6第六章 热辐射基础
环境工程原理基础六热量传递
第一节 热传导
导热: 以温度差为推动力的分子传递现象 传递规律: 傅立叶定律
通过平壁的稳态传热 通过圆管壁的稳态传热
（1）通过平壁的稳态传热
平壁厚度为 b，壁面两侧温度分别为 T1、T2，T1>T2。
一维稳定热传导，根据傅立叶定律，有
Q kAdT （6.1.1） dx
式中 A——传热面积，m2； k ——导热系数，W/m·h；
ln r2
R
r1
式中 R 为圆管壁的导热热阻。
ln r2 R r1
2k L
设圆管管壁为 b，b=r2-r1，式（6.1.9）可以写成
Q
2kLr2 r1 T1 T2
r2
r1 ln
r2 r1
2rm Lk
T1
T2
b
Amk
T1
T2
b
T1 T2 b
k Am
（6.1.10）
式中 rm—圆管壁的对数平均半径，m；
（5）流动边界层厚度与传热边界层厚度间的关系取决于
普朗特数Pr
Pr
c p
，表明了分子动量传递能力和分子热量传递能力的比值。
四、对流传热速率
（1）牛顿冷却定律：单位传热面积的传热速率正比于表面和周围流体的 温度差以及传热表面积，数学表达式为
dQ dAT （6.2.1）
式中 dA—与传热方向垂直的微元传热面积，m2； dQ－通过传热面 dA 的局部对流传热速率，W； T 、Tw—流体和与流体相接触的传热壁面的壁面温度，K；
套管式换热器
列管式换热器——管壳式换热器
固定管板式换热器 1—折流挡板；2—管束；3—壳体；4—封头；5—接管；6－管板
一、对流传热分类
热辐射基础
[小结] 黑体辐射力的基本定律
Planck定律: 给出了特定波长下的辐射力； Stefan-Boltzmann定律: 给出了一切波长下的总辐射力； Lambert定律：描述了辐射能量按空间方向分布的规律； Wien位移定律： 给出了单色辐射力峰值波长λm与温度T 的
关系
三、黑体的吸收特性
吸收比是表示物体吸收入射辐射的能力。
E b
E d
0 b
0
ec
2
c15
(T )
1
d
T 4
黑体辐射常数： σ= 5.67×10-8 W/(m2K4)
温度提高一倍，辐射力增加16倍
1879年斯提芬从实验上证明，1884年玻尔兹曼从理论上证明。定律的提出 与普朗克定律并没有联系，却能从普朗克定律推导获得。再次证明普朗克定 律是实验与理论的完美结合！
1896，Wien的半理论半经验公式，符合短波 段，在长波段与实验显著不符。
著名的瑞利-金斯公式，在长波段与实验结果 吻合
得很好。但在高频部分（紫外短波）遇到了无法克 服的困难——“紫外灾难”。
1900年，普朗克从量子假说出发，获得了与 实际
情 布况公在式整—个—光普谱朗段克完定全律符。合的黑体量辐子射论能的量诞光生谱！分
波
热辐射的特点： ➢任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间 发出热辐射；
➢ 无需介质，可以在真空中传播。
热辐射具有一般电磁辐射现象的共性。各种电磁波都以光速 在空间传播，其具有的能量与波长（频率）有关。
电磁波传播速度、频率与波长的关系：
c = fλ 真空 c＝3×108 m/s
2.电磁波频谱
频谱分布特性
方向性分布特性
第二节 黑体辐射和吸收的基本性质
《热辐射及辐射传热》课件
目录
• 热辐射概述 • 辐射传热原理 • 热辐射与辐射传热的关联 • 热辐射与辐射传热的实验研究 • 总结与展望
01
热辐射概述
热辐射的定义
01
热辐射：物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。
02
热辐射与热传导、热对流并列，是热量传递的三种 方式之一。
03
热辐射不需要物体间相互接触，可以在真空中传播 。
能利用等。
热辐射与辐射传热的研究前景展望
新理论和新方法的探索
01
展望未来在热辐射和辐射传热领域的新理论和新方法的研究，
如量子热辐射理论等。
交叉学科的研究
02
强调了热辐射和辐射传热与其他学科交叉研究的可能性，如生
物学中的光合作用过程等。
实际应用的拓展
03
探讨了未来在各领域中热辐射和辐射传热的更多应用，如航天
热辐射的特性
1
热辐射具有光谱性，其电磁波的波长分布与物体 的温度和组成有关。
2
温度越高，热辐射的强度越大，波长越短。
3
热辐射的传播不需要介质，可以在真空中传播。
热辐射的应用
红外线加热
利用红外线波长较长的特性，用于加热物体和烘 干物料。
红外诊断和理疗
利用红外线波长较短的特性，用于诊断疾病和理 疗。
实验原理
热辐射是物体通过电磁波形式传递能量的过程，辐射传热则是通过物体之间的 辐射能量交换实现热量传递。本实验将通过具体实验操作和数据分析，探究热 辐射和辐射传热的规律。
实验设备与实验步骤
实验设备：黑体辐射源、光谱辐射计 、温度传感器、恒温槽、支架、实验
数据处理软件等。
实验步骤
1. 准备实验设备，搭建实验装置；
第6章热辐射的基本定律PPT课件
１、基本概念
辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式。
热辐射:由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。
辐射传热:物体之间相互辐射和吸收的总效果。
