热辐射与辐射换热

辐射换热原理
辐射换热是指热能通过电磁波的辐射传递或交换。

辐射换热不需要介质的存在，它可以在真空中传播。

辐射换热的原理是热辐射，即热能以电磁波的形式从高温物体传递到低温物体。

热辐射的波长范围从长波红外线到短波紫外线，其中短波辐射的能量较高，长波辐射的能量较低。

热辐射是由物体内部来自分子振动和电子跃迁的能量转化为电磁波产生的。

物体的温度越高，分子振动和电子跃迁所产生的电磁波的能量越高，波长越短。

这意味着高温物体会发出较多能量较高的短波辐射，而低温物体则会发出能量较低的长波辐射。

辐射换热的传热速率取决于物体的温度差、表面性质和形状等因素。

通过控制物体的表面特性，如涂层、颜色和纹理，可以调节辐射换热的效率。

此外，辐射换热还受到物体之间的距离的影响，较近的物体之间的辐射换热效率更高。

辐射换热在日常生活中广泛应用，例如太阳能、红外线加热、热辐射扇等。

它也是火焰、火炬和电炉等热能传递的重要机制。

第二编热量传输第十一章辐射换热辐射换热在金属热态成形产业中是常见的现象，如金属件在炉内的加热，熔化炉中的炉料与发热体之间的换热等。

第一节热辐射的基本概念一、热辐射与辐射换热物体中分子或原子受到激发而以电磁波的方式释放能量的现象叫辐射，电磁波所携带的能量叫辐射能。

由于电磁波可以在真空中传播，因而辐射能也可以在真空中传播，而导热与对流换热则只在存有物质的空间中才能发生。

激发物体辐射能量的原因或方法不同，产生的电磁波的波长和频率也不相同。

电磁波按波长的长短来划分有多种，如图11-1所示。

热辐射是由于热的原因而发生的辐射。

主要集中在红外线和可见光的波长范围内。

热辐射是物体的一种属性，只要物体的温度高于绝对温度0K，就会进行辐射。

因此热量不仅从高温物体辐射到低温物体，同样也从低温物体辐射到高温物体，但是两者辐射的能量不同。

物体在发射辐射能的同时，也在吸收辐射能。

辐射换热是指物体之间的相互辐射和吸收过程的总效果。

例如工业炉炉壁与周围物体之间由于炉壁温度较高，炉壁向周围辐射的能量多于吸收的能量，这样热量就从工业炉传给周围物体。

辐射换热不仅取决于两个物体之间的温度差，而且还取决于它们的温度绝对量。

对于导热来说，其热流密度与温度梯度成正比，而对辐射换热来说，热流密度（或辐射力）与辐射物体热力学温度的四次方成正比，即E∝T4。

二、吸收率、反射率、穿透率当热辐射的能量投射到物体表面上时，同可见光一样有吸收、反射和穿透的现象。

设辐射到物体表面的总能量为Q，其中一部分Qa在进入物体表面后被物体吸收，另一部分能量Qρ被物体反射，其余部分Qτ穿透物体，如教材150页图11-2所示。

根据能量守恒定律得或。

（11-1）令，，则式（11-1）可写成。

（11-2）式中α、ρ、τ——物体的辐射吸收率、反射率和穿透率。

固体及液体在表面下很短的一段距离内就能把辐射能吸收完毕，并把它转换成热能，使物体的温度升高。

对于金属导体，这段距离约为1μm；对于大多数非导电材料，这一距离也小于1mm。

热力学系统的热辐射与辐射换热热辐射是一个热力学系统中的重要现象，它是指物体通过电磁波辐射能量的过程。

在热力学中，热辐射是一种能量传递方式，它与传导和对流相互作用，共同影响着热系统的热平衡和能量转换。

辐射换热是指热辐射通过物体表面与周围物体发生的能量交换。

在热力学系统中，辐射换热是热系统与环境之间的关键热交换方式之一。

本文将从热辐射的基本原理、辐射换热的特性和影响因素等方面阐述热力学系统中的热辐射与辐射换热的相关知识。

一、热辐射的基本原理热辐射是由物体的热运动引起的，所有物体在温度不为零时都会以某种形式发射热辐射。

热辐射的特征是以电磁波的形式传播，波长范围从长波红外线到短波紫外线。

根据“黑体辐射”的理论，完美的黑体是指吸收所有辐射能量的物体，而不反射或透射任何辐射。

根据黑体辐射的性质，斯特法能定律描述了热辐射的强度和波长之间的关系。

同时，普朗克提出了量子化假设，解释了辐射能量的离散化现象，即辐射能量以能量子的形式进行传输。

二、辐射换热的特性辐射换热是热系统与环境之间的重要热交换方式，具有以下特性：1. 无需介质传导：辐射换热是通过电磁波的传播实现的，与传导和对流不同，它不需要介质的存在来传递热量。

