辐射技术在工业方面的应用样本

在工程技术中，在寻常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜。太阳对大地照射是最常用辐射现象。高炉中灼热火焰会烘烤得人们难以忍受‘太阳对人造卫星辐射，会使卫星朝阳面温度明显地高于卫星背阳面温度；高温发动机部件与飞机机体之间辐射换热严重地影响着飞机构造与强度设计，等等。特别是近年来，人类对太阳能运用，都大大地增进了人们对辐射换热研究。

本章一方面简介辐射基本特性和基本规律；然后重点讨论物体之间辐射换热规律；最后对气体辐射换热特点作扼要简介。

第一节基本概念

1－1热辐射本质和特性

由于不同因素，物体可以向其所在空间发射各种不同波长电磁波；不同波长电磁波具备不同效应，人们可以运用不同波长电磁波效应达到一定目。例如，人们可以运用无线电波传送信息，运用x射线穿透物质能力进行零件探伤，运用热射线传递热能，等等。人们依照电磁波不同效应把电磁波提成若干波段。波长λ＝0.38一0.76μm电磁波段称为可见光波段λ＝0.76—1000μm电磁波段称为红外波段(普通将红外波段范畴又分为近红外波段和远红外波段，近红外波段为λ＝0.7—25μm，远红外波段为λ＝25—1000μm)；波长不不大于1000μm电磁波段称为无线电波段(依照其波长不同又可分为雷达、视频和广播三个波段)；波长不大于0.4μm电磁波依次分为紫外线、x射线和Y射线等。可见光和红外线以及紫外线一某些被物体吸取后产生热效应，即波长λ＝0.1—1000μm范畴内电磁技能被物体吸取变为热能，因而，这一波长范畴电磁波称为热射线。由于在普通常用工业温度条件下，其辐射波长均在这一范畴，因此本课程所感兴趣将是热射线，下面将专门讨论这一波长范畴内电磁波发射、传播和吸取规律。

一、热辐射本质和特点

1、发射辐射能是各类物质固有特性。当原子内部电子受温和振动时，产生交替变化电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。由于自身温度或热运动因素面激发产生电磁波传播，就称热辐射。显然，热辐射是电磁波，电磁波波长范畴可从几万分之一微米到数千米，它们名称和分类如图所示。普通把λ＝0.1—100μm范畴电磁波称热射线，其中涉及可见光线、某些紫外线和红外线具备波动和量子特性。

2、特点

热辐射本质决定了热辐射过程有如下三个特点：

⑴辐射换热与导热、对流换热不同、它不依赖物体接触而进行热量传递，而导热和对流换热都必要由冷、热物体直接接触或通过中间介质相接触才干进行。

⑵辐射换热过程随着着能量形式两次转化，即物体某些内能转化为电磁波能发射出去，当此波能射及另一物体表面而被吸取时，电磁波能又转化为内能。

⑶一切物体只要其温度T＞0K，都会不断地发射热射线。当物体间有温差时，高温物体辐射给低温物体能量不不大于低温物体辐射给高温物体能量，因而总成果是高温物体把能量传给低温物体。虽然各个物体温度相似，辐射换热仍在不断进行，只是每一物体辐射出去能量，等于吸取能量，从而处在动平衡状态。

二、物体热辐射特性-吸取、反射和透射

当热射线投射到物件上时，遵循着可见光规律，其中某些被物体吸取，某些被反射，别的则透过物体。如图所示，其中反射存在漫反射和镜反射两种状况。

在物体表面对射线吸取、反射和透射过程中，能量平衡关系为：

由此可定义吸取率、反射率和透射率：

物体吸取率：；物体反射率：；物体透射率。

其中；对于单色吸取率、单色反射率、单色透射率：。

为研究辐射特性可提出如下抱负辐射模型：

黑体：α=1ρ=0τ=0；

白体：α=0ρ=1τ=0；

透明体：α=0ρ=0τ=1

自然界和工程应用中，完全符合抱负规定黑体、白体和透明体虽然并不存在，但和它们根相象物体却是有。例如，煤炭吸取比达到0.96，磨光金子反射比几乎等于0.98，而常温下空气对热射线呈现透明性质。但是，在分析实际物体表面吸取、反射和透过特性时候，必要非常谨慎地对待波长，特别要注意不能以肉眼直观感觉来判断某物体吸取比高低。