1
整体概述
概述一
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概述二
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概述三
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0.38
0.76
图8-1 电 磁 辐 射 波 谱
5
红外辐射的应用 以波长25μm为界，分为近红外线和远红外线 远红外线加热技术的应用 微波： λ＝1mm～1m λ>1m的电磁波广泛应用于无线电技术中。
6
3. 物体表面对电磁波的作用
（1）吸收比、反射比和穿透比之间的一般关系 当热辐射投射到物件上时，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。
维恩位移定律：确定黑体的光谱辐射力峰值所对于的最 大波长。
26
6.3 实际物体的辐射和吸收
7.3.1 实际物体的辐射力
同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和
所有波长。真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；
因此定义发射率 (也称为黑度) ：相同温度下，实际物体
的辐射力与黑体辐射力之比:
E 0 ()Ebd
Eb
T4
单色黑度：实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：
() E
Eb
方向黑度：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强
度之比：
() I() I() Ib() Ib
35
7.4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系
7.4.1 实际物体的吸收比
传热学热辐射基本定律和辐射特性课件
工业辐射加热与冷却
工业辐射加热
利用辐射方式将热量传递给物料 ，实现高效、均匀的加热效果。
工业辐射冷却
利用辐射方式将热量传递给冷却 介质，实现高效、快速的冷却效
果。
工业辐射干燥
利用辐射方式将热量传递给物料 ，实现快速、均匀的干燥效果。
05
热辐射研究展望
新型热辐射材料研究
总结词
随着科技的发展，新型热辐射材料的研究成为传热学领域的重要方向。
详细描述
通过研究热辐射与大气、水体和地表 的相互作用，可以深入了解地球系统 的能量平衡和蔼候变化机制。同时， 这种研究也为可再生能源的利用和环 境保护提供了理论支持。
热辐射在新能源领域的应用研究
总结词
热辐射在新能源领域的应用研究具有广阔的前景。
详细描述
利用热辐射进行光热转换，可以实现太阳能的利用和转化。此外，热辐射在高温核聚变、磁流体发电和地热能利 用等领域也有着重要的应用价值。通过深入研究热辐射在这些新能源领域的应用，有望为解决能源危机和环境污 染问题提供新的解决方案。
意义。
吸取率
总结词
详细描述
吸取率是物体吸取热辐射能量的能力，它 决定了物体对热辐射的吸取程度。
吸取率表示物体在特定温度下吸取的热量 与入射到物体上的总热量之比。物体的吸 取率与其发射率和反射率有关。
总结词
详细描述
吸取率的值介于0和1之间，完全吸取的物 体吸取率为1，完全不吸取的物体吸取率为 0。
了解物体的吸取率对于设计热辐射系统、 控制热能传递和优化热能利用具有重要意 义。
普朗克辐射定律
总结词
普朗克辐射定律描述了黑体光谱辐射的能量散布。
详细描述
普朗克辐射定律指出，黑体的光谱辐射强度与波长、温度有关。在任意波长下 ，黑体的光谱辐射强度与温度成正比。该定律是量子力学的基础之一，适用于 所有温度下的黑体辐射。
热辐射ppt课件
管道及圆筒壁保温层外 T 9.4 0.052(tW t)
(2) 空气沿粗糙壁面强制对流
空气速度u<=5m/s时
T 6.2 4.2u
空气速度u>5m/s时
T 7.8u0.78
17
④ 辐射表面间介质的影响
减小辐射散热，在两换热面加遮热板（黑度较小的 热屏）。
15
6.5.2 高温设备及管道的热损失
对流散热： QC C AW (tW t)
辐射散热：QR
令=1
C12 AW
(1t0W0)4
Байду номын сангаас
(t 100
)4
QR
C12 AW
(1t0W0)4
不必知道ε2和A2即可求出Q12。大房间内高温管道 的辐射散热，气体管道内热电偶测温的辐射误差计算都
属于此种情况。
14
3. 影响辐射传热的因素 ① 温度的影响
Ｑ T4 ， 低温时可忽略，高温时可能成为主要方式
② 几何位置的影响
③ 表面黑度的影响
Ｑ ，可通过改变黑度的大小强化或减小辐射传热。
四次方定律表明，热辐射对温度特别敏感。
2. 吸收能力
a=1
6
五、实际物体的辐射能力与吸收能力
1. 辐射能力 ——以黑度表征
物体的黑度： E
<1
说明：
E
E0
C0
( T )4 100
① 黑度表示实际物体接近黑体的程度
② 影响物体黑度的因素 物体的种类、表面温度、表面状况、波长
③ 物体的黑度是物体的一种性质，只与物体本身 的情况有关，与外界因素无关，其值可用实验测定.
