热辐射基本定律及物体的辐射特性.

第八章 热辐射基本定律及物体的 辐射特性
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Q Q Q Q
Q Q Q 1 Q Q Q 1
式中：各能量的百分数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 、 图7.2物体对热辐射 ρ 、τ 。 的吸收反射和穿透 （1）对固体或液体表面，投射到其上的辐射能在一个极短的距离 内就被吸收完了。金属导体只有 1μ m ，大多数非导电材料为 1mm 。 则τ =0。于是，对于固体和液体， α +ρ =1
第八章 热辐射基本定律及 物体的辐射特性
热量传递的另一种方式——热辐射在过程的机理上与导热、对 流换热是根本不同的。导热与对流换热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，而热辐射是由于物体的电磁运 动所引起的热量的传递。因而其研究方法与思路都与导热和对流换 热部分的讨论有很大的区别。 本章的主要内容 （1）从电磁辐射的观点来认识热辐射的本质及辐射能传递过程 中的一些特性。 （2）讨论热辐射的三个基本定律。 （3）介绍实际物体（固体与液体）的辐射特性。 以便为下一章讨论辐射换热量的计算打下基础。
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（1）黑体模型 黑体的吸收比α =1，意味着黑体能全部吸收各种 波长的辐射能。自然界中并不存在黑体，但可以用人工的方法制造， 在空腔壁（温度均匀）上开一个小孔，由于空腔较大，投射的辐射 能经小孔射入孔腔后，经多次反射吸收后才会出去。反射的能量与 投入的能量相比很小，小孔面积越小，吸收比就越→1。若小孔面 积/孔腔面积小于0.6％，内壁吸收率为0.6时，小孔的吸收比可大 于0.996。所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。
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（2）热辐射具有一般辐射现象的共性 ①速度 c=fλ (8-1) 式中： c—电磁波的传播速度，在真空中c=3×108m/s, f—频率，1/s， λ —波长，[m]。1μ m=10-6m 。
②辐射能 是电磁波或光子所运载的能量。每个光子的能量为： er=hf 式中：h—普郎特常数， h=6.624×10-34. 辐射能落在另一物体上吸收时会发生以下现象： ①转变为内能——热效应。 ②引起化学反应——光合作用 ③迫使金属发射电子——光电效应。 （3）电磁辐射波谱 见图8-1
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§8-1 热辐射的基本概念
1热辐射的本质与特征 （1）本质与特征 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，例如高频振荡电路产 生的无线电波，此外还有可见光、红外线、紫外线、X 射线、及 γ 射线等各种电磁波。热辐射是由于热的原因而产生的电磁辐射。 热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发 出来的。辐射是物体的固有特性，只要物体的温度高于零度（0k） ，物体总是不断的把热能转变为辐射能，向外发出热辐射。同时， 物体亦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，其辐射换热量为零，但其表面 上的热辐射仍在不停的进行。
在这样的等温空腔内部，辐射是 均匀而且各向同性的，空腔内表面 上的辐射就是同温下的黑体辐射。
图7-5
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黑体模型
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电
磁
辐
射
波
谱
图7-1
在工业的温度范围内（ 2000k ） , 有实际意义的热辐射波长位于 0.38~100μ m 之间。且大多数能量位于红外线区段的（ 0.76~20μ m ） 范围内，可见光区段（0.38~0.76μ m）热辐射能量的比重不大。 对于太阳辐射（5800k），主要能量集中在0.2~2μ m的波长范围 内。可见光区段占有很大的比重。
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如果把太阳辐射包括在内，热辐射的波长区段可放宽为0.1~100μ m。 红外线又有远红外线和近红外线之分（波长在25μ m以上的红 外线称为远红外线）。远红外线加热技术就是利用远红外辐射元件 发射出的以远红外线为主的电磁波对物料进行加热。微波炉就是利 用远红外线来加热物体的。远红外线可以穿过塑料、玻璃及陶瓷制 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，从而使物体比较均匀地得到加热。各类食品中的主要成分 是水，因而远红外线加热是比较理想的加热手段。 2物体的吸收比、反射比及穿透比 当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，会发 生吸收、反射和穿透现象。见图7-2，物体对热辐射的吸收、反射 和穿透。
既善于吸收就不善于反射。
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辐射能投射到物体表面后的反射现象和可见光一样，有镜面反射和 漫反射的区分。这取决于表面不平整尺寸的大小，即表面的粗糙度。 当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，形成镜面反射，此时 入射角等于反射角。（例如高度磨光的金属板见图7-3）。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。一般工程材 料的表面都形成漫反射。见图7-4。
图7-3 镜反射
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图7-4 漫反射
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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，ρ =0 ，从而 α +τ =1 即吸收性大的气体，其穿透比就差。 由上所述，对于固体和液体呈现的吸收和反射特性不涉及物体的内 部。因此物体表面状况对辐射特性的影响至关重要。而对于气体， 辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状况则无关紧要。 （2）特殊情况 α =1的物体叫做绝对黑体。 ρ =1的物体叫做绝对白体。 τ =1的物体叫做绝对透明体。 显然黑体、白体和透明体都是假定的理想物体。 3黑体模型及黑体在热辐射分析中的特殊性