第5章热辐射及辐射换热1

1、1v热传导热传导由于物体微观粒子的热运动而造成的；由于物体微观粒子的热运动而造成的；v热对流热对流由于物体的宏观运动而造成的；由于物体的宏观运动而造成的；热量传递的基本方式热量传递的基本方式热辐射及辐射传热热辐射及辐射传热 自然界普遍存在的现象。自然界普遍存在的现象。 在日常生活和工程领域内有广泛的应用背景。在日常生活和工程领域内有广泛的应用背景。特别是在：特别是在： 高温加热和燃烧；高温加热和燃烧； 红外干燥；红外干燥； 航天航空；航天航空； 太阳能利用；太阳能利用；占有主导地位。占有主导地位。学习目标：学习目标： 掌握物体的辐射特性以及掌握物体的辐射特性以及物体间辐射传热的计算。物体间辐射

2、传热的计算。第第5章章 热辐射及辐射传热热辐射及辐射传热v5-1 热辐射的基本概念v5-2 黑体辐射的基本定律v5-3 黑体表面间辐射传热的计算v5-4 实际物体的辐射特性v5-5 灰体表面间辐射传热的计算（1 1）热辐射的概念）热辐射的概念v辐射辐射物体通过电磁波来传递能量的方式。物体通过电磁波来传递能量的方式。v辐射能辐射能电磁波传递的能量。电磁波传递的能量。v物体会因受到各种不同方式的激励作用而产生辐射，物体会因受到各种不同方式的激励作用而产生辐射，v使物体内产生能量形式的转化而向外发射辐射能。使物体内产生能量形式的转化而向外发射辐射能。v热辐射热辐射由于由于热的原因热的原因而产生的电磁

3、波辐射。而产生的电磁波辐射。v 其电磁波是由于物体内部微观粒子的热运动状态改变激发出来的其电磁波是由于物体内部微观粒子的热运动状态改变激发出来的。v热辐射是物质的固有属性。热辐射是物质的固有属性。v 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0K，就能不断地发出辐射能。，就能不断地发出辐射能。5-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念5v起因不同，波长不同、名称不同、起因不同，波长不同、名称不同、特性不同。特性不同。v 短波短波 射线、射线、X射射线等线等，高能物理学家和核工程师更感兴趣；，高能物理学家和核工程师更感兴趣；v 微波炉微波炉利用波长在利用波长在25 m1mm的的远红外线加热物体远

4、红外线加热物体。远红外线能。远红外线能穿透塑料、陶瓷和玻璃等，但会被水等极性分子吸收而产生内热源；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源；v无线电波无线电波波长大于波长大于1mm的电磁波的电磁波，主要用于无线电技术中。，主要用于无线电技术中。热辐射的基本概念热辐射的基本概念（2）电磁波波谱）电磁波波谱电磁波的波长范围，从零到无穷大。电磁波的波长范围，从零到无穷大。电磁波通常以电磁波通常以波长或频率波长或频率来识别。来识别。不同的电磁波位于电磁波波谱的一定波长区段内。不同的电磁波位于电磁波波谱的一定波长区段内。6（3 3）热射线）热射线理论上：理论上：0 工程中：主要在工程中

5、：主要在0.1 m100 m热辐射的基本概念热辐射的基本概念基本特征：基本特征：投射到物体表面并被吸收后能够产生明显的热效应。投射到物体表面并被吸收后能够产生明显的热效应。7v工业温度工业温度（在在2000K以下以下）红外辐射红外辐射v 有实际意义的热辐射位于有实际意义的热辐射位于0.38100 m，且大部分能量集中在红，且大部分能量集中在红外区段外区段0.7620 m，而可见光，而可见光 0.380.76 m所占比重不大。所占比重不大。v太阳辐射太阳辐射（温度约温度约5800K）可见光辐射可见光辐射v 能量集中在能量集中在0.22 m波长范围，其中可见光区段占很大比重。波长范围，其中可见光区