④ 物体的黑度不单纯是颜色的概念
《热辐射》 讲义
《热辐射》讲义一、热辐射的基本概念热辐射，简单来说，就是物体由于自身的温度而向外发射电磁波的现象。
这种现象在我们的日常生活中无处不在，比如太阳的光和热就是通过热辐射传递到地球的。
物体的温度越高，它所发射的电磁波的能量就越大，波长就越短。
这是因为温度升高会使物体内部的分子和原子运动加剧，从而产生更多、更强的电磁辐射。
与热传导和热对流不同，热辐射不需要任何介质就可以在真空中传播。
这使得热辐射在宇宙空间等真空环境中成为热量传递的重要方式。
二、热辐射的特点1、无需介质热辐射的传播不需要依靠任何物质介质，它能够在真空中以光速进行传播。
这一特点使得热辐射在宇宙中的能量传递中起着至关重要的作用。
2、温度决定辐射强度物体的温度直接决定了热辐射的强度和波长分布。
高温物体发射出的电磁波能量高、波长较短，而低温物体则发射出能量较低、波长较长的电磁波。
3、具有方向性热辐射并不是均匀地向各个方向发射的，其发射方向与物体的表面形状、温度分布等因素有关。
4、遵循黑体辐射定律黑体是一种能够完全吸收所有入射辐射，并以最大效率发射辐射的理想物体。
黑体辐射定律描述了黑体的辐射能量与波长、温度之间的关系，对于研究热辐射现象具有重要意义。
三、热辐射的定律和公式1、斯特藩玻尔兹曼定律该定律表明，黑体的辐射出射度与绝对温度的四次方成正比。
用公式表示为：＄M ＝＼sigma T^4$，其中$M$ 是黑体的辐射出射度，＄＼sigma$ 是斯特藩玻尔兹曼常量，＄T$ 是黑体的绝对温度。
2、维恩位移定律它指出黑体辐射的峰值波长与绝对温度成反比。
公式为：＄＼lambda_{m}T ＝ b$，其中$＼lambda_{m}＄是黑体辐射的峰值波长，＄b$ 是维恩常量。
四、热辐射的应用1、工业加热在工业生产中，利用热辐射原理的加热设备，如红外线加热炉，可以实现高效、均匀的加热，广泛应用于金属加工、陶瓷烧制等领域。
2、太阳能利用太阳能热水器和太阳能电池板都是利用太阳的热辐射来获取能量的。
工程传热学第六章-热辐射
E 为辐射力，其单位为 W/m2； dQ 为微元面积 dA 向半球空间辐射出 去的总辐射能。
2.单色辐射力
E
d
Q
d2Q
dA ddA
单色辐射力被定义为单位时间单位 辐射面积向半球空间辐射出去的某一 波长范围的辐射能量，用来描述辐射 能量随波长的分布特征。
辐射力和单色辐射力之间的关系：
E E d
可见光
玻璃暖房
温室效应
CO2
❖ 全球变暖 ❖ 海平面上升 ❖ 土地沙漠化 ❖ 男女比例失调
……
国家“十三五规划” 明确提出了节能减 排的目标
➢ 到2020年，单位GDP二氧化碳排放 降低40-45%（较2005）；
➢ 非化石能源占一次能源消费比重提 高到15%；
辐射源温度对吸收比的影响是因为实际物体的 单色吸收比不等于常数的缘故。
有时以波长25μm为界，又将红外线区分为近红 外区和远红外区。
热射线
射线
紫外线
X射线
可 见
光
红外线
无线电波
0 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 /m
2. 特点
①不需要物体直接接触。可在真空中传 递(最有效）
②有能量的转化。
③只要T>0K,就有能量辐射。 ④物体的辐射能力与其温度性质、形状
cos cos
I Ib
如果实际物体的方向辐射力遵守兰贝 特定律，该物体表面称为漫射表面。 黑体表面就是漫射表面。
对于非金属表面在很大范围内方向黑度为 一个常数值，表现出等强辐射的特征，而 在60°之后方向黑度急剧减小
对于金属表面在一个小的φ角范围内亦 有等强辐射的特征，方向黑度可视为不 变，然后随着φ角增大而急剧增大，直 到φ接近90°才有减小。
《热辐射》 讲义
《热辐射》讲义一、热辐射的定义与基本概念当我们提及热辐射，它是一种通过电磁波来传递热量的方式。
简单来说，热辐射不需要任何介质，能够在真空中进行。
这与我们常见的热传导和热对流有很大的不同。
想象一下，太阳的热量是如何到达地球的？中间可是广袤的宇宙真空，没有物质来传导或对流热量，这时候热辐射就发挥了关键作用。
热辐射的电磁波谱范围相当广泛，包括了从红外线、可见光到紫外线等。
不同波长的电磁波所携带的能量也有所不同。
要理解热辐射，还需要知道黑体这个概念。
黑体是一种理想化的物体，它能够吸收所有照射到它上面的辐射，并且不会反射或透射。
