传热学8热辐射基本定律

热辐射的规律热辐射是一种物体由于其温度而产生的电磁辐射现象，是物体内部分子振动引起的。

根据斯特藩-玻尔兹曼定律，热辐射的辐射能量密度正比于温度的四次方。

这意味着温度越高，辐射能量密度越大，辐射出的光谱也越短波长。

热辐射规律在自然界中随处可见。

太阳作为地球上最重要的热辐射源，发出的热辐射使得地球获得能量并维持生态系统的平衡。

夜晚的星空中，恒星发出的热辐射让我们看到美丽的星光。

地球的大气层也会吸收和辐射热能，形成温室效应，维持地球的温度适宜生命存在。

在工业生产中，热辐射也扮演着重要的角色。

工业炉燃烧产生的热辐射能源被用于加热材料、生产电力等工艺。

人们利用太阳能光伏电池板，将太阳的热辐射转化为电能，实现清洁能源的利用。

在日常生活中，我们也可以感受到热辐射的存在。

炉灶上的火焰、电热水壶的加热、暖气片散发的热量，都是热辐射的表现。

我们在冬天里暖暖的被窝中感受到的温暖，也是热辐射的结果。

热辐射不仅存在于宏观世界中，也存在于微观世界中。

原子和分子之间的振动和旋转运动产生的热辐射被称为分子热辐射。

分子热辐射是一种宏观物体所不具备的微观现象，它在大气层的能量传递中起着重要作用。

热辐射的规律性使得人类能够利用热能进行生产和生活。

人们通过深入研究热辐射的特性，不断开发新的利用方式和技术，以提高能源利用效率，减少环境污染。

热辐射作为一种基本的物理现象，贯穿于人类社会的各个领域，为人类的发展和进步提供了重要支撑。

总的来说，热辐射的规律性在自然界和人类社会中都具有重要意义。

通过深入研究热辐射现象，人类可以更好地理解能量的传递和转化规律，为可持续发展和环境保护提供重要的科学依据。

希望未来能够进一步挖掘热辐射的潜力，开发更多高效、清洁的能源利用方式，为人类社会的可持续发展做出更大贡献。

传热学主要知识点1.热量传递的三种基本方式。

热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。

2．导热的特点。

a 必须有温差；b 物体直接接触；c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d 在引力场下单纯的导热一般只发生在密实的固体中。

3.对流（热对流）(Convection)的概念。

流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。

4对流换热的特点。

当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，它与单纯的对流不同，具有如下特点：a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层 5.牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。

[]W )(∞-=t t hA Φw []2m W )( f w t t h AΦq -==6. 热辐射的特点。

a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。

7.导热系数, 表面传热系数和传热系数之间的区别。

导热系数：表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。

表面传热系数：当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。

影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等。

传热系数：是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。

常温下部分物质导热系数：银：427；纯铜：398；纯铝：236；普通钢：30-50；水：0.599；空气：0.0259；保温材料：<0.14；水垢：1-3；烟垢：0.1-0.3。

8.实际热量传递过程：常常表现为三种基本方式的相互串联/并联作用。

9.复杂传热过程Upside surface: adiabaticDownside surface: adiabatic xair LL 2L A/4A/4A/2第一章导热理论基础1傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的意义。

名词解释这些名词解释都是学长自己从传热学课本中总结的，课本上有的基本上都在这里。

绪论：1.传热学：传热学是研究温差作用下热量传递过程和传递速率的科学。

2.热传递：自然界和生产过程中，在温差的作用下，热量自发地由高温物体传递到低温物体的物理现象。

3.导热（热传导）：是指物体各部分五项队位移或不同物体直接接触时依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。

