如吸收力很 强的煤烟炱和黑丝绒等，α ≈0.97；高度磨光 的纯金ρ ＝０.９８
黑体、白体和透明体都是对全波长射线而言的。 不能按物体的颜色来判断（可见光只是全波长 射线中的一小部分），白颜色的的物体不一定 是白体。例如雪对可见光吸收率很小，但对全 波长射线其吸收率 α ≈0.98，非常接近黑体； 白布和黑布对可见光的吸收率不同，但对红外 线的吸收率基本相同，普通玻璃能透过可见光， 对λ ＞3μ m的红外线几乎是不透明体。 因此，物体对外来辐射的吸收和反射能力是和 物体的性质、表面状况、所处温度和发射物体 的温度有关。
辐射换热：物体之间相互辐射和相互吸收过程的总
效果，称为辐射换热。
特点：
1、不依靠物体间相互接触而进行热量传递，只要彼此 可见的物体就能互相进行热辐射。 2、辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体 的部分内能转化为辐射能发射出去，当射及另一物体 表面而被吸收时，辐射能又转化为该物体的内能。 3、辐射换热过程中，高温物体向低温物体辐射能量的 同时，低温物体也向高温物体辐射能量，热辐射是双 向的。能量最终由高温物体传向低温物体。
二、辐射能的吸收、反射和透射
各种辐射射线都是电磁波，因而 它们之间并无绝对的对立，可见光与 不可见的热射线也无本质的区别。当 热辐线投射到物体上时，和可见光一 样也有 吸收，反射和透射 现象发 生。
根据能量守恒原则：
Gα＋Gρ＋Gτ＝G Gα/G＋Gρ/G＋Gτ/G＝1 其中：Gα /G、Gρ /G、Gτ /G 分别称为该物体对投射辐射的 吸收率，反射率和透射率
E
0 E d
或
dE E d
§半球各 个方向各种波长的全部能量。黑体吸收率最 大，辐射力亦最强，是一个理想化的物 体。 此后凡与黑体辐射有关的物理量，均以 右下角标“b”表示。
自然界所有物体的吸收率 α ，反射率 ρ 和 透射率τ 的数值都在 0 到1 的范围内变化， 每个量的数值又因具体条件不同而千差万 别。为了使问题简化，可以从理想物体入 手进行研究。
黑体：如物体能全部吸收外来辐射线，则称
为黑体，即α ＝１；
白体： 如物体全部反射外来射线，则不论镜
面反射或漫反射均称为白体，即ρ ＝１；