黑体的辐射特性对于研究热辐射具有重要的意义。
二、热辐射的原理热辐射的产生源于物体内部的微观粒子的热运动。
这些微观粒子，比如原子、分子等，在不断地运动和振动，从而产生了电磁辐射。
物体的温度越高，其微观粒子的热运动就越剧烈，所产生的热辐射的强度和频率也就越高。
这也就解释了为什么高温物体看起来更亮，比如烧红的铁块。
同时，热辐射的强度还与物体的表面积、表面特性等因素有关。
表面积越大，辐射出去的热量也就越多；表面越粗糙，辐射能力通常也越强。
三、热辐射的特点热辐射具有一些独特的特点。
首先，它的传播速度是光速，非常之快。
这使得热辐射能够在瞬间传播到很远的地方。
其次，热辐射是一种双向的过程。
物体既会向外辐射热量，同时也会吸收来自周围环境的热辐射。
另外，热辐射的能量分布与物体的温度密切相关。
根据普朗克定律，我们可以知道不同温度下物体辐射能量的分布情况。
而且，热辐射不受周围介质的影响，无论在真空、气体、液体还是固体中，都能发生。
四、热辐射的影响因素热辐射的强度和特性受到多种因素的影响。
温度无疑是最重要的因素之一。
温度越高，热辐射的总量和强度就越大。
物体的材料和表面特性也起着关键作用。
不同材料的辐射率不同，辐射率高的材料更容易辐射热量。
表面的颜色、粗糙度等也会影响热辐射的发射和吸收。
环境的温度和物体周围的物体也会对热辐射产生影响。
传热学：第六章 热辐射及辐射传热
E
E 0 Ed
Planck基于量子理论得到了黑体的光谱辐射力与
波长的关系
Eb
c15
ec2 (T ) 1
式中， λ— 波长，m ； T — 黑体温度，K ； c1 — 第一辐射常数，3.742×10-16 Wm2； c2 — 第二辐射常数，1.4388×10-2 WK；
❖ （1） 黑体辐射的波谱是连续的 ❖ （2）温度越高，黑体的辐射能力越强
❖ 热射线——由于热的原因而产生的、波长介于 为0.1～100μm的电磁波
❖ 热射线特点： ❖ ——具有电磁波的一般共性，能够以光速传播 ❖ ——电磁波的直线传播、投射、反射、折射等
也都适用于热射线 ❖ ——投射到其他物体表面后能引起明显的热效
应
❖ 6.1.2 辐射传热 ❖ ——不直接接触的物体之间，由于各自辐射和
❖ 可见（有效）辐射面积——是指从空间某个方 位所见到的表面有效面积
❖ 定向辐射（强）度——单位时间内，单位可见辐 射面积向空间某一方向的单位立体角内发出的总 辐射能（发射＋反射）
❖ 用Lp表示，单位是W/(m2.sr)
Lp (
,)
d( ,) dAcos d
❖ 反映了物体向空间不同方向发射辐射能的强度 ❖ 因定向辐射强度永远和空间特定方向联系在一起
1
吸收比、反射比和透射比属于物体的辐射特性， 取决于物体的种类、温度和表面状况，一般是波 长的函数
❖ 说明1：绝大多数固体和液体是不透明的 ❖ 因为辐射能进入固体和液体表面后，在极短的距
离内就被吸收完 ❖ 例如对金属导体，这个距离只有1μm的数量级，
对于大多数的非导电材料，这个距离也小于1mm
❖ 用“E”表示，W/m2 ❖ 辐射力表述了物体在一定温度下发射辐射能本
第6章-热辐射及辐射传热精品文档112页
❖ 有效辐射：物体除了向外界发出发 射辐射外，其它物体投射到该物体 表面上的投射辐射还有部分被反射， 发射辐射和反射辐射之和，称有效 辐射，记为J，W/m2
有效辐射
自身射辐射E
投入辐射G 被反射辐射的部分 G
简化了实际物体间辐射传热的多次反射和吸收过程。
d
d Ac r2
sin d d
(4)定向辐射度Lp：
定义：单位时间内，单位可见辐射面积在某 一方向p的单位立体角内所发射的总辐射能 （发射辐射和反射辐射），W/(m2.sr)
Lp
dp
dAcos
d
Lp Le,pLr,p
五、漫射表面
❖ 漫发射表面：能向半球空间各方向发出均匀辐 射度Lp的发射辐射物体表面（黑体）。
❖ 漫反射表面：若不论外界辐射是以一束射线沿 某一方向投入还是从整个半球空间均匀投入， 物体表面在半球空间范围内各方向都有均匀的 反射辐射度Lp的物体表面（白体）。
❖ 漫射表面：若表面即是漫发 射表面，又是漫反射表面， 则该表面称漫射表面
§6-2 黑体辐射的基本定律
一、黑体和黑体模型
黑体：是指能吸收投入到其面 上的所有热辐射能的物体。是 一种科学假想的物体，现实生 活中是不存在的。但却可以人 工制造出近似的人工黑体。