（固液气中均可发生，但是在引力场的作用下，单纯的导热一般只发生在密实的固体中）4.热流密度q：单位时间内，通过物体单位横截面积上的热量——W/㎡。

5.热导率（导热系数）：单位厚度的物体具有单位温度差时，在它单位面积上每单位时间的导热量——W/(m*K)。

6.导热热阻：温度差的情形下，导热过程中，物体抵抗传热的能力——K/W。

7.对流（热对流）：在流体内部，仅依靠流体的宏观运动传递热量的现象称为热对流。

8.对流传热：工程上，流体在与它温度不同的壁面上流动时，两者间产生的热量交换，传热学中将这一过程称为“对流传热”过程。

9.表明面传热系数h：单位面积上，流体与壁面之间在单位温差下及单位时间内所能传递的热量——W/（㎡*K）。

10.对流传热热阻：温度差的情形下，对流过程中，物体抵抗传热的能力——K/W。

11.辐射（热辐射）：依靠物体表面对外发射可见和不可见的射线（电磁波，或者说光子）传递热量。

12.辐射力E：物体表面每单位时间、单位面积对外辐射的热量成为辐射力。

13.辐射传热：物体间靠热辐射进行的热量传递称为辐射传热。

14.传热过程：工程中所遇到的冷热两种流体隔着固体壁面的传热，即热量从壁一侧的高温流体通过壁传给另一侧低温流体的过程，称为传热过程。

15.传热系数K：单位时间、单位壁面积上，冷热流体间温差为1K时所传递的热量——W/(㎡*K)。

16.单位面积传热热阻：温度差的情形下，传热过程中，单位面积物体抵抗传热的能力——K/W。

第一章：导热理论基础1.温度场：温度场是指某一时刻物体的温度在空间上的分布，一般来说，它是时间和空间的函数。

第8章 热辐射基本定律和辐射特性（题解）【习题8-3】 把太阳表面近似地看成是K 5800=T 的黑体，试确定太阳发出的辐射能中可见光所占的百分数。

解：K μm 220458003801⋅=⨯=.T λ，K μm 440858007602⋅=⨯=.T λ ()%.F b 191010=-λ，()%.F b 045520=-λ()()()%.%.%.F F F b b b 854419100455122100=-=-=---λλλλ【习题8-4】 一炉膛内火焰的平均温度为500K 1，炉墙上有一看火孔。

试计算当看火孔打开时从孔（单位面积）向外辐射的功率。

该辐射能中波长为μm 2的光谱辐射力是多少？哪一种波长下的能量最多？ 解：小孔辐射看成黑体辐射：25484m W 10872150010675⨯=⨯⨯==-..T E b σ对μm 2=λ的辐射：()()()31015001021043881561651m W 107449110210741931622⨯=-⨯⨯⨯=-=⨯⨯⨯------.e .e c E .T c b λλλ最大辐射能对应波长m λ：31092-⨯=.T m λ，m 109331150010921092633---⨯=⨯=⨯=..T .m λ【习题8-6】 一人工黑体腔上的辐射小孔是一个直径为0mm 2的圆。

辐射力25m W 1072.3⨯=b E 。

一个辐射热流计置于该黑体小孔的正前方m 5.0=l 处，该热流计吸收热量的面积为25m 106.1-⨯。

问该热流计所得到的黑体投入辐射是多少？解：2422m 10141634020141634d -⨯=⨯==...d A π sr 1046501061d d 5252--⨯=⨯==...l S Ω ()()545104610141631416310723d d d d d --⨯⨯⨯⨯⨯=⎪⎭⎫⎝⎛==....A E A I b ΩπΩθθΦW 103823-⨯=.【习题8-17】 一漫射表面在某一温度下的光谱辐射强度与波长的关系可以近似地用附图表示，试：（1）计算此时的辐射力；（2）计算此时法线方向的定向辐射强度，及与法向成o 60角处的定向辐射强度。

第8章热辐射基本定律和辐射特性（复习题解答）【复习题8-1】什么叫黑体？在热辐射理论中为什么要引入这一概念？答：吸收比α=l的物体叫做黑体。

黑体完全吸收投入辐射，从黑体表面发出的辐射都为自身辐射，没有反射，因而黑体辐射的特性反映了物体辐射的规律，这为研究实际物体的辐射提供了理论依据和简化分析的基础。

【复习题8-2］温度均匀的空腔壁面上的小孔具有黑体辐射的特性，那么空腔内部壁面的辐射是否也是黑体辐射？答：空腔内部壁面不一定是黑体辐射。

小孔之所以呈现黑体特性，是因为辐射在空腔内经历了多次的吸收和反射，辐射能基本基本都被内壁面吸收，从小孔射出的辐射能基本为零。

【复习题8-3］试说明，为什么在定义物体的辐射力时要加上“半球空间”及“全部波长”的说明？答：因为辐射表面会向半球空间各个方向辐射能量，且辐射能中包含各种波长的电磁波，而辐射力必须包括辐射面辐射出去的所有能量，所以要加上“半球空间”和“全部波长”的说明。