6、段占很大比重。0.1100 m热辐射的基本概念热辐射的基本概念v 物体之间相互发射和相互吸收辐射能的物体之间相互发射和相互吸收辐射能的综合结果就造成了物体间以热辐射方式进行综合结果就造成了物体间以热辐射方式进行的热量传递。的热量传递。v物体间有温差物体间有温差辐射传热量。辐射传热量。 v温差消失温差消失辐射传热量为零辐射传热量为零；但物体间的发射和；但物体间的发射和吸收仍在不停地进行（吸收仍在不停地进行（动态热平衡动态热平衡）。）。v物体间辐射传热量的计算后面详细讨论。物体间辐射传热量的计算后面详细讨论。（动态平衡），002, 1212, 121TTTT热辐射的基本概念热辐射的基本概念2 2、

7、辐射传热的基本特点、辐射传热的基本特点与导热、对流传热的本质区别：与导热、对流传热的本质区别： (1)物体间辐射传热不需要接触，也不需要中间物体间辐射传热不需要接触，也不需要中间媒质，可在真空下进行，且在真空中最有效。媒质，可在真空下进行，且在真空中最有效。 (2)辐射传热过程中伴随着能量形式的转化。辐射传热过程中伴随着能量形式的转化。发射热力学能辐射能热力学能辐射能吸收热辐射的基本概念热辐射的基本概念105.1.3 辐射力与辐射强度辐射力与辐射强度（1）光谱辐射力与辐射力）光谱辐射力与辐射力1、光谱辐射力、光谱辐射力 E 物体在单位时间、单位表面积向其上半球空间所有物体在单位时间、单位表面积

8、向其上半球空间所有方向上发射的波长方向上发射的波长在在 +d 范围内范围内的辐射能量。的辐射能量。单位单位W/m32、辐射力、辐射力 E物体在单位时间、单位表面积向其上半球空间所有物体在单位时间、单位表面积向其上半球空间所有方向发射的方向发射的全部波长范围内全部波长范围内的辐射能量。的辐射能量。单位单位W/m2表示物体热辐射本领的大小。表示物体热辐射本领的大小。0 EE d二者关系热辐射的基本概念热辐射的基本概念dEd dA11（2）定向辐射强度）定向辐射强度热辐射的基本概念热辐射的基本概念2cddAr微元立体角 纬度角纬度角经度角经度角实际上，物体在空间不同方位上的辐射能力也不同。实际上，物

9、体在空间不同方位上的辐射能力也不同。首先需要了解空间方位及其大小的表示方法。首先需要了解空间方位及其大小的表示方法。空间某一方向所占区域的大小，空间某一方向所占区域的大小，用用立体角立体角表示，表示，单位球面度单位球面度sr 。2cAr立体角 球坐标系空间方位空间方位空间大小空间大小v 空间不同方向上的立体角不同，所占空间区域空间不同方向上的立体角不同，所占空间区域的大小不同，立体角内所具有的能量就不同的大小不同，立体角内所具有的能量就不同。v 为了为了衡量物体表面向空间不同方位发射辐射能衡量物体表面向空间不同方位发射辐射能的的能力大小，必须能力大小，必须针对针对不同方位上的相不同方位上的相等

10、等立体角立体角进进行比较才有意义。行比较才有意义。122sinsin rdrddddr微元立体角135.1.3 辐射力与辐射强度辐射力与辐射强度（2）定向辐射强度）定向辐射强度 单位时间内单位时间内在空间指定方向在空间指定方向 的的单位立体角单位立体角内离开物内离开物体体表面表面单位可见辐射面积单位可见辐射面积的全波长辐射能量的全波长辐射能量。 用用I表示表示，单位，单位W/(m2sr) 定向光谱辐射强度定向光谱辐射强度 针对某一波长的定向辐射强度，针对某一波长的定向辐射强度，用用I 表示表示，单位，单位W/(m3sr)( )( )cosddAdI热辐射的基本概念热辐射的基本概念( )(co)