波普上热射线中红外线占优，某一具体物体的热辐射中， 红外线热辐射并不一定也是占优的。
二、吸收比、反射比和透射比
当热辐射投射到物体表面上时，与可见光一样， 会发生吸收、反射和穿透三种现象。
G G G G G G G 1 GGG 1
对于大多数的固体和液体：0, 1 对于不含颗粒的气体： 0, 1
传热学-第6章 热辐射及辐射传热
Φ
Eb J
1
A
1
A
为表面辐射热阻
表面辐射热阻 网络单元
对于黑体表面，=1，表面辐射热阻
为零。
三、空间辐射热阻
离开表面1并落到表面2的辐射能为 12 J1 A1 X 1,2 离开表面2并落到表面1的辐射能为 21 J 2 A2 X 2,1
A2, T2, J2
两个表面的净辐射传热量为 Φ1,2 J1 A1 X1,2 J2 A2 X 2,1
三、维恩位移定律(1893年)
maxT 2.8976 10 2 2.9 10 2 m K
黑体辐射曲线
用它可测定太空星体表面温度，也可用来选择对特定地物的监测波段，如火灾检测。 解释现象：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。
T 5800K,
m
2898 5800
0.5m
根据角系数的完整性和互换性，有
X1,2 X1,3 1 X 2,1 X 2,3 1 X 3,1 X 3,2 1 A1 X1,2 A2 X 2,1 A1 X1,3 A3 X 3,1
A2 X 2,3 A3 X 3,2
三个无限长非凹表面组成的封闭系统
通过求解这个封闭的方程组，可得所有角系数，
第6章 热辐射及辐射传热 Radiation Heat Transfer
6.1 热辐射的基本概念 6.2 黑体辐射基本定律 6.3 实际物体的辐射特性 6.4 角系数 6.5 灰体表面间的辐射传热 6.6 遮热板及其应用 6.7 辐射传热系数
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射 辐射: 辐射是物体通过电磁波的传递能量的现象。 可见光 0.38～0.76μm
对于表面 2 q E Eb 当热平衡时, q 0, 则 E Eb
《热辐射》 讲义
《热辐射》讲义一、热辐射的基本概念当我们在寒冷的冬天靠近火炉，会感到温暖；在夏日的阳光下，皮肤会被晒热。
这些现象背后的原理就是热辐射。
热辐射，简单来说，就是由物体自身温度所引起的，以电磁波形式向外传递能量的过程。
它与我们常见的热传递方式——热传导和热对流有着明显的区别。
热传导需要物体之间的直接接触，热对流则依赖于流体的流动来传递热量，而热辐射不需要任何介质，在真空中也能进行。
所有温度高于绝对零度（约为－27315 摄氏度）的物体都会不停地向外辐射能量。
这意味着，哪怕是一块冰冷的石头，或者遥远的恒星，都在时刻进行着热辐射。
二、热辐射的特点1、不需要介质热辐射的一个显著特点就是它可以在真空中传播。
这与热传导和热对流截然不同。
想象一下太阳的能量能够穿越浩瀚的宇宙空间到达地球，靠的就是热辐射。
2、与温度密切相关物体的温度越高，热辐射的能力就越强。
例如，烧红的铁块比常温下的铁块辐射出的热量要多得多。
而且，热辐射的波长分布也与温度有关。
温度较低时，主要辐射出较长波长的红外线；温度升高，波长逐渐变短，会出现可见光，甚至紫外线。
3、遵循一定的规律热辐射遵循斯特藩玻尔兹曼定律、维恩位移定律等。
斯特藩玻尔兹曼定律表明，黑体的辐射出射度与热力学温度的四次方成正比。
维恩位移定律则指出，黑体辐射光谱中辐射强度的峰值波长与绝对温度成反比。
三、热辐射的影响因素1、物体的材料和表面特性不同材料的物体，其热辐射的能力和吸收能力是不同的。
比如，黑色的物体通常比白色的物体更善于吸收和辐射热量。
物体的表面粗糙度也会产生影响，粗糙的表面比光滑的表面更有利于热辐射。
2、物体的温度如前所述，温度是决定热辐射强弱的关键因素。
温度越高，热辐射越剧烈。
3、环境温度周围环境的温度会影响物体与环境之间的热交换。
当物体温度高于环境温度时，物体向外辐射热量；反之，物体吸收热量。
四、热辐射在生活中的应用1、取暖设备常见的电暖器、红外线取暖器等，都是利用热辐射的原理来为我们提供温暖。
《热辐射》 讲义
《热辐射》讲义一、什么是热辐射在我们日常生活中，热的传递是一种常见的现象。