【复习题8-4】黑体的辐射能按波长是怎样分布的？光谱辐射力E根的单位中分母的“n?”代表什么意义？答：黑体辐射能按波长的分布服从普朗克定律。

光谱辐射力单位中的分母“n?”代表了单位辐射面积“n?”和辐射的电磁波单位波长范围“m”的意思。

【复习题8-5］黑体的辐射能按空间方向是怎样分布的？定向辐射强度与空间方向无关是否意味着黑体的辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的？答：黑体辐射能按空间方向分布服从拦贝特定律。

定向辐射强度与空间方向无关并不意味着黑体的辐射能在半球空间是均匀分布的。

因为定向辐射强度是指单位可见辐射面积，而在空间不同方向可见辐射面积是不同的，辐射能在各个方向也不同。

【复习题8-6】什么叫光谱吸收比？在不同光源的照耀下，物体常呈现不同的颜色，如何解释？答：光谱吸收比是指物体对某一特定波长的投入辐射所吸收的百分比。

在光源照射下，物体会吸收一部分辐射，并反射一部分辐射，物体呈现的是反射光的颜色,因而光源不同，反射光也会不同，物体也会呈现不同的颜色。

第八章 热辐射的基本定律第一节 基本概念一、热辐射的本质和特点图8-1 电磁波谱c f λ= m/s（8-1） e hf =（8-2）热辐射过程有如下几个特点：1. 辐射换热不依赖物体的接触而进行热量传递2. 辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化3. 一切物体只要其温度T ＞0K ，都会不断地发射热射线 二、吸收、反射和穿透图8-2 热射线的吸收、反射和透射吸收Φα、反射Φρ、穿透ΦταρτΦΦΦΦ++=1=++τρα（8-3）αΦΦα=，吸收比 ρΦΦρ=，反射比τΦΦτ=，物体的穿透比 λλλ1αρτ++=（8-3a ） τλ=0λλ1αρ+=（8-3b ） ρ=01=+τα（8-3c ）三、定向辐射强度和定向辐射力1.定向辐射强度图8-3a d A 1上某点对d A 2所张的立体角图8-3b 定向辐射强度22sr A r ω=（8-4）22d d sr Arω=2d sin d d sin d d sr r r r θθβωθβθ== （8-4a ）定义()()222θd ,d ,W/(m sr)d d d d cos I A A ΦθβΦθβωωθ==⋅' （8-5）2θλ,θd W/(m sr μm)d II λ=⋅⋅ （8-6a ）2θλ,θ0d W/(m sr)I I λ∞=⋅⎰（8-6 b ）2.辐射力22θd (,)W/(m sr)d d E A Φθβω=⋅（8-7a ） θcos θθI E =（8-7b ） n n I E =（8-7c ）ωωπωd d d θ2θEE E E ==⎰或者＝ （8-8a ） ⎰==πωωθ2θd cos I E（8-8b ）λd d λE E =⎰∞=0λd λE E（8-9）ωλd d d 2θλ,EE =⎰⎰=∞=π20θλ,d d ωωλE E（8-10）第二节 热辐射的基本定律图8-4 人工黑体模型一、普朗克定律 1.普朗克定律图8-5a 普朗克定律揭示的关系 E b λ=f (λ，T)图8-5bE b λ与λT 的函数关系1)exp(251b λ-=-TC E λλ W/(m 2·μm) （8-11a ）()bλ1552()[exp()1]E Cf TCT TTλλλ==-（8-11b）2.维恩位移定律6.2897max=Tλμm·K（8-12）二、斯蒂芬—玻尔兹曼定律图8-6 黑体在某一波段内的辐射能4b0251bλbd1)exp(d TTCEEσλλλλ=-==⎰⎰∞-∞W/m2（8-13）4bb)100(TCE= W/m2（8-14）)λb(0)λb(0bλbλbλ)λb(λ12122121ddd----=-==⎰⎰⎰EEEEEEλλλλλλλW/m24bbλbλ)b(0λT)b(0dTEEEFσλλ⎰==--()()()bλ1b(0λT)552b00bd d()[exp()1]T T ECF T T f TC TTTλλλλλσσλλ-===-⎰⎰（8-15）12212b(λλ)b b(0λT)b(0λT)()W/mE EF