工程热力学与传热学16)热辐射与辐射换热
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不能按物体的颜色来判断（可见光只是全波长 射线中的一小部分），白颜色的的物体不一定 是白体。例如雪对可见光吸收率很小，但对全 波长射线其吸收率α≈0.98，非常接近黑体； 白布和黑布对可见光的吸收率不同，但对红外 线的吸收率基本相同，普通玻璃能透过可见光 ，对λ＞3μm的红外线几乎是不透明体。
因此，物体对外来辐射的吸收和反射能力是和 物体的性质、表面状况、所处温度和发射物体 的温度有关。
• 热辐射：通常把物质由于自身与温度有关的 原因而激发产生的电磁波传播称为热辐射。
任何物体在绝对零度以上都能发射出电磁波。
物质可对外发射从零到无穷大的任何波长的电 磁波，激发方式不同，所产生的电磁波波长就 不相同，它们投射到物体上产生的效应也不同 。
热射线：0.1μm—100μm；
可见光：0.38μm—0.76μm
• 自然界所有物体的吸收率α，反射率ρ和 透射率τ的数值都在 0到1 的范围内变化 ，每个量的数值又因具体条件不同而千差 万别。为了使问题简化，可以从理想物体 入手进行研究。
• 黑体：如果物体能全部吸收外来辐射 线，则称为黑体，即α＝１；
• 白体：如果物体全部反射外来射线， 则不论镜面反射或漫反射均称为白体 ，即ρ＝１；
工程热力学与传热学16) 热辐射与辐射换热
2020/8/19
第一节 热辐射的基本概念
一、辐射和热辐射
• 辐射：从宏观的角度、辐射是连续的电磁波 传递能量的过程；从微观的角度，辐射是不 连续的量子传递能量的过程。因此，物体向 外界以电磁波的形式发射携带能量的量子的 过程称为辐射。
• 辐射能：通过辐射所传递的能量称为辐射能 (也把辐射这个术语用来表明辐射能本身)。
固体和液体物体表面状况对这些特性 的影响是至关重要的。
• 辐射能投射到物体表面后的反射现象，也和 可见光一样有镜面反射和漫反射两种情况。 当表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于投射 辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角 等于反射角。当表面不平整尺寸（表面粗糙 度）大于投射辐射的波长时，入射射线被反 射后沿各个方向均匀分布、形成漫反射。一 般工程材料的表面大都形成漫反射。
三、辐射强度和辐射力
• 辐射强度是物体表面朝向某给定方向，对
垂直于该方向的单位面积，在单位时间单位 立体角内所发射全波长的能量，用符号Ⅰ表 示，它的单位是W／(m２·Sr)。Sr是立体角的 单位称为球面度。
• 若辐射强度仅指某波长λ下波长间隔dλ范围
内所发射的能量，则称为单色辐射强度，
用符号Iλ表示，单位是W／(m２·μm·Sr)
• 透明体：如果物体能被外来射线所全 部透射，则称为透明体，即τ＝１。
• 自然界中并不存在绝对的黑体、白体和透明体 ，它们只是实际物体热辐射性能的理想模型。 但也存在接近理想模型的实际物体，如吸收力 很强的煤烟炱和黑丝绒等，α≈0.97；高度磨 光的纯金ρ＝０.９８
黑体、白体和透明体都是对全波长射线而言的 。
辐射力是物体参与辐射的单位表面积在单位 时间内向半球空间辐射出去的0～∞波长范围 内的总能量，用符号E表示，单位是W／m２。
单色辐射力指若辐射力仅指某波长λ下波长 间隔dλ范围内所发射的能量。用符号Eλ表 示，单位是W／(m２·μm)，
第二节 热辐射基本定律
• 黑体作为理想辐射体，能够吸收来自半球各 个方向各种波长的全部能量。黑体吸收率最 大，辐射力亦最强，是一个理想化的物体 。 此后凡与黑体辐射有关的物理量，均以右 下角标“b”表示。
λmax·T＝2897.6μm·K (16-10)
二、斯蒂芬—玻尔兹曼定律
二、辐射能的吸收、反射和透射
各种辐射射线都是电磁波，因而 它们之间并无绝对的对立，可见光与 不可见的热射线也无本质的区别。当 热辐线投射到物体上时，和可见光一
样也有吸收，反射和透射现象发
生。
