热辐射基础知识

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图2-1 物体对热辐射的 吸收、反射和穿透
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黑体、白体和透明体
2. 黑体：
试验表明物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。在探 索热辐射规律的过程中，黑体（black body）这种理想物体的概念具有重大意义。
黑体，是一个理想化了的物体，它能够在任何温度下吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何 的反射与透射。但黑体不见得就是黑色的，它可以放出电磁波，而这些电磁波的波长和能量则全 取决于黑体的温度，不因其他因素而改变。在室温下，黑体辐射的能量集中在长波电磁辐射和远 红外波段；当黑体温度到几百摄氏度之后，黑体开始发出可见光。以钢材为例根据温度的升高过 程，分别变为红色，橙色，黄色，当温度超过1300摄氏度时开始发白色和蓝色。当黑体变为白色 的时候，它同时会放出大量的紫外线。
2. 特点： 热射线的本质决定了热辐射过程有如下特点： ① 它是依靠电磁波向物体传输热量，而不是依靠物质的接触来传递热量。 ② 辐射换热过程中伴随着能量的两次转换：发射时，物体的内能转换成辐射能；接受时，辐
射能转换成内能。 ③ 一切物体只要其温度 T>0K ，都在不断发生热辐射。
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热辐射定义和特点
③ 电磁波的应用：
各种波长的电磁波在生产、科研与日常生活中有着广泛的应用。对于红外辐射（infrared radiation），它又有近红外与远红外之分，大体上以25������������为界（国际照明委员会定的界限）， 25������������以下的称为近红外线。波长在1mm~1m之间的电磁波称为微波（microwave），微波可以 穿透塑料、玻璃以及陶瓷制品，但却会被像水那样具有极性分子的物体吸收，在物体内部产生 内热源，从而使物体能比较均匀的得到加热。各类食品的主要成分是水，因而微波加热食物是 一种比较理想的加热手段，微波炉就是利用这一原理来加热的。波长大于1m的电磁波则广泛用 于无线电技术中。
当吸收率������ = 1时，表明物体能将投射到它表面的电磁波全部吸收，称为绝对黑体，简称黑体；
当透射率������ = 1时，表明物体能将投射到它表面的电磁波全部透过，称为绝对透明，简称透明体。
注意：上面所说的黑体、白体、透明体均是对电磁 波而言，而不是对可见光，而且它们都是理论中的 理想物体，实际并不存在。
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图1-1 电磁波的波谱
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黑体、白体和透明体
1. 定义：
热辐射是物体以电磁波的方式向外传递热量过程，而电磁波与光的特性相同，具有波粒二象性， 所以对电磁波来说，透射、反射，折射规律同样适用。
根据能量守恒定律，有以下公式
������ = ������������ + ������������ + ������������ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 公式2 − 1
f − 频率，������−1； ������ − 波长，单位m，常用单位为������������，1������������ = 10−6������
② 电磁波的波谱
电磁波的波长包括从零到无穷大的范围（如图1-1所示）。理论上物体热辐射的电磁波波长可以 包括整个波谱，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0.8~100������������之间，且大部分能量位于红外线区段的0.76~20������������范围内，而在可见光区段， 即波长为0.38~0.76 ������������ 的区段，热辐射能量的比重不大。显然，当热辐射的波长大于0.76 ������������ 时， 人们的眼睛将看不见。如果我们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。对于太阳辐射，主要能量集中在 0.2~2������������的波长范围，其中可见光区段占有很大比重。所以如果把太阳辐射包括在内，热辐射 的波长区段为0.1~100������������。
热辐射定义和特点
3. 电磁波与热辐射： ① 传播速率与波长、频率间的关系 各种电磁波都以光速在真空中转播，这是电磁辐射的共性，热辐射也不例外。电磁波的速率、 波长和频率有以下关系：
������ = ������������ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 公式1 − 1 式中：c − 表示电磁波的传播速率，在真空中c = 3 × 108������/������，在大气中略低于#43;
������������ ������
+
������������ ������
=
������
+
������
+
������
=
1
⋯
⋯
⋯
⋯
⋯
⋯
⋯
⋯
⋯
⋯
⋯
⋯
公式2 − 2
式中：������ − 反射率；������ − 吸收率；������ − 透过率
当反射率������ = 1时，表明物体能将投射到它表面的电磁波全部反射，称为绝对白体，简称白体；
热辐射基础知识
林剑启 编著
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目录
一．热辐射定义和特点 二．黑体、白体和透明体 三．热辐射四大定律 四．热辐射换热计算 五．辐射传热的控制（强化与削弱） 六．参考资料
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热辐射定义和特点
1. 定义： 热辐射（thermal radiation） 是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热量传递的3种方式 之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短 波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要 靠波长较长的可见光和红外线传播。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中 唯一的传热方式。 温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射；当温度为300℃时热辐射中最强的波长在红外 区；当物体的温度在500℃至800℃时，热辐射中最强的波长成分在可见光区。 关于热辐射，其重要规律有4个：基尔霍夫辐射定律、普朗克辐射分布定律、斯蒂藩-玻耳兹曼 定律、维恩位移定律。这4 个定律统称为热辐射定律。