第6章 辐射及辐射传热(1)

第6章 热辐射及辐射传热
★热辐射是热量传递的三种基本方式之一
★辐射传热：物体间以热辐射方式进行热量交换总效果 ——任何温度高于0 K的物体，每时每刻都在以热辐射的
方式向外界辐射能量
——物体每时每刻接受其它物体以热辐射的方式向它辐
射的能量
第6章 辐射传热
★辐射传热问题在工程领域和科学研究中普遍存在
高温加热和燃烧、红外干燥、红外测试、卫星、航天
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／立体角
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／可见辐射面积
空间方位不同，可以
见到的辐射面积不同
——法线方向最大
——切线方向最小，
为零

表面在半球空间辐射的能量按不同方向分布的规律只有 在相同的辐射面积下来比较才有意义
6.1 热辐射的基本概念
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射


物质会因受到各种不同方式的作用而发射电磁波
热辐射： ——由于物体内部热运动状态的改变而将部分内能转 化成电磁波而发射出去的过程

——辐射能是由与温度有关的内能转化而来的 能够发射热辐射是自然界中物体的特性之一 传热学中只研究热辐射
6.1 热辐射的基本概念
L( ) dΦ ( ) L ( ) d dA cos d d
பைடு நூலகம்
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／定向辐射强度

定向辐射强度：反映了物体向空间不同方向发射辐射能 的强度

定向辐射强度永远和空间特定方向联系在一起，可省略
“定向”二字
6.1 热辐射的基本概念
6.1.4 理想辐射体／物体对投射辐射的反应
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 热辐射的基本概念
6.1.2 辐射传热

辐射传热：不直接接触的物体之间，由于各自辐射和
吸收的综合结果所产生的热量传递现象

辐射与吸收的综合效果 辐射换热特点：
（1）物体间不需要其他介质存在，真空中效率最高
（2）伴随着能量形式的转换：内能－辐射能－内能
d ( ) L dA cos d
通常，辐射是关于经度方向对称
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／定向辐射强度
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／定向辐射强度

若定向辐射强度是针对某一特定波长的，则称为定向光 谱辐射强度

用符号Lλ表示，单位是 W/(m3sr)
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
e
c2 ( T )
c1
5
1
6-2 黑体辐射的基本定律
6.2.2 黑体辐射的基本规律／波长特性
Eb
e
c2 ( T )
c1
5
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；

引入理想辐射体，研究辐射特性先从理想体入手
6.1 热辐射的基本概念
6.1.4 理想辐射体

理想辐射体


绝对黑体——吸收比等于1的物体，简称黑体
之所以称为黑体，是因为它能够全部吸收投射到其表 面上的辐射能，人眼看到的颜色呈现黑色

绝对白体——反射比等于1的物体
绝对透明体——穿透比等于1的物体，简称透明体
供参照

黑体的热辐射性质和辐射传热规律简单。 可大大降低问题研究的难度
6-2 黑体辐射的基本定律
6.2.1 黑体与黑体模型

将吸收比 = 1的物体称为黑体 吸收特性： = 1，黑体具有最大的吸收能力，对投射 辐射毫无选择地百分之百的吸收

自然界中并不存在真正意义上的黑体

人工黑体－开小孔的空腔
6.1.4 理想辐射体／物体对投射辐射的反应
1
吸收比、反射比和透射比属于物体的辐射特性 吸收比、反射比和透射比——取决于物体的种类、 温度和表面状况，一般是波长的函数
6.1 热辐射的基本概念
6.1.4 理想辐射体

实际物体的吸收、反射和透射特性差别很大，直接以
实际物体为对象研究热辐射及辐射传热困难很大

投射辐射－单位时间内其他物体投射到物体单位面积
上的辐射能，G－W／m2

物体对投射辐射的反应：吸收、反射和穿透 根据能量守恒 ：
G G G G
G G G 1 G G G
6.1 热辐射的基本概念
6.1.4 理想辐射体／物体对投射辐射的反应

反射比（Reflectivity）－反射辐射占投射来的份额，表 示物体反射投射辐射能力的大小
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／立体角

立体角：表示物体在三维空间中某一方向所占空间的大 小
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／立体角

立体角（solid angle）：球面面积As与球面半径r2之比 单位：sr
As 2 r
dAs d 2 r
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／光谱辐射力
光谱辐射力——物体在单位时间内、单位表面积向其周 围半球空间各个方向发射的波长在λ～λ+Δλ范围内的辐射 能量
Φ dΦ E lim 0 dA d d A
光谱辐射力习惯上也称为单色辐射力 单位：W/(m2μm) 或 W/m3 意义：反映了物体发射某一特定波长辐射能能力的大小
源——微波炉的原理

——波长大于1米的电磁波主要用于无线电技术中
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射

热射线: 热辐射中发出的电磁波通常称为
理论上：热辐射的电磁波波长包括整个波谱
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射

工业温度范围（2000K）：位于0.8～100μm之间，且
大部分能量集中在0.76～20μm范围内，可见光区域 （ 0.38～0.76μm ）所占比重不大——红外辐射

辐射力，半球向总辐射力（total hemispherical emissive power）

是辐射传热中使用最多的参数之一 表示了物体热辐射本领大小，E 越大，热辐射能力越强
E E d
0

6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度
辐射力和光谱辐射力给出了物体向半球空间发射辐 射能的情况 实际上，物体在空间不同方位上的辐射能力也不同
6.1 热辐射的基本概念
6.1.4 理想辐射体