11、( )sIddddAIdv图中位于球心图中位于球心O处微元面处微元面dA为辐射表面，半球面上为辐射表面，半球面上dAs为接收辐射面。为接收辐射面。dAs纬度角为纬度角为 ，立体角为，立体角为d 。v空间空间 方向的微元面方向的微元面dAs所见到的辐射面积为所见到的辐射面积为dAcos ，该面积就称为该面积就称为可见辐射面积可见辐射面积。v显然，在微元面显然，在微元面dA法线方向上法线方向上可可见辐射面积最大见辐射面积最大，而，而在微元面在微元面切线方向上切线方向上可见可见辐射面积为零。辐射面积为零。14cosdA可见辐射面积 ( )( )cosddAdI15定向辐射强度定向辐射强度( )( )

12、cosddAdI热辐射的基本概念热辐射的基本概念2sincdAdrdd 微元立体角 cosdA可见辐射面积 纬度角经度角165.1.3 理想辐射体理想辐射体 1、物体对投入辐射的作用、物体对投入辐射的作用 投入辐射投入辐射G单位时间内从外界投射到单位时间内从外界投射到物体单位表面积上的总辐射能，物体单位表面积上的总辐射能，W/m2。 1投入辐射投入辐射 = 1GGGGGGGGGG或能量守恒：GGGGGG吸收比反射比透射比 、 、 不仅取决于物体的性质，还与不仅取决于物体的性质，还与有关。有关。热辐射的基本概念热辐射的基本概念自然界中物体自然界中物体1G 光谱吸收比光谱反射比光谱透射比特定波长吸

13、收吸收反射反射透射透射17热辐射的基本概念热辐射的基本概念 自然界中自然界中并不真实存在。并不真实存在。=0.900.95煤烟炭黑黑油漆粗糙钢板=0.981磨光纯金 纯净空气 黑色物体不一定是黑体； 白色物体不一定是镜体。不能仅凭颜色判断：5.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律5.2.1 黑体与黑体模型黑体与黑体模型v黑体黑体吸收比吸收比 = 1的物体的物体v 黑体具有最大的吸收能力，能够百分百地吸收来自黑体具有最大的吸收能力，能够百分百地吸收来自空间各方向、各波长的全部投入能量，既空间各方向、各波长的全部投入能量，既没有没有反射也反射也没有没有透透射射，这是它的吸收特性，这是它的吸收特

14、性。v自然界中并不存在真正意义上的黑体。自然界中并不存在真正意义上的黑体。 19 5.2.1 黑体与黑体模型黑体与黑体模型v当辐射能从小孔进入空腔时当辐射能从小孔进入空腔时v 经过多次吸收和反射；经过多次吸收和反射；v最终通过小孔离开的能量就近乎最终通过小孔离开的能量就近乎于零，认为辐射能被全部吸收。于零，认为辐射能被全部吸收。v 小孔面积占空腔内壁总面积的份额越小，空腔小孔面积占空腔内壁总面积的份额越小，空腔内壁面材料的吸收比越大，小孔就越接近于黑体。内壁面材料的吸收比越大，小孔就越接近于黑体。5-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律人工黑体模型人工黑体模型带小孔的壁温均匀的空腔带小孔的

15、壁温均匀的空腔:205.2.2 5.2.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 揭示揭示Eb = f ( ，T）的函数关系）的函数关系21251b/1CTcEe 波长，波长，m ； T 黑体温度，黑体温度，K ；第一辐射常数第一辐射常数 C1= 3.74310-16 W m2 ;第二辐射常数第二辐射常数 C2 = 1.43910-2 m K。 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律5.2.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 1901年普朗克根据量子力学年普朗克根据量子力学理论得到的。理论得到的。黑体辐射曲线黑体辐射曲线22 黑体辐射的特点：黑体辐射的特点：（1）黑体的光谱辐射力随波长的变

16、化是连续的。 一定温度下，黑体的光谱辐射力先随波长的增加而增加，达到某一峰值后又随波长的增加而减小。 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律（2）波长一定时，黑体的光谱辐射力均随温度的升高而增加。 但短波范围内光谱辐射力的增加幅度比长波范围内的要更大一些。（3）光谱辐射力曲线下的面积就是黑体在该温度下的半球向总辐射力。 并且随黑体温度的升高而增大。（4）一定温度下黑体辐射的大部分能量集中在某一波段范围内。 随着温度升高，该波段范围向短波方向移动。（5）任意温度下，黑体的光谱辐射力都存在着一个极大值， 并且随着温度的升高，该极大值所对应的波长向短波方向移动。可见光所占份额升高。可见光所占份额升高。