根据能量守恒原则： Gα＋Gρ＋Gτ＝G Gα/G＋Gρ/G＋Gτ/G＝1 其中：Gα/G、Gρ/G、Gτ/G
一、普朗克定律 (黑体辐射按波长分布的规律)
普朗克定律即黑体单色辐射力Ebλ与波长λ和物 体表面绝对温度T之间的函数关系式：
(16-9)
其中：C1=3.743×108 w·μm4/m2 C2=1.4387×104 μm K
维恩位移定律
德国物理学家维恩在1896年用经典热力学 方法确定了Ebλ为最大值时的波长λmax与温 度T之间的关系：
效果，称为辐射换热。
特点：
1、不依靠物体间相互接触而进行热量传递，只要彼此 可见的物体就能互相进行热辐射。
2、辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体 的部分内能转化为辐射能发射出去，当射及另一物体 表面而被吸收时，辐射能又转化为该物体的内能。
3、辐射换热过程中，高温物体向低温物体辐射能量的 同时，低温物体也向高温物体辐射能量，热辐射是双 向的。能量最终由高温物体传向低温物体。
α、ρ、τ和αλ、ρλ、τλ是物体表面的 辐射特性，与物体的性质、温度及表面状况有 关。α、ρ、τ还和投射能量的波长分布有关 。
固体和液体不允许热辐射透过。透射 率τ＝０，即α＋ρ＝１。即：吸收能力大 的物体其反射本领就小；反之吸收能力 小的物体其反射本领就大。
气体对辐射能几乎没有反射能力，可 认为反射率ρ＝０，即α＋τ＝１。显 然，吸收性大的气体，其穿透性就差。 多原子气体才具有吸收能力。
分别称为该物体对投射辐射的
吸收率，反射率和透射率
依次用符号α、ρ、τ表示，即有：
α＋ρ＋τ＝1
(16-3a)
单色辐射：在某个特定波长下的辐射称为单色 辐射，如果投射能量是单色辐射，上述关系也 同样适用。
αλ＋ρλ＋τλ＝１ (16-3b) 式中:αλ、ρλ、τλ分别为单色吸收率、单色
反射率和单色透射率。
热辐射是电磁波多种辐射形式的一种，所有电 磁辐射都以光速进行传播，其值等于辐射波长
与频率的乘积：
c＝λν
(16-1)
式中 cwenku.baidu.com——
λ——
ν——频率。
热辐射的传播是以不连续的量子形式进行的， 每个量子的能量为：
E＝hν
(16-2)
式中 h —普朗克常数，其值为6.6256×10-34J·S。
辐射换热：物体之间相互辐射和相互吸收过程的总
因此，物体对外来辐射的吸收和反射能力是和 物体的性质、表面状况、所处温度和发射物体 的温度有关。
• 热辐射：通常把物质由于自身与温度有关的 原因而激发产生的电磁波传播称为热辐射。
任何物体在绝对零度以上都能发射出电磁波。
物质可对外发射从零到无穷大的任何波长的电 磁波，激发方式不同，所产生的电磁波波长就 不相同，它们投射到物体上产生的效应也不同 。
热射线：0.1μm—100μm；
可见光：0.38μm—0.76μm
• 自然界所有物体的吸收率α，反射率ρ和 透射率τ的数值都在 0到1 的范围内变化 ，每个量的数值又因具体条件不同而千差 万别。为了使问题简化，可以从理想物体 入手进行研究。
• 黑体：如果物体能全部吸收外来辐射 线，则称为黑体，即α＝１；
• 白体：如果物体全部反射外来射线， 则不论镜面反射或漫反射均称为白体 ，即ρ＝１；
工程热力学与传热学16) 热辐射与辐射换热
2020/8/19
第一节 热辐射的基本概念
一、辐射和热辐射
• 辐射：从宏观的角度、辐射是连续的电磁波 传递能量的过程；从微观的角度，辐射是不 连续的量子传递能量的过程。因此，物体向 外界以电磁波的形式发射携带能量的量子的 过程称为辐射。
• 辐射能：通过辐射所传递的能量称为辐射能 (也把辐射这个术语用来表明辐射能本身)。
固体和液体物体表面状况对这些特性 的影响是至关重要的。
• 辐射能投射到物体表面后的反射现象，也和 可见光一样有镜面反射和漫反射两种情况。 当表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于投射 辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角 等于反射角。当表面不平整尺寸（表面粗糙 度）大于投射辐射的波长时，入射射线被反 射后沿各个方向均匀分布、形成漫反射。一 般工程材料的表面大都形成漫反射。