对于τ＝1物体、阐明它能容许投射来辐射能所有透射过去、因而，称为透明体。这种极限状况在自然界中并不存在，只能有近似透明体，如双原子气体(氧气、氮气)可视为?＝1透明体；干燥空气也可以近似视为透休，但当空气中掺有水蒸气和二氧化碳气时，它就不再能作为透明体来解决，由于这两种气体吸取率不等于零。有些物体透射性能与波长关于。也就是说，它对于某——波长范畴辐射线体现出良好透射性能，而对另某些波长范畴则体现为非透明体性能，这就是物体对波长选取性。例如普通玻璃对可见光来说是良好透明体，但对紫外线和红外线来说就不是透明体。因而人们在普通玻璃室内进行日光浴效果就与室外明显不同。

对大多数固体和液体来说，热射线都是不能透射，即τ＝o。这时，α十ρ＝1由上式可以看到，对于τ＝o物体，吸取能力越强，它反射能力就越弱；或者说反射能力越强非透体，其吸取能力就越弱。这一知识早巳被人们寻常生活所验证。例如夏天人们总是喜欢穿白色衣服，这就是运用白色对可见光反射能力强这一特点，便衣服吸取可见光减少，达到凉快目。又如在防原子辐射设施上涂成白色也是这个道理。但是应当注意，颜色对可见光特性并不能概括为额色对所有热射线特性，上面已经提及普通玻璃对可见光是透体而对紫外线和红外线却不是进体。而白色涤对可见光具备很高反射串，但对于红外线反射率却很低；白族和黑漆对红外线反射率和吸取牢几乎没有什么差别。可见，对热射线吸取与反射并不取决于颜色，事实上在很大限度上取决于物体表面状况、粗糙度等因素。

对于物体P＝1极限状况，阐明物体能将投射来辐射能所有反射掉。这种物体称为白体。物体对投射来射线反射可分为镜反射和漫反射。镜反射时射线入射角等于射线反射角，而

漫反射则比较地元规律。表面粗糙度对射线反射有决定性影响。注意，这里所指表面扭糙度是相对于辐射线波长而言。当表面不平整度(粗极度)不大于投射射线波长时，即为光滑表面，这时形成镜反射，如高度抛光金属表面。普通：t程材料表面对热射线来说均可视力粗糙表面，因此形成漫反射。在本课程所涉及范畴内都只限十漫射表面。

对于。＝1物体，意味着它能所有吸取投射来各种波长辐射能，可见它是物体吸取能力最强一种物体，因而称之为绝对黑体或黑体。在自然界中并不存在绝对黑体。人们可以制造出近似黑体。例如在高吸取率不透明材料构成等壁温空腔上开一小扎，就可以把该小孔视为该温度下黑体。由于投射到小7L上射线进入空腔后，通过重复吸取、反射，而最后从小孔反射出去能量可以忽视。可以以为能量所有被小孔吸取。

在理解上述基本概念时，应注意如下几种问题：

⑴镜反射和漫反射。普通工程材料均形成漫反射。

⑵物体颜色。核心在于是物体自身发射可见光还是物体反射可见光。

⑶抱负辐射模型均是对全波长而言。

三、辐射强度和辐射力

所有固体和液体表面都随时向其上方整个空间(称为半球空间)发射不同波长辐射能量。为了进行辐射换热工程计算，必要研究物体辐射能量随波长分布特性，以及在半球空间各个方向亡分布规律。