F---=-（8-16）黑体辐射函数表λT(μm⋅K)Fb(0-λT)λT(μm⋅K)Fb(0-λT)λT(μm⋅K)Fb(0-λT)λT(μm⋅K)Fb(0-λT) 200 0 3200 0.3181 6200 0.7542 11000 0.9320 400 0 3400 0.3618 6400 0.7693 11500 0.9390 600 0 3600 0.4036 6600 0.7833 12000 0.9452 800 0 3800 0.4434 6800 0.7962 13000 0.9552 1000 0.0003 4000 0.4809 7000 0.8032 14000 0.96301200 0.0021 4200 0.5161 7200 0.8193 15000 0.96901400 0.0078 4400 0.5488 7400 0.8296 16000 0.9739 1600 0.0197 4600 0.5793 7600 0.8392 18000 0.9809 1800 0.0394 4800 0.6076 7800 0.8481 20000 0.9857 2000 0.0667 5000 0.6338 8000 0.8563 40000 0.9981 2200 0.1009 5200 0.6580 8500 0.8747 50000 0.9991 2400 0.1403 5400 0.6804 9000 0.8901 75000 0.9998 2600 0.1831 5600 0.7011 9500 0.9032 100000 1.00002800 0.2279 5800 0.7202 10000 0.9143 3000 0.2733 6000 0.7379 10500 0.9238三、兰贝特余弦定律122θθnW/(m sr)I I I ===⋅（8-17a ）2θθn n cos cos cos W/(m sr)E I I E θθθ===⋅（8-17b ）2θ2cos d W/m E I ωπθω==⎰θβθωd d sin d d 2==r A2ππ/22θθ00cos sin d d πW/m E I I βθθθθβ====⎰⎰（8-18）四、基尔霍夫定律1.实际物体的辐射发射率图8-8 实际物体、黑体和灰体的辐射和吸收光谱图8-9 实际物体在各个方向上发射率的变化（a ）非导体；（b ）导电体1—融冰；2—玻璃；3—黏土；4—氧化亚铜；5—铋；6—铝青铜；7—铁（钝化）发射率 bE E =ε （8-19a ） 光谱发射率 b λλλE E =ε （8-19b ） 定向发射率 b θθθE E =ε（8-19c ）光谱定向发射率λ,θλ,θb λ,θE E ε=（8-19d ）⎰⎰⎰∞∞∞===0b λb λλbλbd d d λλελεEE E E E E （8-20）442b b b ()W/m 100T E E T C εεσε=== （8-21）对非金属表面 ε=（0.95～1.0）n ε 对磨光金属表面ε=（1.0～1.2）n ε2.基尔霍夫定律图8-10 定向辐射和吸收特性i b λ2d ()d d d q I T A λ=Ω（8-22）21cos d d rA θ=Ω 1i b λ22d cos d ()d d A q I T A r θλ=1a λ,θi λ,θbλ22d cos d ()d ()()d d A q T q T I T A rθααλ== （8-23）e λ,θ1d ()d cos d d q I T A θωλ=λ,θλ,θbλ()()()I T T I T ε=22d d rA =ω2e λ,θbλ12d d ()()d cos d A q T I T A r εθλ= （8-24）热平衡条件下基尔霍夫定律最基本的表达式λ,θλ,θ()()T T εα= （8-25）λλ()()T T εα=（8-26） 对灰表面θθ()()T T εα=（8-27） 漫射灰表面()()T T εα=（8-28）。

绪论思考题与习题（89P -）答案：1．冰雹落体后溶化所需热量主要是由以下途径得到： Q λ—— 与地面的导热量 f Q ——与空气的对流换热热量注：若直接暴露于阳光下可考虑辐射换热，否则可忽略不计。