17、max2898 m KT1891891 1年年维恩据热力学原理导出，维恩据热力学原理导出，早于普朗克定律早于普朗克定律。max0bET一定时，令所对应的波长。max5800K 0.5 mTmax2000K 1.45 mTmax300K 9.66 mT 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 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。 可解释现象，可解释现象，如色温。核爆炸：温度约核爆炸：温度约几千万几千万 K， max024黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律辐射表面颜色辐射表面颜色表面温度表面温度/K辐射表面颜色辐射表面颜色表面温度表面温度/K暗红色暗红色800黄色

18、黄色1500深红色深红色1000白色白色1600樱桃红色樱桃红色1200白炽白炽1800以上以上橙色橙色1400 将一铁块放入高温炉中加热，从热辐射角度分析将一铁块放入高温炉中加热，从热辐射角度分析铁块的颜色变化过程。铁块的颜色变化过程。254bET = 5.6710-8 W/(m2 K4) 。251bb/()001CTcEE dde40100TCEbC0= 5.67 W/(m2 K4) 黑体辐射系数黑体辐射系数。 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律Ludwig Boltzmann 18441906 首先由首先由18791879年通过实年通过实验得到；其后由验得到；其后由玻耳兹曼玻耳兹曼18

19、188484年通过热力学理论证实。年通过热力学理论证实。均早于均早于1901年年普朗克定律普朗克定律。波段辐射力波段辐射力黑体在某一波段范围内发出的辐射能。黑体在某一波段范围内发出的辐射能。2121()bbEE d 由于黑体发出辐射能的大部分都集中在某一波段范围内，因此由于黑体发出辐射能的大部分都集中在某一波段范围内，因此许多工程应用并不需要计算全波长辐射力。许多工程应用并不需要计算全波长辐射力。黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律12()bF-表示波段辐射力占同温度下黑体辐射力的份额黑体辐射函数：黑体辐射函数： Fb(0) 表示相同温度下黑体在波长表示相同温度下黑体在波长0范围内的波范围内的

20、波段辐射力占其辐射力的份额，记为段辐射力占其辐射力的份额，记为 f ( T ) 。0(0)450()()TbbbEdEFdTfTTT22111221()(0)(0)40001bbbbbbbE dFE dE dFFTE d黑体辐射函数黑体辐射函数T/(m K)F0-TT/(m K)F0-TT/(m K)F0-T2004006008001 0001 2001 4001 6001 8002 0002 2002 4002 6002 8003 0003 2003 4003 6003 8004 0000.000 0000.000 0000.000 0000.000 0160.000 3210.002 13

21、40.007 7900.019 7180.039 3410.066 7280.100 8880.140 2560.183 1200.227 8970.273 2320.318 1020.361 7350.403 6070.443 3820.480 8774 2004 4004 6004 8005 0005 2005 4005 6005 8006 0006 2006 4006 6006 8007 0007 2007 4007 6007 8008 0000.516 0140.548 7960.579 2800.607 5590.633 7470.658 9700.680 3600.701 0460

22、.720 1580.737 8180.754 1400.769 2340.783 1990.796 1290.808 1090.819 2170.829 5270.839 1020.848 0050.856 2888 5009 0009 50010 00010 50011 00011 50012 00013 00014 00015 00016 00018 00020 00025 00030 00040 00050 00075 000100 0000.874 6080.890 0290.903 0850.914 1990.923 7100.931 8900.939 9590.845 0980.9

23、55 1390.962 8980.969 9810.973 8140.980 8600.985 6020.992 2150.995 3400.997 9670.998 9530.999 7130.999 905黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律例题例题5-1习题习题5-1、2、3等等1221()(0)(0)bbbFFF28黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律( )bII 常数( )bdEddA黑体的定向辐射力 bbEI黑体辐射力 cosbI( )( )cosddAdI2930黑体黑体辐射基本定律的小结辐射基本定律的小结 揭示黑体光谱辐射力揭示黑体光谱辐射力Eb = f ( ,T）的函数关系）