一辐射强度

1、立体角：是一种空间角度。定义为：

单位为立体弧度Sr

其中θ变化范畴是0-900，β变化范畴则是0-3600。

2、辐射强度：

是物体给定辐射方向上，物体在与发射方向垂直方向上单位投影面积，在单位时间和单位立体角内所发射全波长能量，符号为I，单位为W/(m2Sr)。

，其中

3、单色辐射强度

如果辐射强度是指在波长λ附近单位波长间隔内所发射能量，称为单色辐射强度，符号为Iλ，单位为W/(m2μmSr)。

二辐射力

1、辐射力：发射物体每单位表面积在单位时间内向半球空间所发射全波长能量，称为辐射力，符号为E，单位为W/m2。

E与I关系为：；E与Iλ关系为：

2、单色辐射力：如果辐射力是指在波长λ附近单位波长间隔内所发射能量，称为单色辐射力，符号为Eλ，单位为W/(m2μm)。

3、定向辐射力：如果辐射力是指在某规定方向上单位面积上所发射能量，称为定向辐射力，符号为Eθ，单位为W/(m2μm)。

第二节热辐射基本定律

重点内容：

热辐射基本定律及实际物体热辐射特性简化办法

一、黑体

黑体具备最大吸取力(α=1)，同步亦具备最大辐射力(ε=1)。

在实际物体中不存在绝对黑体，为此引出人工黑体，如图所示。

具备一种小孔等温空腔表面，若有外部投射辐射从小孔进入空腔内，必将在其内表面经历无多次吸取和反射，最后可以从小孔重新选出去辐射能量必然微乎其微。于是有理由以为，几乎所有入射能量都被空腔吸取殆尽。从这个意义上讲，小孔非常接近黑体性质。此外，腔内空间辐射场系由腔内表面发射和反射叠加而成，是各向同性，并且必然和从小孔选出辐射具备相似性质，也等于腔壁温度所相应黑体辐射力。

二、普朗克(M.Planck)定律

1、表达式

，

其中C1、C2分别称为普朗克第一常数和第二常数。

该规律描述了黑体单色辐射力随波长及温度变化规律，如图所示。

2分析

⑴在一定温度下，黑体在不同波长范畴内辐射能量各不相似。

⑵维恩位移定律：随着温度T增高，最大单色辐射力Ebλ,max所相应峰值波长λmax逐渐向短波方向移动。λmaxT=2897.6μK。

⑶黑体T<1400K，辐射大某些能量集中在λ=0.76-10μ内，从而可以忽视可见光。常温下，实际物体辐射重要是红外辐射。

三、斯蒂芬-玻尔兹曼定律

Eb=σbT4W/m2；σb=5.67*10-8W/(m2K4)

描述了黑体辐射力随表面温度变化规律。

也可以计算某一波长范畴内辐射力。

其中称为黑体辐射系数。

四、兰贝特(Lambert)余弦定律

涉及三个方面内容：

1、半球空间上，黑体辐射强度与方向无关。即：

，而各朝向辐射同性表面称为漫辐射表面。

2、漫辐射表面定向辐射力与辐射强度间满足：

3、漫辐射表面辐射力是辐射强度π倍。

该定律描述了黑体及漫辐射表面定向辐射力按空间方向分布变化规律。

7-3、实际固体何液体辐射特性

黑体是所有物体当中吸取能力最大，同步发射能力也最大抱负化表面，这个特点使它很自然地成了描述实际表面吸取和发射能力大小最佳基准。普通实际表面(固体或液体)光谱辐射力比同温度黑体小，并且体现出不像黑体那么有规律。普通对实际物体表面辐射特性进行一定限度简化，再用辐射率和吸取率进行修正。引入辐射率是为了定量描述实际物体在发射辐射方面与黑体差别，而引入吸取率是为了定量描述实际物体在吸取辐射方面与黑体差别。

一辐射率

(全波长)辐射率；定向辐射率；单色辐射率

单色辐射率在图中，是两段线段长度之比；辐射率则是阴影面积（即实际物体辐射力）与实线下面积（即黑体辐射力）之比；实际物体用灰体近似代替，在图上就意味着，虚线下面积与阴影面积相似。

二单色辐射率与灰体

实际材料表面光谱辐射力不遵守普朗克定律，或者说不同波长下光谱发射率随波长变化比较大，并且不规则。

某一温度下，实际物体单色辐射力随波长变化是不规则。但工程上，实际物体普通可用灰体近似代替。

灰体：是指物体单色辐射力与同温度黑体单色辐射力随波长变化曲线相似，或它单色发射率不随波长变化，即：ελ≠f(λ)；αλ≠f(λ)

