工程热力学与传热学热辐射与辐射换热

1、第十六章热辐射和辐射换热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）。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:0.1 u m一100 u m；可见光

2、：0. 38 um0. 76 um1旷31旷3力0空却弋 11010a W- 0 W* T id* 曲竖 1LM-Lf f, II mimA皿* *斎射0 ”1權 E射讦丼药红那魁T无舞底鞍可期fe式中CXV-光速; 波长；频率。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 与薪家的乗积：(16-1)c=入v蹲帶務不连续的量子形式进行的E=h v(16-2)式中h普朗克常数，其值为6.6256X1034J-So辐射换热：物体之间相互辐射和相互吸收过程的总 效果，称为辐射换热。特点：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

3、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。1:11、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。*= = 13、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。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：Ga+Gp+GT=G G/G+Gp/G+G/GF 其中：Ga/G、Gp/G、Gt/G 分别

4、称为该物体对投射辐射的7Gt-吸收率，反射率和透射率依次用符号P、工表示，即有: a + P + t =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。a x+ p x+ t x= 1(16-3b)式中：a入、P入、T入分别为单色吸收率、单色 反射率和单庖透射$o CL、P、T和a入、P入、T入是物体表面的 辐射特性，与物体的性质、温度及表面状况亨 关。a、p、p还和毅射能量的波幺分布有关口固体和液体不允许热辐射透过。透射率t=0,即a+p= 1 o gp：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。口气体

5、对辐射能几乎没有反射能力，可 认为反射率P = 0 ,即a + t = 1 o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另O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O黑体：如果物体能全部吸收外来辐射 龜则称另票尿,即a = 1 ;白体：如果物体全部反射外来射

6、线， 则不论镜面反射或漫反射均称为白体 ,即 P = 1 ；透明体：如果物体能被外来射线所全 部邈厭则祿头磁明体，BP T = 1 o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 很强的煤烟臭和黑丝绒等，a097；高度磨 光的纯金P = 09 8黑体、白体和透明体都是对全波长射线而言的。 口体的颜色来判断（可见光只是全波长 射线中的一小部分），白颜色的的物体不定 是白体。例如雪对可见光吸收率很小，但对全 進垄射线其吸收率ao98,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

7、能透过可见光,对入3 u m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 鈔体的性质、表面状况、崩处温度务东射物箱 的温度有关。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)o Sr是立体角的 单位称为球面度。若辐射强度仅指某波长入下波长间隔d入范围 内所发射的能量，则称为单色辐射强度， 用符号厶表示，单位是W/Si? 加阴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08波长范围内的总能量，用符号E表示，单位MW/m2o单色辐射

8、力指若辐射力仅指某波长入下波长 间隔d入范围内所发射的能量。用符号E入表 示，单位是W/(m2 um),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，是一个理想花的沏 体。此启凡号黑祐辐射有关的物理量，扬以 右下角标“b”表示。、普朗克定律（黑体辐廟按波长分布的规律）普朗克定律即黑体单色辐射力Eb入与波长X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 X108 W fJLm4/nviC2=1.4387X104 fimK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Eb入为最大

9、值时的波长入与温 度T之间的关系：XmaxT=2897.6K(16-10)二、斯蒂芬一玻尔兹曼定律上式说明：黑体的单位表面积上在单位 时间内发出的（包括全波长范围的）热辐射总 能量，和它的绝对温度四次方成正比。这就是 斯蒂芬玻尔兹曼定律，亦称四次方定律。波段辐射力:波段区间的辐射能O(16-12Q口加琳的W射力占同温度下黑(16-12b)（丄比o）qH 一讐切41qa(2lro )q(丄 W-o )q(一【匕)qH d 日仃一丄）（/丫）g例8-2试求当温度为2000K时黑体最大的单色辐牌勰热娜见光与红外线在总辐 解：应用式(16-10),该黑体最大的辐射力所对应的波长入为:Amax=2897

10、.6/2000=1 -4488pmx T值并由表8-1查出对应的Fb(0_XT)值。可见光的波长范围为0. 380. 76 U m,红外线波 长范围为0761000 A m可分别算出各波长下的Z=0.38gm XT=760gm-K F b(o-o.38)=l X 104 九=0.76pm ZT = 1520pm-K Fb(0_076)=0.16X101 Z=1000gm XT=2 X106 gm-K Fb(0_1000) =1.0可见光在总辐射中所占的份额Fb（o.38 0.76）=00160.1 X 10山=0.01599= 1.599%红外线在总辐射中所占的份额Fb（o.76 looo）

11、= 1 0.016=0.984=98.4%显然，在这样的温度下，可见光辐射 所占份额是微不足道的。是实际物体的单色辐射力与同克希霍夫定律:把实际物体的辐射力E与同温度下黑黑度体的辐射力Eb之比称为该物体的黑度，用符号表 示：(16-18a)= E/ E匕九或E入=抵Eb九(16-18b) 与入的关系为:灰体是指物体的单色辐射率即黑 度与波长无关的物体。灰体的辐射力遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律E = Eb = jbT4(16-19a)=ccb (T/100)4(16-19b)实际物体的辐射力并非严格遵守四次方定 律”但工程上为方便仍用式(16-19)来计算 ,所引起的误差都归到实际物质的黑度中 去修

12、正。此外 其辐射力为E f吸收率为 a 黑度为w，表面温度T 2，分 析两平板在单位时间,单位面 积上的能量收支。板II的能量收支为q= E aEbq=EaEb当系统处于热平衡时Tx = T2, q=0,贝！|E=aEb 或 E/a=Eb=E/a = Eb (16-推广到任意物体：Ei/a i=E2/a 221)即克希霍夫定律的数学表达式，它说明 任何物体的辐射力与其吸收率之比恒等于同 温度下黑体的辐射力，并只和温度有关。必 须指出，这一关系是在热平衡的条件下推导 出来，所以，在实际物体和黑体构成的系统 中只有符合热平衡条件时应用才正确。据黑度的概念，克希霍夫定律还可写作a=E/Eb=(16-22a)对于特定波长，同理可有：a 严入(16-22b)这是克希霍夫定律的又一表达式，它说 明在热平衡条件下，任意物体的吸收率 等于同温度下该物体的辐射率(黑度)O对于灰体，当温度一定时，灰