热可以通过传导、对流和辐射这三种方式进行传递。
而热辐射，是一种不需要任何介质就能发生的热传递方式。
想象一下，在一个寒冷的夜晚，我们站在篝火旁，即使没有直接接触火焰，也能感受到温暖。
这就是热辐射在起作用。
热辐射是由物体内部的分子、原子的热运动引起的。
当物体的温度高于绝对零度（约为－27315℃）时，它的分子和原子就会处于不断的运动中，并向外发射电磁波，这种电磁波携带着能量，也就是我们所说的热辐射。
与传导和对流不同，热辐射不需要依靠物质的接触或流动来传递热量。
它可以在真空中进行，比如太阳的热量能够穿越遥远的太空到达地球，就是通过热辐射实现的。
二、热辐射的特点1、不需要介质这是热辐射最为显著的特点之一。
无论在真空、气体、液体还是固体中，热辐射都能发生。
这使得热辐射在宇宙空间等特殊环境中成为热量传递的重要方式。
2、与温度的关系物体的温度越高，热辐射的强度就越大，辐射出的电磁波的频率也越高。
例如，一个炽热的铁块会发出强烈的红光，随着温度继续升高，它会逐渐变成橙色、黄色甚至白色。
3、具有方向性热辐射并不是向四面八方均匀地发射，而是具有一定的方向性。
物体表面的粗糙度、形状等因素都会影响热辐射的方向分布。
4、遵循黑体辐射定律黑体是一种能够完全吸收所有入射辐射，并且在相同温度下发射出最大辐射能的理想物体。
实际物体的热辐射特性可以通过与黑体的比较来描述，并遵循黑体辐射定律。
三、热辐射的原理从微观角度来看，热辐射的产生源于分子和原子的热运动。
这些微观粒子在运动过程中，其电荷分布会发生变化，从而产生变化的电磁场，向外发射电磁波。
电磁波的波长范围很广，从红外线、可见光到紫外线等都有可能。
不同波长的电磁波携带的能量不同，物体温度越高，短波长的电磁波所占比例就越大。
对于一个给定的物体，其热辐射的能量分布与波长之间的关系可以用普朗克定律来描述。
这个定律揭示了热辐射的本质规律，是研究热辐射的重要基础。
热辐射基本定律和辐射特性课件
8.2
8.2.1 关于热辐射：
黑体热辐射的基本定律
斯忒藩-玻耳兹曼定律
① 物体表面向空间发射、吸收辐射能——半球空间；
② 物体热辐射各种波长的辐射能，但强度不同。
辐射力
E
：
W m
2
单位时间、单位面积上辐射的总能量。 注意：包括全部波长、半球空间所有方向。 黑体辐射力：
T E b T C 0 100
（ 0.38 0.76μm）
（ 0.76 1000μm）
P364例题8-4 如图所示，有一个微元黑体面积dAb=10-3m2，与该黑 体表面相距 0.5m 处另有三个微元面积dA1、dA2、dA3，面积均为 10-3m2，该三个微元面积的空间方位如图中所示。试计算从dAb发 出分别落在dA1、dA2与dA3对dAb所张的立体角中的辐射能量。 解：① 立体角：
：物体对投入辐射所吸收的百分比。
取决于两因素：
① 吸收物体的特性：种类、表面温度、表面状况；
② 投入辐射的特性：波长范围、能量分布。
1. 光谱吸收比
实验表面：实际物体对不同波长的辐射能，其吸收不同。
光谱吸收比
指对所有波长的辐射能吸收的平均值。
：物体吸收某一特定波长辐射能的百分比。
0
Eb d σT
4
f T
0
内的辐射能所占的百分比。
1 2 波长范围内辐射能：
Eb 1 ~ 2 Fb 1 2 Eb Fb 0 2 Fb 0 1 Eb
8.2.3
兰贝特定律
1. 立体角 ： 电磁波沿直线传播， 在同一锥体内，不同面积上的辐射能相同。
第6章-辐射换热
由肋片散入外界的全部热量都必须通过x=0处的
肋根截面。
x0
Ac
(
d
dx
) x0
Ac0 (m)
sinh(mH ) cosh(mH )
Ac0m
tanh(mH )
hP m
0
tanh(mH )
能量守恒：单位时间物体热力学能的变
化量应该等于物体表面与流体之间的对
流换热量 Vc 引入过余温度：
0 cV
指数可写成： 0
exp
hA
cV
hA
cV
hV
A
A2 cV 2
h(V /
A)
a
(V / A)2
BiV FoV
Fov 是傅立叶数
• 将一个直径12mm加热到1150K, 然 后慢慢冷却到400K进行褪火, 冷却 过程在周围空气中进行, 空气温度 为325K, h=20W/(m2K). 假定钢的 特性系数k=40W/(m*K), =7800kg/m3, c=600J/kg*K, 求冷 却过程所需要的时间?