⑴辐射是持续光谱：Eλ=ελEb,λ

⑵辐射力符合四次方定律：E=εEb=ελEb

普通实际物体表面在红外线波长范畴内，可以近似作为灰体解决。

三定向辐射率与漫射表面

某一温度下，实际物体定向辐射强度在各方向上变化是不规则。

但从图中可以看出，金属在θ=0-400、非金属在θ=0-600单色辐射率基本为常数，因此较为粗糙实际物体表面可作为漫射表面解决，但其辐射率应做如下修正：（非金属）；（磨光金属表面）。

漫射表面：各朝向辐射同性表面称为漫辐射表面，εθ≠f(θ)；αθ≠f(θ)

⑴符合兰贝特余弦定律

⑵定向吸取率与空间方向无关。

⑶辐射力符合四次方定律：E=εEb=εθEb

普通较为粗糙实际物体表面可作为漫射表面解决。

7-4、实际物体吸取比与基尔霍夫定律

掌握辐射基本定律、漫射表面及灰体表面辐射和吸取特性、实际物体热辐射特性及其简化办法。

一、实际物体吸取特性

实际物体辐射换热比较复杂，在表面间将形成多次反射、吸取现象。因而，拟定其辐射和吸取特性也是极其重要。

实际物体吸取率不但与自身性质和状况关于，还取决于投射辐射特性。寻常生活中也有明显例子：红光投射到红玻璃上时，玻璃背面有红光透出，阐明红玻璃对红光吸取率不大：但当绿光投射到红玻璃上时．玻璃背面无光透出，阐明红玻璃对绿光吸取率很大。可见，投射光波长对红玻璃吸取率有很大影响。

实际物体辐射率计算办法：

实际物体吸取率计算办法：

二、基尔霍夫定律

描述了物体发射辐射能力和吸取投射辐射能力之间关系。

在热平衡条件下，αλ,θ,T=ελ,θ,T

1、对于实际物体表面：αλ,θ=ελ,θ

2、对于灰体：αθ=εθ

3、对于漫射表面：αλ=ελ

4、对于漫-灰表面(及黑体)：α=ε

例题

例题1、ε=ελ与ε=εθ区别是什么？

答：区别在于ε=ελ合用条件为漫射表面，而ε=εθ合用条件为灰体表面。

例题2、应用维恩定律解释金属加热过程颜色变化。

答：维恩定律λmax·T=2897.6μm·K表白，物体随着温度T升高，λmax向波长减小方向移动。金属发射能谱中可见光某些份额越来越多，其可见光中短波某些也越来越多，因而感觉到金属加热过程随着T升高颜色由黑逐渐变为暗红、橘红、鲜红，甚至白亮色。

例题3、试从热辐射观点分析，用电炉来烘烤某一工件，把工件放在电炉正上方热得快还是放在电炉边沿热得快？为什么？

答：虽然无论是放在上方，还是放在边沿，工件被辐射照射面积相似，所张立体角也相似，但一种是法向，一种是成θ角偏向，而Eθ=Encosθ，因此工件放在电炉正上方(即法向)得到辐射热多，热得快。

例题4、实际物体表面发射率和吸取率重要受哪些因素影响？

答：发射率ε与物体自身性质(种类)、表面状况、温度及方向关于。吸取率α与物体种类、表面状况及温度关于，并且与入射波长关于。

例题5、何谓“漫——灰表面”？有何实际意义？

答：“漫—灰表面”是研究实际物体表面时建立抱负体模型。漫辐射、漫反射指物体表面在辐射、反射时各方向相似。灰表面是指在同一温度下表面辐射光谱与黑体辐射光谱相似，吸取率也取定值。“漫—灰表面”实际意义在于将物体辐射、反射、吸取等性质抱负化，可应用热辐射基本定律了。大某些工程材料可作为漫辐射表面，并在红外线波长范畴内近似看作灰体。从而可将基尔霍夫定律应用于辐射换热计算中。