24、的函数关系黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律max2898 m KT维恩(Wien)位移定律 44b0100TETCbb0EE d( )bII定向辐射强度 常数cos bbEI定向辐射力 251b/1CTcEebbEI余弦定律四次方定律v任意放置的两个黑体表面任意放置的两个黑体表面:v面积面积A1、A2v温度温度T1、T2v如何计算它们的传热量？如何计算它们的传热量？5.3 黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算5.3.1 两个黑体表面间的辐射传热两个黑体表面间的辐射传热 v表面表面1 1发出的辐射能：发出的辐射能：Eb1A1v表面表面2 2发出的辐射能：发出的辐射能：Eb2A2v

25、二者相减是不是辐射传热量？二者相减是不是辐射传热量？Nov为什么？为什么？黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算5.3.1 两个黑体表面间的辐射传热两个黑体表面间的辐射传热 在表面面积、温度确定的条件下，表面在表面面积、温度确定的条件下，表面1 1发出的辐射能未必全部落到表面发出的辐射能未必全部落到表面2 2上，同样表上，同样表面面2 2发出的辐射能未必全部落到表面发出的辐射能未必全部落到表面1 1上。上。v表面之间的相对位置不同，黑体发出的辐射能落到对方上的数量是不同的。v两个表面间的辐射传热量两个表面间的辐射传热量v 与其相对位置有很大关系。与其相对位置有很大关系。辐射传热量辐射

26、传热量 最大最大辐射传热量辐射传热量 为零为零角系数的定义：角系数的定义：同理，表面表面2对表面对表面1的角系数，记为的角系数，记为X2,1。 表面表面1发出的发出的的辐射能中的辐射能中落到达表面落到达表面2的的百分数百分数，称为表面称为表面1对表面对表面2的角系数，记为的角系数，记为X1,2。黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算5.3.1 两个黑体表面间的辐射传热两个黑体表面间的辐射传热 121b11,2E XA表面1发射的落到表面2上的辐射能212b22,1E XA表面2发射的落到表面1上的辐射能1,2122111,2b122,1

27、b2bA XEA XE净辐射传热量:34 122122112, 1coscos1AAdAdArAX 122122121 , 2coscos1AAdAdArAX根据角系数和定向辐射强度的定义，根据角系数和定向辐射强度的定义，并利用兰贝特定律：并利用兰贝特定律：v角系数纯是几何参数：角系数纯是几何参数：仅与仅与物体表面的物体表面的几何形状、尺寸大小和相对位置有关。几何形状、尺寸大小和相对位置有关。而与物体的种类、温度、表面状况等均没有关系。而与物体的种类、温度、表面状况等均没有关系。条件：条件：漫射表面；表面温度均匀漫射表面；表面温度均匀（不均匀应看成不同表面）（不均匀应看成不同表面）11,222

28、,1A XA X1 1、角系数的计算式、角系数的计算式黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算 5.3.2 角系数的性质与计算角系数的性质与计算 11,222,1A XA X,1,2,11Niii ii Ni jjXXXXX 2、角系数的性质、角系数的性质, 0i iX非凹表面, 0i iX凹表面黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算5.3.2 角系数的性质与计算角系数的性质与计算 角系数的完整性 1,21,21,2abXXX1,21,21,1b11b11b12abXXXAEAEAE121212ab212 ,12 122,2aabbXXXAAA212 ,12 ,1abXXX角

29、系数的分解：角系数的分解：只针对角系数的第二个角码！只针对角系数的第二个角码！1,21,21 NiiXX表面2由N个表面构成:5.3.2 角系数的性质与计算角系数的性质与计算 黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算 122122112, 1coscos1AAdAdArAX黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算5.3.2 角系数的性质与计算角系数的性质与计算 （在垂直板面的方向无限长）（在垂直板面的方向无限长）1,21,31XX2,12,31XX3,13,21XX11,222,1A XA X11,333,1A XA X22,333,2A XA X1231,212AAAXA13