2. 波长和温度关系：热辐射的强度与物体表面的温度有关，而且随着温度的升高，发出的辐射能量也会增加。

根据斯特法能定律，高温物体主要辐射短波辐射，而低温物体主要辐射长波辐射。

3. 吸收与反射：物体表面对热辐射的吸收和反射特性也会影响辐射换热过程。

高吸收率的物体能够有效地吸收外界的辐射能量，并转化为热量。

相反，高反射率的物体则会减少吸收辐射能量的能力。

三、影响辐射换热的因素辐射换热的强度主要受以下因素的影响：1. 温度差异：温度差异是推动辐射换热的主要力量之一。

温度差异越大，辐射换热的强度也会相应增加。

2. 表面特性：物体表面的特性直接影响辐射换热的效果。

粗糙表面相对于光滑表面来说，具有更高的吸收和发射能力，因此可以更好地进行辐射换热。

第十章 辐射换热§10-1 热辐射的基本概念一、热辐射的本质和特点辐射是物体通过电磁波传递能量的现象。

热辐射产生的电磁波称为热射线，热射线包含部分紫外线、全部可见光和红外线。

热辐射就是热射线的传播过程。

习惯上又把红外线称为热射线。

热辐射过程有如下特点：（1）热辐射不需要物体间直接接触，也不需要中间介质来传递热量。

（2）热辐射具有一定的波长范围。

（3）热辐射过程不仅包含有能量的传递，而且还存在着能量形式的转换。

（4）一切物体不论温度高低都在不停地发射出热辐射能。

二、吸收比、反射比和透射比当热射线投射到物体表面上时，也会发生吸收、反射和穿透现象。

G= G α+G ρ+G τ等式两边除以G 得：1=++GG G G G G τρα；即1=++τρα 式中，G G αα=，称为吸收比；GG ρρ=，称为反射比；G G ττ=，称为穿透比。

对于一般的固体和液体，热射线是不能穿透的，简化为1=+ρα说明：吸收能力大的固体和液体，其反射能力就小；反之，吸收能力小的固体和液体，其反射能力就大。

凡善于吸收的物体必不善于反射；凡善于反射的物体必不善于吸收。

物体表面的状况对其吸收和反射特性影响很大。

气体对热射线几乎没有反射能力，简化为：1=+τα穿透性好的气体吸收比小，穿透性差的气体吸收比大。

三、黑体、白体和透明体吸收比α=1的物体称为绝对黑体，简称黑体。

反射比ρ=1的物体称为绝对白体，简称白体。

穿透比τ=1的物体称为绝对透明体，简称透明体。

α=1意味着黑体能吸收各种波长的辐射能。

尽管在自然界中并不存在黑体，但可人工制造出十分接近于黑体的模型。

空腔上的小孔具有黑体的性质。

四、灰体所谓灰体，是指单色吸收比αλ与波长无关的物体。

即：常数==ααλ一般物体在红外线范围内的单色吸收比不随波长作明显变化，因而在热辐射计算中，我们把工程材料作为灰体对待不会引起太大的误差。

这一方法不能推广到对太阳辐射的吸收上。

因为太阳表面的高温使太阳辐射中可见光占了大约46%的比例，物体的颜色对可见光的吸收呈强烈的选择性，而常温下物体的红外线辐射一般是与物体颜色无关的。

换热器换热形式换热器是一种用于将热量从一个物体传递到另一个物体的设备。

它可以通过传导、对流或辐射等方式实现热量的传递。

换热器广泛应用于工业生产、能源利用、航空航天等领域，起到了至关重要的作用。

换热器的换热形式多种多样，下面将分别介绍几种常见的换热形式。

1. 传导换热：传导换热是指通过固体物质之间接触来传递热量的过程。

在传导换热中，热量从高温物体传递到低温物体，直到两者温度达到平衡。

常见的传导换热器有散热片、散热器等。

散热片通过增大与周围空气接触面积，提高热量传导效率；散热器则通过管道和鳍片的设计，使热量能够更快地传递到空气中。

2. 对流换热：对流换热是指通过流体或气体的流动来传递热量的过程。

流体或气体通过与固体物体接触，吸收或释放热量。

常见的对流换热器有散热器、冷却塔等。

散热器通过流体的循环流动，将热量带走；冷却塔则利用气流的自然对流或强制对流，将热量散发到空气中。

3. 辐射换热：辐射换热是指通过电磁辐射来传递热量的过程。

热辐射是一种电磁波，可以在真空中传播，不需要通过介质。

常见的辐射换热器有太阳能热水器、电热暖器等。

太阳能热水器利用太阳辐射的热量加热水；电热暖器则通过电流通过导线产生热辐射，加热周围空气。

除了以上几种常见的换热形式，还有一些特殊的换热器。

例如，蒸发换热器是利用液体在蒸发时吸收热量的原理，将热量转移到蒸发介质中，从而实现换热的过程；吸附式换热器则是利用吸附剂与气体之间的物理吸附作用来传递热量的设备。

换热器在工业生产中有着广泛的应用。

例如，在石化行业中，换热器被用于冷却液体或气体，保证设备的正常运行；在电力行业中，换热器被用于冷却发电机组，提高发电效率；在制冷空调行业中，换热器被用于制冷剂的蒸发和冷凝过程，实现空调系统的制冷和供热功能。

在使用换热器时，需要注意一些问题。

首先，要选择合适的换热器类型和规格，以满足具体的换热需求；其次，要定期检查和维护换热器，确保其正常运行；最后，要合理设计换热系统，使能量损失最小化。