气体对热射线的吸收和穿透是在空间中进行的， 其自身的辐射也是在空间中完成的。因此，气 体的热辐射是容积辐射。
由于不同物体的吸收比、反射比和透射比因具 体条件不同差别很大，给热辐射的计算带来很 大困难。为了使问题简化，我们定义了一些理 想物体。
对于透射比τ=1的物体称为透明体。
反射比ρ=1物体称为白体（具有漫反射的表面） 或镜体（具有镜反射的表面）。
得微分方程为： d 2 m2
dx 2
1
s
c1emx c2emx
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•实际物体表面的热辐射性 能均弱于黑体表面。
•黑度(发射率emissivity) ： 实际表面的辐射力与同温度下 黑体辐射力的比值
实际物 体
E
Eb
根据辐射力的不同定义，可 以得到不同的发射率。
2.电磁波频谱
可见光（λ＝0.38～0.76μm） 红外线（λ＝0.76～1000μm ） 微波（λ＝1mm～1m ）
热射线：0.1~100μm
这一波长区段的电磁波最容 易被物体吸收转化为热能
3.辐射传热
辐射传热：物体间通过相互热辐射与吸收传递热量的过程。
辐射传热与导热、对流传热的区别 ➢ 无需任何的介质； ➢ 伴随能量形式的转变：
4.黑体波段辐射力的计算
Eb
2
1
Eb d
Eb
2
0
Ebd－01
Ebd
Eb0
0
e
c15
c2 /T
d
1
特定波长区段内的黑体辐射能
工程上求解问题的思路：复杂的问题简单化。 办法：引入黑体辐射函数。
4.黑体波段辐射力的计算
黑体辐射函数Fb(0- λ)：黑体辐射力在波长从零到某 个值λ 范围内占总辐射力中的百分比。
Ebd
？
Eb
0
Eb
d
-
0
Eb
d
Eb 1- Fb0 Eb
特定波长区段内的黑体辐射能
• 例题：工作温度为3000K的黑体表面发光效率是多少？ 解：取可见光的波长范围：（0.38~0.76μm）
T=3000K时，有 λ1T=0.38×3000=1140 μm·K，查得Fb（0-0.38）=0.14 λ2T=0.76×3000=2280 μm·K，查得Fb（0-0.76）=11.7
Fb0
0 Ebd
0
Eb
d
0
e
c15
c2 /T
d
1
T 4
0
c1T 5
ec2 /T 1
1
d T
f (T)
0
Fb(0- λ)是(λT)的单值函数
4.黑体波段辐射力的计算
黑体辐射函数表
4.黑体波段辐射力的计算
Eb(12) F E b(12 ) b (Fb(02) Fb(01) )Eb
Eb
3.兰贝特定律
兰贝特定律：漫辐射表面表面沿半球空间各方向上，定
向辐射强 度均相等。 I const.
黑体表面就是漫辐射表面。
兰贝特定律揭示了黑体辐射 能的空间分布特性
Ib, const.
“灯泡亮度”，即从不同方向看过 去，其亮度都是一样的。
3.兰贝特定律
黑体定向辐射力与定向辐射强度的关系
A B
1.普朗克定律
1普朗克定律： 揭示了黑体辐射能的光谱特性，即黑
体的光谱辐射力Ebλ 随波长和温度变化的规律。Ebλ＝f
（λ,T）
✓温度越高，黑体的光谱辐射力
越大；
✓一定温度下，黑体的光谱辐射 力随波长的增加而“先增后减”。
对应黑体最大光谱辐射力的波长λm 与温度的关系（维恩位移定律）：
mT 2.8976 103 m K
Q Q Q Q
Q Q Q 1 QQQ
能量守恒
1
式中α、ρ和τ分别为吸收比、反射比和穿透比
理想辐射体
黑体：α＝1 镜体（白体）： ρ＝ 1 透明体： τ＝1
对于大多数的固体和液体： 0 , 1 对于不含颗粒的气体： 0 , 1
辐射表面的状况影响大
辐射表面的状况影响小， 容器的形状影响大
半球空间： dA辐射是向着它的上方各个方向
的。如在上方做个半球，则dA发出的 辐射能全部要通过这个半球空间，所 以我们称dA以上的空间为半球空间。
一、物体辐射能力的表征
2) 光谱（单色）辐射力 Eλ：单位时间内，单位波长范围内 (包含某一给定波长)，物体的单位表面 积向半球空间发射 的能量。 (W/m3)； （亦称为半球光谱辐射力）
内能→辐射能→ →辐射能→内能 A 物体（发射） B 物体（吸收） ； ➢辐射传热量是物体间相互辐射与吸收的动态平衡(当物 体 间处于热平衡时，净辐射换热量等于零，但是相互间 的辐 射与吸收仍在进行)。注意热辐射与辐射传热的概念
4.物体表面对热辐射的作用
物体对热辐射的吸收、反射与穿透：
可见光、声波、热射线
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三、黑体的吸收特性
黑体是理想的吸收体，它对一切波长和所有方向入 射辐射的吸收比均等于1。于是对黑体有：
b b b b, 1
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第三节 实际物体的辐射和吸收