30、21,312AAAXAXi,i =01231,212LLLXL2312,322AAAXA黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算1,21,1,1acbdXXX 1,2abacbcacablllXl1,2abbdadbdablllXl 1,22adbcacbdabllllXl两个相互看得见的非凹表面两个相互看得见的非凹表面 （在垂直板面的方向无限长）（在垂直板面的方向无限长）的断面长度表面不交叉线之和交叉线之和122 , 1X 系统封闭系统封闭 作假想面作假想面acac和和bd bd (作假想面作假想面bc和和ad)1-ab 2-cd(abdca封闭封闭)(abda封闭封闭)(abca封

31、闭封闭)（交叉线法）（交叉线法）Xi,i =0黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算工程上，工程上， 线算图求角系数；线算图求角系数； 可查阅传热学手册。可查阅传热学手册。黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算例题：求下列图形中的角系数。例题：求下列图形中的角系数。1 2X，11 222 1A XA X，212211AXXA，211X，2413324RRR 解：黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算21221112AXXA，解：21221118AXXA，解：1 20.5X，解：211X，211X，2221 24RAAR2221 2ARAR黑体表面间辐射传热的计算黑

32、体表面间辐射传热的计算特殊情况下角系数的计算：特殊情况下角系数的计算：1,21X11,222,1A XA X12,12AXA21,21,21aaAXXA1,22,11XX忽略边缘效应忽略边缘效应辅助平面辅助平面2a两表面组成的封闭系统两表面组成的封闭系统1,12,200XX1,12,20 X0X1,12,20XX黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算5.3.3 5.3.3 黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算 1,211,2b1b222,1b1b2 bA XEEA XEEb1b2b1b21,211,222,111EEEEA XA X11,222,1A XA X黑体表面间辐

33、射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算空间辐射热阻空间辐射热阻1,2b辐射势差空间辐射热阻关键是求角系数。关键是求角系数。写成欧姆定律的形式：写成欧姆定律的形式：1,21b1b244112 bA EEATT1,21X特殊情况 455.3.3 5.3.3 黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算 黑体表面间辐射传热的计算黑体表面间辐射传热的计算b1 2b1b2，表面之间的辐射传热量某表面的净辐射是不是能量或 一回事？1,2122bbb 表面组成封闭系统：1,2122bbb 表面组成非封闭系统：为了计算表面的净辐射能量，必须建立包括研究表面在内的，可以是真实表面，也可以是虚封腔。闭构表面 1

34、,N 1Nbibjbijii jEEA X由 个黑体表面组成的封闭空腔：v5.4.1 固体和液体的辐射特性v5.4.2 固体和液体对投入辐射的作用 v5.4.3 气体辐射v5.4.4 漫射表面和灰体v5.4.5 基尔霍夫定律46471）实际物体辐射的波长特性）实际物体辐射的波长特性bEE光谱发射率 材料的光谱辐射率随波长变化比较大，且不规则； 不同材料的光谱辐射率随波长的变化规律差异也很大。又称单色黑度482）实际物体的辐射力）实际物体的辐射力 总是小于同温度下黑体的辐射力。总是小于同温度下黑体的辐射力。404100TCTEEb实际物体的辐射力并不严格遵循四次方定律，实际物体的辐射力并不严格遵

35、循四次方定律，所存在的偏差包含在发射率中。所存在的偏差包含在发射率中。0040 bbbE dE dEETE d发射率49实际物体的发射率实际物体的发射率一般都与其温度有关。一般都与其温度有关。物体的发射率通过实验测定。物体的发射率通过实验测定。常用材料的发射率可查附录常用材料的发射率可查附录15或有关传热学手册。或有关传热学手册。503）实际物体辐射的方向特性）实际物体辐射的方向特性 一般不严格遵守兰贝特定律，其定向辐射强度在空间一般不严格遵守兰贝特定律，其定向辐射强度在空间不同方向上是不同的。不同方向上是不同的。( )( ) ( )bbIIII定向发射率 1.01.30.931.0nnn 总