光量子性人类遭遇物质量子性质，一种地点就是热辐射。在电磁理论比较成熟后来，人们把对电磁现象研究领域扩展到了普通电流与可见光范畴之外，由于工业上金属冶炼需要，物质因热而发光乃至发射辐射能，开始成为人们研究对象。正好是在分析某些热辐射规律产生因素时，人们被迫引入了辐射或光量子性质。热辐射。物质在原子层次电磁构造以及不断息分子热运动，导致物质总是在发射电磁辐射，这种辐射强度和频率分布是随物体温度而发生变化，因而称为热辐射。热辐射一种重要特性就是按照频率或波长存在一定分布，而实验表白，这种分布与温度，物质材料，甚至物质表面状况均关于系。为了更详细地研究热辐射在不同波长时辐射强度分布，咱们引入物理量—单色辐出度，用来表达从物体表面单位面积发出，波长在一种拟定小范畴内辐射功率。而在物体表面，用单色辐出度对辐射所涉及整个波长范畴进行积分，就得到物体表面单位面积所有波长总辐射功率。称为物体辐射出射度。显然辐射出射度是比单色辐出度更为粗略概念，它只与温度关于。但它表达也还是材料已知属性。基于同样理由，外界电磁辐射也能对物质电磁构造发生作用，也就是说物质在发射电磁辐射同步，也能吸取和反射电磁辐射。最简朴描述物质对电磁辐射吸取与反射方式就是直接定义吸取辐射能量占总入射能量比例为物体吸取比。反射电磁辐射能量占总入射辐射能量比例为物体反射比。这样在没有透射状况下，在一定状况下这两个比值和为1。更精细地分析这两个比值，通过实验发现它们都和物体温度与入射辐射能波长关于系，因而更精细地使用这两个概念方式是把它们当作温度与入射辐射能波长函数。绝对黑体。为了更进一步地研究物质与辐射互相作用，有必要构造一种比较简朴抱负模型，那就是由于辐射反射，并不是有太大研究价值，因而咱们但愿一方面研究一种物质，在和辐射发生互相作用时，可以完全不考虑它对辐射反射作用，从而能比较单纯地分析物质与辐射互相作用，这样抱负模型就是绝对黑体。依照咱们规定，显然它吸取比在任何温度以及对任何波长辐射都是1。这样物质在自然界显然是不存在，但是还是能找到在一定条件下与绝对黑体近似真实物质系统。最惯用系统就是有绝热壁构成一种空心容器，器壁上有一种小孔，小孔尺度远不大于容器尺度。因而所谓这个黑体吸取辐射，就是有辐射从这个小孔进入容器内部，注意，容器是由绝热壁构成，因而热辐射无法直接通过照射在器壁上被容器吸取。那么尽管容器内壁吸取比无法作到是1，但辐射进入容器后，不能被吸取某些继续被容器内壁反射，而每反射一次，就会依照吸取比被吸取一某些，这样如果容器内壁吸取比为α，入射总能量为1，则通过n次反射后来，剩余未被吸取能量就只有（1-α）n了。反过来考虑这个绝对黑体所发射辐射，显然也只有从小孔射出辐射才是这个绝对黑体在小孔大小那样面积上所发射辐射。基尔霍夫定律。从直观上看，物质处在一定辐射环境中时，同步在吸取辐射能与发射辐射能，只要物质是处在一种平衡状态，它吸取与发射辐射能应当保持一种平衡，否则不是物质内部所含能量不断增长，就是不断减少，显然这不符合咱们寻常观测。基尔霍夫从理论上给出了咱们以上直观结识，就是发现物质单色辐出度与吸取比比值是一种常数。这个常数与物质性质无关，而只和温度与辐射能波长关于。进一步，考虑到绝对黑体吸取比为1，既然这个常数与物质详细性质无关，那么它代表了普通辐射互相作用性质，因而咱们可以把这个常数，归结到绝对黑体上来，以便于进一步研究，这就表叙为基尔霍夫定律：在一定温度下，任何物质单色辐出度和单色吸取比比值，等于同样温度下绝对黑体单色辐出度。注意，这个定律所涉及到物理量都是纯数。绝对黑体辐射定律。从上面咱们对基尔霍夫定律分析可以懂得，当前咱们需要一方面研究是绝对黑体单色辐出度。