三、辐射强度和辐射力
• 辐射强度是物体表面朝向某给定方向，对
垂直于该方向的单位面积，在单位时间单位 立体角内所发射全波长的能量，用符号Ⅰ表 示，它的单位是W／(m２·Sr)。Sr是立体角的 单位称为球面度。
• 若辐射强度仅指某波长λ下波长间隔dλ范围
内所发射的能量，则称为单色辐射强度，
用符号Iλ表示，单位是W／(m２·μm·Sr)
• 透明体：如果物体能被外来射线所全 部透射，则称为透明体，即τ＝１。
• 自然界中并不存在绝对的黑体、白体和透明体 ，它们只是实际物体热辐射性能的理想模型。 但也存在接近理想模型的实际物体，如吸收力 很强的煤烟炱和黑丝绒等，α≈0.97；高度磨 光的纯金ρ＝０.９８
黑体、白体和透明体都是对全波长射线而言的 。
辐射力是物体参与辐射的单位表面积在单位 时间内向半球空间辐射出去的0～∞波长范围 内的总能量，用符号E表示，单位是W／m２。
单色辐射力指若辐射力仅指某波长λ下波长 间隔dλ范围内所发射的能量。用符号Eλ表 示，单位是W／(m２·μm)，
第二节 热辐射基本定律
• 黑体作为理想辐射体，能够吸收来自半球各 个方向各种波长的全部能量。黑体吸收率最 大，辐射力亦最强，是一个理想化的物体 。 此后凡与黑体辐射有关的物理量，均以右 下角标“b”表示。
λmax·T＝2897.6μm·K (16-10)
二、斯蒂芬—玻尔兹曼定律
二、辐射能的吸收、反射和透射
各种辐射射线都是电磁波，因而 它们之间并无绝对的对立，可见光与 不可见的热射线也无本质的区别。当 热辐线投射到物体上时，和可见光一
样也有吸收，反射和透射现象发
生。
根据能量守恒原则： Gα＋Gρ＋Gτ＝G Gα/G＋Gρ/G＋Gτ/G＝1 其中：Gα/G、Gρ/G、Gτ/G
一、普朗克定律 (黑体辐射按波长分布的规律)
普朗克定律即黑体单色辐射力Ebλ与波长λ和物 体表面绝对温度T之间的函数关系式：
(16-9)
其中：C1=3.743×108 w·μm4/m2 C2=1.4387×104 μm K
维恩位移定律
德国物理学家维恩在1896年用经典热力学 方法确定了Ebλ为最大值时的波长λmax与温 度T之间的关系：
效果，称为辐射换热。
特点：
1、不依靠物体间相互接触而进行热量传递，只要彼此 可见的物体就能互相进行热辐射。
2、辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体 的部分内能转化为辐射能发射出去，当射及另一物体 表面而被吸收时，辐射能又转化为该物体的内能。
3、辐射换热过程中，高温物体向低温物体辐射能量的 同时，低温物体也向高温物体辐射能量，热辐射是双 向的。能量最终由高温物体传向低温物体。
α、ρ、τ和αλ、ρλ、τλ是物体表面的 辐射特性，与物体的性质、温度及表面状况有 关。α、ρ、τ还和投射能量的波长分布有关 。
固体和液体不允许热辐射透过。透射 率τ＝０，即α＋ρ＝１。即：吸收能力大 的物体其反射本领就小；反之吸收能力 小的物体其反射本领就大。
气体对辐射能几乎没有反射能力，可 认为反射率ρ＝０，即α＋τ＝１。显 然，吸收性大的气体，其穿透性就差。 多原子气体才具有吸收能力。
分别称为该物体对投射辐射的
吸收率，反射率和透射率
依次用符号α、ρ、τ表示，即有：
α＋ρ＋τ＝1
(16-3a)
单色辐射：在某个特定波长下的辐射称为单色 辐射，如果投射能量是单色辐射，上述关系也 同样适用。
αλ＋ρλ＋τλ＝１ (16-3b) 式中:αλ、ρλ、τλ分别为单色吸收率、单色
反射率和单色透射率。
热辐射是电磁波多种辐射形式的一种，所有电 磁辐射都以光速进行传播，其值等于辐射波长
与频率的乘积：
c＝λν
(16-1)
式中 cwenku.baidu.com——
λ——
ν——频率。
热辐射的传播是以不连续的量子形式进行的， 每个量子的能量为：
E＝hν
(16-2)
式中 h —普朗克常数，其值为6.6256×10-34J·S。
辐射换热：物体之间相互辐射和相互吸收过程的总