一、实际物体的辐射特性 二、实际物体的吸收特性 三、实际物体辐射与吸收之间的关系
一、实际物体的辐射特性
E b
E d
0 b
0
ec
2
c15
(T )
1
d
T 4
黑体辐射常数： σ= 5.67×10-8 W/(m2K4)
温度提高一倍，辐射力增加16倍
1879年斯提芬从实验上证明，1884年玻尔兹曼从理论上证明。定律的提出 与普朗克定律并没有联系，却能从普朗克定律推导获得。再次证明普朗克定 律是实验与理论的完美结合！
形式传递的能量；
波
热辐射的特点： ➢任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间 发出热辐射；
➢ 无需介质，可以在真空中传播。
热辐射具有一般电磁辐射现象的共性。各种电磁波都以光速 在空间传播，其具有的能量与波长（频率）有关。
电磁波传播速度、频率与波长的关系：
c = fλ 真空 c＝3×108 m/s
4. 物体表面对热辐射的作用
辐射表面的状况对固体、液体辐射能的反射
镜面反射 （表面粗糙度< 波长）
漫反射 （表面粗糙度> 波长）
一般工程材料表面均为漫反射
5. 辐射传热计算的特点
➢辐射能力正比于热力学温度的四次方；
➢发射和吸收不仅与自身的温度和表面状况相关，还取决
于波长和方向；
Erad f (, ,T )
黑体一般采用下标b 表示，如黑体的辐射力为Eb， 黑体的光谱辐射力为Ebλ
二、黑体辐射的基本定律
一定温度下单位面积黑体辐射的总能量＝？ 总能量中各个波段的能量分别占多少比例？ 辐射能在空间是如何分布的？
黑体辐射三大定律：
普朗克定律 斯忒潘-玻耳兹曼定律 兰贝特定律
1.普朗克定律
热辐射基础理论研究中的最大挑战在于确定黑 体辐射的光谱能量分布。
其在与P垂直方向的投影面积。
n p
θ dA
n方向：可见面积为dA p方向：可见面积为dA·cosθ θ=90，可见面积为0
一、物体辐射能力的表征
4) 定向辐射强度 I(θ)：单位时间、单位可见辐射面积辐射的
在单位立体角内的辐射能量。
dAcos
I d
[W /(m2 sr)]
A
dAcosd
Байду номын сангаас
黑体定向辐射力与定向辐射强度的关系
[小结] 黑体辐射力的基本定律
Planck定律: 给出了特定波长下的辐射力； Stefan-Boltzmann定律: 给出了一切波长下的总辐射力； Lambert定律：描述了辐射能量按空间方向分布的规律； Wien位移定律： 给出了单色辐射力峰值波长λm与温度T 的
关系
三、黑体的吸收特性
吸收比是表示物体吸收入射辐射的能力。
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【思考题】白炽灯发光效率
“换盏灯，爱地球” 白炽灯它的发光效率到底有多低？
发光
可见光波段的辐射能 总辐射能
100%
波段辐射力的计算！
4.黑体波段辐射力的计算
波段辐射力：物体在某个特定 Eλ 的波段范围内发出的辐射能。
E12
2 1
E
d
(W/m2)
λ1
λ2
λ
黑体的E bλ已知，代入上式即可计算黑体的波段辐 射力。
解：按
mT
2.9 10 m K 3
计算：
当 T=2000K 时 ，m
2.9103 mK 2000K
1.45106 m
当T=5800K时，
m
2.9103mK 5800K
0.5106 m
工业上一般高温辐射（2000K内）:红外线区段(0.76μm~1000μm)， 太阳辐射（5800K）:可见光区段(0.38μm~0.76μm)。
[W /(m2 sr)]
✓立体角：球面面积除以球半径的平方称为立体角，sr(球面度)，
Ac r2
d
dAc r2
sin
d d
半球面立体角 ω＝2π（sr）
一、物体辐射能力的表征
4)定向辐射强度 I(θ)：单位时间、单位可见辐射面积辐射的
在单位立体角内的辐射能量。
✓单位可见辐射面积：沿P方向发
射的辐射能，dA的可见面积就是
dE
d dAd
I
cos
黑体定向辐射力与辐射力的关系
2
2 2
E＝ E d I cos sindd
0
0 0
B C
二、黑体辐射的基本定律
1. 理想表面——黑体
黑体： 吸收比α＝1 ，能够全部吸收各种波长热辐射能的理
想物体。在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大。
黑体模型 内壁吸收比0.6时，如果小孔与内 壁面积比小于0.6％，则该模型的 吸收比 >0.996，近似为黑体
第六章 热辐射基础
§6‐1 辐射换热的基本概念 §6‐2 黑体辐射和吸收的基本定律
§6‐3 实际物体的辐射和吸收
第一节 辐射的基本概念
热辐射、辐射换热、镜反射、漫反射、发 射率、吸收率、辐射的光谱特性和方向性。