36、发射率与法向发射率相差不大导 电 体 非导电体 n意味着实际物体也基本服从兰贝特定律，可将大多数工程材料近似一种合理的近似 看作漫发 射表面。某些材料的表面发射率某些材料的表面发射率材料名称及表面状况材料名称及表面状况温度温度t（）发射率发射率铝：抛光，纯度铝：抛光，纯度982006000.040.06 粗制板粗制板400.07 严重氧化严重氧化1005500.200.33 箔，光亮箔，光亮1003000.060.07黄铜：高度抛光黄铜：高度抛光2500.03 抛光抛光400.07 无光泽板无光泽板402500.22 氧化氧化402500.460.56石棉：石棉板石棉：石棉板400.96 石棉

37、水泥石棉水泥 400.97 石棉瓦石棉瓦400.97混凝土：粗糙表面混凝土：粗糙表面400.94玻璃：平板玻璃玻璃：平板玻璃400.94 石英玻璃石英玻璃2mm厚厚2505500.960.66 硼硅酸玻璃硼硅酸玻璃2505500.940.75材料名称及表面状况材料名称及表面状况温度温度t（）发射率发射率雪雪-12-60.82冰：光滑面冰：光滑面00.97油漆：各种油漆油漆：各种油漆400.920.96 白色油漆白色油漆400.800.95 光亮黑漆光亮黑漆400.90人的皮肤人的皮肤320.98各种木材各种木材400.800.9252 （1 1）物体向外辐射能量的多少）物体向外辐射能量的多少，

38、不仅与物体的种，不仅与物体的种类有关，而且与其表面状况及温度等因素有关，类有关，而且与其表面状况及温度等因素有关，同时辐射强度不一定各向均匀。同时辐射强度不一定各向均匀。 （2 2）物体物体A A发出的辐射能发出的辐射能不一定全部落到物体不一定全部落到物体B B表表面面，到底有多少？比例多大？，到底有多少？比例多大？ （3 3）落到物体落到物体B B上的部分辐射能，上的部分辐射能，不一定全部被吸不一定全部被吸收，有一部分被表面反射回去，有一部分可透过收，有一部分被表面反射回去，有一部分可透过物体。物体。各自比例多大？如何计算？各自比例多大？如何计算？四次方定律四次方定律角系数角系数物体对投入辐

39、射的作用物体对投入辐射的作用v对大多数固体和液体，对大多数固体和液体，v 分子排列紧密，当热射线投射到其表面时，会在很段的距离分子排列紧密，当热射线投射到其表面时，会在很段的距离内吸收。一般工程问题所涉及的材料厚度都大于这个距离。内吸收。一般工程问题所涉及的材料厚度都大于这个距离。v 可认为热射线不能穿透固体和液体，可认为热射线不能穿透固体和液体，即即1）实际物体的透射特性）实际物体的透射特性01 其吸收和反射都在表面上进行，其吸收和反射都在表面上进行， 属表面现象，物体的表面状况影响至关重要。属表面现象，物体的表面状况影响至关重要。v有些材料能够透过热射线，并对热射线的透过具有有些材料能够透

40、过热射线，并对热射线的透过具有一定的选择性。一定的选择性。v即对某一波长范围的热射线具有良好的穿透性，即对某一波长范围的热射线具有良好的穿透性， 而对另一波长范围的热射线则表现出非透射性。而对另一波长范围的热射线则表现出非透射性。1）实际物体的透射特性）实际物体的透射特性 4 m 常温辐射 太阳辐射 对的红外线是非透明体石英玻璃建造温室对可见光和紫外线是透明体55 高度磨光的金属板高度磨光的金属板 一般工程材料一般工程材料 物体表面的粗糙度和投入辐射的波长决定反射类型：物体表面的粗糙度和投入辐射的波长决定反射类型： 表面不平整尺寸小于投入辐射的波长，形成镜面反射；表面不平整尺寸小于投入辐射的波

41、长，形成镜面反射； 表面不平整尺寸大于投入辐射的波长，形成漫反射。表面不平整尺寸大于投入辐射的波长，形成漫反射。2）实际物体的反射特性）实际物体的反射特性01 563）实际物体的吸收特性）实际物体的吸收特性 G光谱吸收比特定波长00G dG dGGG投入辐射吸收比物体对黑体辐射的吸收比物体对黑体辐射的吸收比与温度的关系与温度的关系v影响物体表面吸收的主要因素：影响物体表面吸收的主要因素：v（1）物体本身的状况）物体本身的状况va物体的种类物体的种类vb物体表面的状况，如颜色、粗糙程度等。物体表面的状况，如颜色、粗糙程度等。v但投入辐射的来源不同，影响程度也不同。但投入辐射的来源不同，影响程度也

