传热学教案

第7章 热辐射基本定律及物体的辐射特性

作为热量传递的一种重要方式——热辐射在过程的机理上与导热、对流换热是根本不同的。在导热与对流换热部分，研究的是由于物体的宏观运动和微观粒子的热运动所造成的能量转移，而在热辐射中关心的是由于物质的电磁运动所引起的热能的传递，因而其研究方法与思路与导热及对流换热部分的讨论有很大的区别。

本章，首先从电磁辐射的观点来认识热辐射的本质及热辐射能传递过程中的一些特性，然后着重讨论热辐射的几个基本定律，最后介绍实际物体（固体、液体）的辐射特性，为下一章讨论辐射换热的计算奠定基础。

7-1 热辐射的基本概念

一.基本概念

辐射是电磁波传递能量的现象。按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率的电磁波。我们所关心的是由于热的原因产生的电磁波辐射。

热辐射：由于热的原因产生的电磁波辐射。热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热状态改变时激发出来的。

只要物体的温度高于绝对零度，物体总是不断地把热能变为辐射能，向外发射热辐射。同时物体也不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。当物体与环境处于热平衡时，其表面上的热辐射仍在不停地进行，但其辐射换热量等于零。

二.热辐射的波段范围

从理论上说，物体热辐射的电磁波波长可以包括整个波谱，即波长从零到无穷大。然而，在工业上所遇到的温度范围内，即2000K 以下，有实际意义的热辐射波长位于0.38～100μm 之间，且大部分能量位于红外线区段的0.76～20μm 范围内，而在可见光区段，即波长为0.38～0.76μm 的区段，热辐射能量的比重不大。显然，当热辐射的波长大于0.76μm 时，人们的眼睛将看不见。如果把温度范围扩大到太阳辐射，情况就会有变化。太阳是温度约为5800K 的热源，其温度比一般工业上遇到的温度高出很多。太阳辐射的主要能量集中在0.2～2μm 的波长范围，其中可见光区段占有很大比重。如果把太阳辐射包括在内，热

辐射的波长区段可放宽为0.1～100μm ，如图7-1所示。

各种波长的电磁波在科研、生产与日常生活中有着广泛的应用。

本章下面所讨论的内容专指由于热的原因所产生、波长主要位于0.1～

100图7-1 电磁波谱

μm 的热射线。

三.热辐射的吸收、反射及透射特性

参看图7-2，在外界投射到物体表面

上的总能量Q 中，一部分αQ 被物体吸收，

另一部分ρQ 被物体反射，其余部分τQ 穿

透过物体。按照能量守恒定律有：

τραQ Q Q Q ++=

或

1=++Q Q

Q Q Q Q τρα 其中各能量百分数Q Q α、Q Q ρ和Q Q τ分别称为该物体对投入辐射的吸收比、反射比和穿透比，记为α、ρ和τ。于是有：

1=++τρα （7-2）

实际上，当辐射能进入固体或液体表面后，在一个极短的距离内就被吸收完了。对于金属导体，这一距离只有1μm 的量级；对于大多数非导电体材料，这一距离亦小于1mm 。实用工程材料的厚度一般都大于这个数值，因此可以认为固体和液体不允许热辐射穿透，即0=τ。于是，对于固体和液体，上式简化为：

1=+ρα （7-3）

因而，就固体和液体而言，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。

镜面反射：当表面的不平整尺寸小于投入投入辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角等于反射角（见图7-3）。高度磨光的金属板就是镜面反射的实例。

漫反射：当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时，形成漫反射。这时从某一方向投射到物体表面上的辐射向空间各个方向反射出去，如图7-4所示。一般工程材料的表面都形成漫反射。

辐射能投射到气体上时，情况与投射到固体或液体上不同。气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反射比0=ρ，而式（7-2）简化成：

图7-2 物体对热辐射的吸收、反射和透射特性

图7-3 镜面反射 图7-4 漫反射

1=+τα （7-4）

显然，吸收性大的气体，其穿透性就差。

综上所述，固体和液体对投入辐射所呈现的吸收和反射特性，都具有在表面上进行的特点，而不涉及到物体的内部。因此物体表面状况对这些辐射特性的影响是至关重要的。而对于气体，辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状况则是无关紧要的。

四.三种理想模型

1.绝对黑体：吸收比1=α的物体。

2.绝对白体（镜体）：反射比1=ρ的物体。

3.绝对透明体：穿透比1=τ的物体。

五.黑体模型

黑体是一种非常重要的理想模型，尽管在自然界中并不存在黑体，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。黑体

的吸收比1=α，这就意味着黑体能够全部吸收各

种波长的辐射能。黑体的模型就要具备这一基本

特性。选用吸收比小于1的材料制造一个空腔，

并在空腔壁面上开一个小孔（图7-5原则性地表

示了这样一个开小孔的空腔），再设法使空腔壁面

保持均匀的温度，这时空腔上的小孔就具有黑体

辐射的特性。这种带有小孔的温度均匀的空腔就

是一个黑体模型。这是因为当辐射能经小孔射入

空腔时，在空腔内要经历多次吸收和反射，而每

经过一次吸收，辐射能就按照内壁吸收比的份额被减弱一次，最终能离开小孔的能量是微乎其微的，可以认为完全被吸收在空腔内部。所以就辐射特性而言，小孔就有黑体表面一样的性质。值得指出，小孔面积占空腔内壁总面积的份额越小，小孔的吸收比就越高。若小孔占内壁面积小于0.6％，当内壁吸收比为0.6时，计算表明，小孔的吸收比可大于0.996。应用这种原理建立的黑体模型，在黑体辐射的研究以及实际物体与黑体辐射性能的比较等方面都是非常有用的。

注意：在等温空腔内部，辐射是均匀而且各向同性的，空腔内表面上的辐射（有效辐射，包括该表面的自身辐射及反射辐射在内）就是同温度下的黑体辐射，不管腔体壁面的自身辐射特性如何。

黑体在热辐射分析中有其特殊的重要性。在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大。在研究了黑体辐射的基础上，处理其他物体辐射的思路是：把其他物体的辐射和黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的修正系数。本章下面的讨论将按照这一思路进行。

7-2 黑体辐射基本定律

一.基本概念

1.辐射力E ：单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能的总量，单位W/m 2。

2.光谱辐射力λE ：单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的在包含λ的单位波长范围内的辐射能，单位W/m 3。

图7-5 黑体模型