2．略 3．略 4．略 5．略6．夏季：在维持20℃的室内，人体通过与空气的对流换热失去热量，但同时又与外界和内墙面通过辐射换热得到热量，最终的总失热量减少。

（T T 〉外内）冬季：在与夏季相似的条件下，一方面人体通过对流换热失去部分热量，另一方面又与外界和内墙通过辐射换热失去部分热量，最终的总失热量增加。

（T T 〈外内）挂上窗帘布阻断了与外界的辐射换热，减少了人体的失热量。

7．热对流不等于对流换热，对流换热 = 热对流 + 热传导 热对流为基本传热方式，对流换热为非基本传热方式 8．门窗、墙壁、楼板等等。

以热传导和热对流的方式。

9．因内、外两间为真空，故其间无导热和对流传热，热量仅能通过胆壁传到外界，但夹层两侧均镀锌，其间的系统辐射系数降低，故能较长时间地保持热水的温度。

当真空被破坏掉后，1、2两侧将存在对流换热，使其保温性能变得很差。

10．t R R A λλ= ⇒ 1t R R A λλ== 2218.331012m --=⨯11．q t λσ=∆ const λ=→直线 const λ≠ 而为λλ=（t ）时→曲线12、略13．解：1211t q h h σλ∆=++＝18(10)45.9210.361870.61124--=++2W m111()f w q h t t =-⇒ 11137.541817.5787w f q t t h =-=-=℃222()w f q h t t =-⇒ 22237.54109.7124w f q t t h =+=-+=-℃ 45.92 2.83385.73q A W φ=⨯=⨯⨯= 14. 解：40.27.407104532t K R W A HL λσσλλ-====⨯⨯⨯30.2 4.4441045t R λσλ-===⨯2m K W • 3232851501030.44.44410t KW q m R λ--∆-==⨯=⨯ 3428515010182.37.40710t t KW R λφ--∆-==⨯=⨯ 15．()i w f q h t h t t =∆=-⇒i w f qt t h=+51108515573=+=℃0.05 2.551102006.7i Aq d lq W φππ===⨯⨯=16.解：12441.2 1.2()()100100w w t t q c ⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦ 44227350273203.96()()139.2100100W m ++⎡⎤=⨯-=⎢⎥⎣⎦12''441.21.2()()100100w w t t qc ⎡⎤=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦442273200273203.96()()1690.3100100W m ++⎡⎤=⨯-=⎢⎥⎣⎦'21.2 1.2 1.21690.3139.21551.1Wq q q m ∆=-=-=17．已知：224A m =、215000()Wh m K =•、2285()Wh m K =•、145t =℃2500t =℃、'2285()Wk h m K ==•、1mm σ=、398λ=()W m K •求：k 、φ、∆解：由于管壁相对直径而言较小，故可将此圆管壁近似为平壁即：12111k h h σλ=++＝3183.5611101500039085-=⨯++2()W m k • 383.5624(50045)10912.5kA t KW φ-=∆=⨯⨯-⨯= 若k ≈2h'100k k k -∆=⨯％8583.561.7283.56-==％ 因为：1211h h ，21h σλ 即：水侧对流换热热阻及管壁导热热阻远小于燃气侧对流换热热阻，此时前两个热阻均可以忽略不记。

第七章热辐射的基本定律在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。

太阳对大地的照射是最常见的辐射现象。

高炉中灼热的火焰会烘烤得人们难以忍受‘太阳对人造卫星的辐射，会使卫星的朝阳面的温度明显地高于卫星背阳面的温度；高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构与强度设计，等等。

特别是近年来，人类对太阳能的利用，都大大地促进了人们对辐射换热的研究。

本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律；然后重点讨论物体之间的辐射换热规律；最后对气体辐射换热的特点作扼要的介绍。

第一节基本概念1－1 热辐射的本质和特征由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。

比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。

人们根据电磁波不同效应把电磁波分成若干波段。

波长λ＝0.38一0.76μm的电磁波段称为可见光波段λ＝0.76—1000 μm的电磁波段称为红外波段(一般将红外波段范围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)；波长大于1000μm的电磁波段称为无线电波段(根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段)；波长小于0.4μm的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的一部分被物体吸收后产生热效应，即波长λ＝0.1—1000 μm范围内的电磁技能被物体吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热射线。

因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范围，所以本课程所感兴趣的将是热射线，下面将专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。

一、热辐射的本质和特点1、发射辐射能是各类物质的固有特性。

当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。