42、不同。0120.96白色黑色 对太阳辐射，取决于物体表面的颜色白色表面：吸收差. 、反射强；黑色表面：吸收强、反射差。3）实际物体的吸收特性）实际物体的吸收特性0.90,0 985白漆黑漆雪 对工业温度下的红外辐射，取决于表面粗糙度 几乎相同；雪对红外辐射的吸收比.。v影响物体表面吸收的主要因素：影响物体表面吸收的主要因素：v（2）投入辐射的波长）投入辐射的波长v例：例：a、墨镜、焊接黑色防护镜、墨镜、焊接黑色防护镜能吸收有害的紫外线；能吸收有害的紫外线； v b、自、自然界中五彩斑斓的色彩然界中五彩斑斓的色彩v 物体对可见光中不同波长热射线的选择性吸收和反射物体对可见光中不同波长热射线的选择

43、性吸收和反射3）实际物体的吸收特性）实际物体的吸收特性解释：解释：黑色：全部吸收各种可见光；黑色：全部吸收各种可见光；白色：全部反射各种可见光；白色：全部反射各种可见光；灰色：均匀吸收并均匀反射各色可见光；灰色：均匀吸收并均匀反射各色可见光；绿色：只反射绿色而吸收了其他可见光；绿色：只反射绿色而吸收了其他可见光；蓝色：只反射蓝色而吸收了其他可见光。蓝色：只反射蓝色而吸收了其他可见光。我们看到常温物体呈现某一颜色，解释这一现象。实际物体的吸收特性60v 发出投射辐射物体的温度发出投射辐射物体的温度v因为物体的温度不同，其发射的因为物体的温度不同，其发射的辐射能随波长的分布规律就不同，而辐射能随波

44、长的分布规律就不同，而实际物体的吸收对波长具有选择性。实际物体的吸收对波长具有选择性。3）实际物体的吸收特性）实际物体的吸收特性v基本特点：基本特点：01 01 01 5.4.4 漫射表面和灰体漫射表面和灰体v通过上面的分析可以了解到，实际物体的辐射特性是复杂的：v（1）实际物体辐射的方向特性不严格遵守兰贝特定律，实际物体）实际物体辐射的方向特性不严格遵守兰贝特定律，实际物体对投入辐射的反射有镜面反射和漫反射之分。对投入辐射的反射有镜面反射和漫反射之分。v 但分析表明，一般工程材料的表面均可看作是漫射表面，尤其对红外辐射而言。v 漫射表面漫射表面包含两层含义漫发射和漫反射，即能向半球空间各方向

45、以均匀的辐射强度发射辐射能、以均匀的强度反射辐射能。v 这大大简化了实际物体辐射换热计算的复杂性。v（2）实际物体对投入辐射的吸收具有光谱选择性。）实际物体对投入辐射的吸收具有光谱选择性。v 这是造成实际物体吸收特性复杂化的主要原因，也为辐射传热的分析和计算带来了极大的不便。v 为了解决这一特性对辐射传热计算所带来的困难，这里提出一种新的理想体灰体灰体。 63v光谱吸收比光谱吸收比 不随波长不随波长变化的物体变化的物体既然灰体是一种理想的辐射体，那么什么情况下可以将实际物体当作灰体处理呢?v 研究表明，在一般辐射传热计算所涉及到的工业高温研究表明，在一般辐射传热计算所涉及到的工业高温（2000K）范围内，辐射能主要集中在红外波段内。在）范围内，辐射能主要集中在红外波段内。在这一波段范围内大多数工程材料的光谱吸收比随波长的这一波段范围内大多数工程材料的光谱吸收比随波长的变化不大，近似为常数，因而可看作是灰体。变化不大，近似为常数，因而可看作是灰体。v 需要注意，