显然这只有通过实验来进行。运用咱们上面给出绝对黑体实际模型，就可以通过实际测量来得到单色辐出度，并进而测量得到单色辐出度按照波长分布状况。历史上所应用实验装置是运用棱镜分解由上述绝对黑体小孔在一定温度下所发射辐射，不同波长射线聚焦照射在热电偶上，得到不同波长射线功率，从而得到单色辐出度按照波长分布状况。普朗克量子假设。通过实验得到详细绝对黑体单色辐出度与波长和温度关系后，就面临如何从一定理论模型来解释实验数据问题。按照典型电磁理论观点，这个问题完全可以通过对大量原子和分子电磁运动进行记录计算来得到这个宏观规律，然而最后都失败了。这样普朗克被迫引入了一种与典型电磁理论完全不同观念：电磁能量量子假说。从典型电磁理论观点来看，物质与辐射互相作用可以当作是物质中带电线性谐振子与周边空间电磁场互换能量过程。详细到能量是如何互换，就不能通过典型电磁理论来理解，普朗克假说就是这些谐振子与外界互换能量，只能是按照以一种基本能量单位整数倍形式来进行，而不能在数值上持续地进行，相应吸取与发射能量谐振子自身能量状态，也就只能离散，而不是持续。任意两个能量状态之间差只能是一种基本能量单位整数倍。那么谐振子吸取能量与发射能量过程就是谐振子在这些能量状态之间跃迁。普朗克推算出这个基本能量单位对于谐振子来说是e=hv其中v为谐振子频率，h为一种普适常数，称为普朗克常数。也就是说，谐振子能量完全由它频率决定，在这种状况下，h量纲由能量与频率决定。请同窗们记住h数值大小：h=6.63×10-34Js在咱们学习物理学时，尽管总是强调不要死记，但对于某些物理常数，还是但愿可以记下来。你也许会说，在作题时，普通都会给出常数值，为什么还需要记住它们呢？事实上记住重要物理常数值，对于咱们理解物理问题具备很重要作用，特别是常数数量级和单位，对于咱们定性地分析问题具备以简御繁功能。而初学者往往不能把握住。Plank公式。对于物质与辐射互相作用，在典型物理图象中，只有再加进去上面那点假说，普朗克就得到了一种完美黑体辐射公式：其中c为真空中光速，k是玻耳兹曼常数。这个公式可以推导出其她有关经验公式，并且和实验数据较好吻合，但它所依赖物理图象却具备和典型物理图象主线不同特性，那就是能量不再是持续量，而是离散。而这个特性是典型电磁理论所完全不能解释。光电效应。人类几乎同步又在另一种完全不同现象里，遭遇到了电磁场能量量子性质，这就是光电效应。和热辐射现象不同，在热辐射现象中，辐射与物质互相作用体现为热能与电磁场能量转化，光电效应里涉及到是光能转化为电子动能，并能形成电流。详细实现方式就是用紫外光或短波长可见光照射真空中某种金属表面，就会有电子克服金属表面约束，从金属表面逸出，并能在电场作用下形成运流电流，即所谓光电流。通过实验得到如下规律：在单位时间内，由于光照射而释放出来电子数目与入射光强度成正比。释放出来光电子初始动能随入射光频率线性增长，而与入射光强度没关于系。对于一种特定物质，产生光电效应前提是入射光频率必要不不大于等于一种相应特定值，即所谓红限，否则无论入射光强度如何，都无法通过照射这种物质而使得它释放电子出来。发生光电效应时，只要入射光频率满足上面条件，而不论它强度如何，光照射到物质表面就立即会有电子释放出来，而没有发既有任何迟滞现象。仔细分析一下光电效应中所体现出来以上规律，就会发现具备和典型电磁理论关于光波动图象不可调和矛盾。依照典型电磁波动理论，光强度相应于光振动振幅，也就是相应于光能量，那么入射光作用于金属内部电子，应当是入射光能量与电子动能转换，那么光电子初始动能应当与入射光强度发生关系，但事实上是与入射光频率发生关系。既然入射光作用于金属内部电子，是入射光能量与电子