第7章-热辐射的基本定律

第七章热辐射的基本定律

在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。太阳对大地的照射是最常见的辐射现象。高炉中灼热的火焰会烘烤得人们难以忍受‘太阳对人造卫星的辐射，会使卫星的朝阳面的温度明显地高于卫星背阳面的温度；高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构与强度设计，等等。特别是近年来，人类对太阳能的利用，都大大地促进了人们对辐射换热的研究。

本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律；然后重点讨论物体之间的辐射换热规律；最后对气体辐射换热的特点作扼要的介绍。

第一节基本概念

1－1 热辐射的本质和特征

由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。人们根据电磁波不同效应把电磁波分成若干波段。波长λ＝0.38一0.76μm的电磁波段称为可见光波段λ＝0.76—1000 μm的电磁波段称为红外波段(一般将红外波段范围又分为近红外波段和远红外波段，近红外波段为λ＝0.7—25μm，远红外波段为λ＝25—1000μm)；波长大于1000μm的电磁波段称为无线电波段(根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段)；波长小于0.4μm的电磁波依次分为紫外线、x射线和Y射线等。可见光和红外线以及紫外线的一部分被物体吸收后产生热效应，即波长λ＝0.1—1000 μm范围内的电磁技能被物体吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热射线。因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范围，所以本课程所感兴趣的将是热射线，下面将专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。

一、热辐射的本质和特点

1、发射辐射能是各类物质的固有特性。当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。由于自身温度或热运动的原因面激发产生的电磁波传播，就称热辐射。显然，热辐射是电磁波，电磁波的波长范围可从几万分之一微米到数千米，它们的名称和分类如图所示。通常把λ＝0.1—100μm范围的电磁波称热射线，其中包括可见光线、部分紫外线和红外线具有波动和量子特性。

2、特点

热辐射的本质决定了热辐射过程有如下三个特点：

⑴辐射换热与导热、对流换热不同、它不依赖物体的接触而进行热量传递，而导热和对流换热都必须由冷、热物体直接接触或通过中间介质相接触才能进行。

⑵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电磁波能发射出去，当此波能射及另一物体表面而被吸收时，电磁波能又转化为内能。

⑶一切物体只要其温度T＞0K，都会不断地发射热射线。当物体间有温差时，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，因此总的结果是高温物体把能量传给低温物体。即使各个物体的温度相同，辐射换热仍在不断进行，只是每一物体辐射出去的能量，等于吸收的能量，从而处于动平衡的状态。

二、物体的热辐射特性-吸收、反射和透射

当热射线投射到物件上时，遵循着可见光的规律，其中部分被物体吸收，部分被反射，其余则透过物体。如图所示，其中反射存在漫反射和镜反射两种情况。

在物体表面对射线的吸收、反射和透射的过程中，能量平衡关系为：

由此可定义吸收率、反射率和透射率：

物体吸收率：；物体反射率：；物体透射率。

其中；对于单色吸收率、单色反射率、单色透射率：。

为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型：

黑体：α=1 ρ=0 τ=0；

白体：α=0 ρ=1 τ=0；

透明体：α=0 ρ=0 τ=1

自然界和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白体和透明体虽然并不存在，但和它们根相象的物体却是有的。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。

对于τ＝1的物体、说明它能允许投射来的辐射能全部透射过去、因此，称为透明体。这种极限状况在自然界中并不存在，只能有近似的透明体，如双原子气体(氧气、氮气)可视为?＝1的透明体；干燥的空气也可以近似视为透休，但当空气中掺有水蒸气和二氧化碳气时，它就不再能作为透明体来处理，因为这两种气体的吸收率不等于零。有些物体的透射性能与波长有关。也就是说，它对于某——波长范围的辐射线表现出良好的透射性能，而对另一些波长范围则表现为非透明体性能，这就是物体对波长的选择性。例如普通玻璃对可见光来说是良好的透明体，但对紫外线和红外线来说就不是透明体。因此人们在普通玻璃的室内进行日光浴的效果就与室外显著不同。

对大多数的固体和液体来说，热射线都是不能透射的，即τ＝o。这时，α十ρ＝1由上式可以看到，对于τ＝o的物体，吸收能力越强，它的反射能力就越弱；或者说反射能力越强的非透体，其吸收能力就越弱。这一知识早巳被人们的日常生活所验证。例如夏天人们总是喜欢穿白色衣服，这就是利用白色对可见光反射能力强这一特点，便衣服吸收的可见光减少，达到凉爽的目的。又如在防原子辐射的设施上涂成白色也是这个道理。但是应该注意，颜色对可见光的特性并不能概括为额色对全部热射线的特性，上面已经提及普通玻璃对可见光是透体而对紫外线和红外线却不是进体。而白色涤对可见光具有很高的反射串，但对于红外线的反射率却很低；白族和黑漆对红外线的反射率和吸收牢几乎没有什么差别。可见，对热射线的吸收与反射并不取决于颜色，实际上在很大程度上取决于物体表面的状况、粗糙度等因素。

对于物体P＝1的极限情况，说明物体能将投射来的辐射能全部反射掉。这种物体称为白体。物体对投射来的射线的反射可分为镜反射和漫反射。镜反射时射线入射角等于射线的反射角，而漫反射则比较地元规律。表面粗糙度对射线的反射有决定性的影响。注意，这里所指的表面扭糙度是相对于辐射线的波长而言的。当表面不平整度(粗极度)小于投射射线的波长时，即为光滑表面，这时形成镜反射，如高度抛光的金属表面。一般的：t程材料表面对热射线来说均可视力粗糙表面，所以形成漫反射。在本课程所涉及的范围内都只限十漫射表面。对于。＝1的物体，意味着它能全部吸收投射来的各种波长的辐射能，可见它是物体吸收能力最强的一种物体，因此称之为绝对黑体或黑体。在自然界中并不存在绝对黑体。人们可以制造出近似的黑体。例如在高吸收率不透明材料构成的等壁温空腔上开一小扎，就可以把该小孔视为该温度下的黑体。由于投射到小7L上的射线进入空腔后，经过反复吸收、反射，而最后从小孔反射出去的能量可以忽略。可以认为能量全部被小孔吸收。

在理解上述基本概念时，应注意以下几个问题：

⑴镜反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。

⑵物体的颜色。关键在于是物体本身发射可见光还是物体反射可见光。

⑶理想辐射模型均是对全波长而言的。

三、辐射强度和辐射力

所有的固体和液体表面都随时向其上方的整个空间(称为半球空间)发射不同波长的辐射能量。为了进行辐射换热的工程计算，必须研究物体辐射能量随波长的分布特性，以及在半球空间各个方向亡的分布规律。

㈠辐射强度