黑体、绝对白体和透明体均为理想物体，自然界中并不
真正存在，存在着十分接近理想体的物质

——煤烟、炭黑、黑油漆、粗糙钢板等，对热射线的吸 收都在0.9～0.95，十分接近黑体

——磨光纯金的反射比接近0.98，近似为白体
6.1 热辐射的基本概念
6.1.4 理想辐射体
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度

任意微元表面将整个空间划分 为对称的两部分：表面之上与
表面之下

每一部分都对应着半球空间
——向其上的半球空间发射辐 射能

——接受来自该半球空间的辐
射能
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度

热辐射研究的复杂性： ——光谱特性：辐射的强弱随波长而变化 ——方向特性：在空间的不同方向上辐射能力有差别
6.1.3 辐射力与辐射强度／可见辐射面积

可见（有效）辐射面积——从空间某个方位所见到的表 面有效面积
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／定向辐射强度

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

用Lp表示，单位是W/(m2.sr)
若小孔面积占空腔内壁的总面积的0.6%时，在吸收率 为0.6的情况下，小孔的总吸收比可达0.996

白天的窗户
6-2 黑体辐射的基本定律
6.2.2 黑体辐射的基本规律／波长特性

对黑体，在所有符号下加下标“b”来表示其相应的参数
1

普朗克定律（Planck’s law）
——黑体光谱辐射力随温度、波长的变化规律
6-2 黑体辐射的基本定律
6.2.1 黑体与黑体模型

当辐射能进入空腔后： ——经过多次吸收和反射 ——反射一次吸收一次， 每吸收一次，使反射能量 减少

——最终能够通过小孔离
开的能量就近乎于零
6-2 黑体辐射的基本定律
6.2.1 黑体与黑体模型


小孔与空腔内表面积之比越小，小孔就越接近于黑体

太阳辐射（温度约为5800K）：能量集中在0.2－2μm 的波长范围，可见光区段占很大比重——可见光辐射
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射

热射线：热的原因产生的、波长介于为0.1～100μm的
电磁波
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射

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

吸收比（Absorptivity）－反映了物体吸收辐射能能力
的大小

透射比（Transmissivity）—反映了物体透过辐射能能 力的大小
6.1 热辐射的基本概念
6.1.4 理想辐射体／物体对投射辐射的反应
反射比

G G
吸收比 透射比
G G
G G
1
6.1.1 热辐射

电磁波：以波长或频率来识别 起因不同，波长不同，名称不同
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射

波长不同，特性不同： ——短波的γ射线、X射线等，高能物理学家和核工程 师更感兴趣

——波长在1mm－1m的电磁波称为微波，能穿透塑料、
陶瓷和玻璃等，但会被水等极性分子吸收而产生内热
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／辐射力

辐射力——物体在单位时间内、单位表面积向其上的半 球空间的所有方向辐射出去的全部波长的能量

用“E”表示，W/m2


意义：物体在一定温度下发射辐射能本领的大小
强调：半球空间，尽其所能
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／辐射力
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／立体角
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／立体角

微元立体角，与半径无关
dAs d 2 sin d d r

半球空间的立体角为2π sr 引入立体角的目的：衡量表面辐射的方向特性 表面在半球空间辐射的能量按不同方向分布的规律只有 对不同方位中相同的立体角来比较才有意义
6.1 热辐射的基本概念
6.1.4 理想辐射体／物体对投射辐射的反应

若投入辐射是某一波长λ的辐射能Gλ，其中被物体吸收、 反射和透射的部分分别为Gαλ、Gρλ和Gτλ，所占的份额
分别为
G G
光谱吸收比

G G
G G
光谱透射比
光谱反射比
6.1 热辐射的基本概念

存在十分接近理想体的物质
——纯净空气对热射线基本不吸收，也不辐射，视为透
明体

注意：不能仅凭物体的颜色来判断黑体或白体，即黑色 物体不一定是黑体，白色物体不一定是镜体
6.1 热辐射的基本概念
6.1.4 理想辐射体

黑体最为重要，在热辐射分析中有着特殊的重要性 引入黑体的意义：为实际物体辐射规律的研究和分析提


辐射中的温度：
（1）工业高温：< 2000K——红外辐射 （2）太阳高温：～6000K——太阳辐射
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射

辐射：物体向外界以电磁波的方式发射携带能量的粒 子的过程

宏观－连续的电磁波 微观－不连续的光子 电磁波的本质：具有一定能量的光子(粒子) 辐射能：辐射粒子所携带的能量
航空及太阳能利用等领域都占有主导地位
对石油工程而言，热辐射理论的重要性要低一些
本章思路

1 辐射的基本概念 2 理想辐射体－黑体 ——黑体的辐射特性 ——黑体间的辐射传热计算


3 实际物体的辐射
——实际物体的辐射和吸收特性：灰体 ——灰体间的辐射传热计算
本章总说明

物体的辐射特性：发射特性和吸收特性
定向辐射强度：表示了在空间不同方向上物体发射
辐射能能力的大小
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／立体角

半球空间的几何方位用球坐 标系更方便

—用φ表示经度角 —用θ表示纬度角
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／立体角

几何上，“角”反映了在空间某一方向所占区域的大小 平面几何中，用平面角表示在平面上所占区域的大小 单位“弧度”