传热学课件-清华大学 (8)

第八章热辐射的基本定律
§8-1 热辐射的基本概念一、热辐射的本质和特点
热辐射：由于热的原因而产生的电磁波辐射
发射辐射能是各类物质的固有特性
（Thermal radiation ）
辐射采暖、辐射干燥、太阳能利用、炉内辐射等
电磁波谱：
的电磁波属可见光
m µλ76.0~38.0=的电磁波称红外线
m µλ1000~76.0=：无线电波
m µλ1000>：热射线
m µλ100~1.0=太阳辐射主要能量集中在0.2~2 微米波长范围
m
µλ38.0<：紫外线、x 射线、射线等γ
二、辐射能的吸收、反射和透射
投射辐射G （Irradiation
）
一部分被吸收；Absorption
一部分被反射；Reflection
还有一部分可能穿透物体
Transmission
—吸收率；Absorptivity αG G G G =++τρα1
=++τραG
G G G =++τραρ—反射率；Reflectivity
τ—透射率; Transmissivity
镜反射：反射角等于入射角
光滑的金属表面、玻璃、塑料等
两种极端情况：
镜反射、漫反射
漫反射：被反射的辐射能均匀分布在各方向
粗糙非金属表面接近于漫反射
Specular reflection
Diffuse reflection
若投射能量是某波长下的（单色）辐射：Spectral 1 =++=++λλλλλλλλλλτρατρα或G G G G 辐射能的吸收、反射和透射
1
=++τραG G G G =++τρα—光谱吸收率、光谱反射率、光谱透射率
（单色吸收率、单色反射率、单色透射率）
λλλτρα、、是物体表面的辐射特性，与物体的性质、温度及表面状况有关
λλλτρα、、及、、 τρα全波长的特性还与投射能量的波长分布有关
τρα、、气体：对辐射能几乎没有反射能力固体和液体：分子排列非常紧密，投射辐射能在进入物体很小距离内就被全部吸收
1 0=+=ταρ；
气体：对辐射能几乎没有反射能力固体和液体：分子排列非常紧密，投射辐射能在进入物体很小距离内就被全部吸收
1 0=+=ταρ；
如：金属导体：该距离约为1 µm ；非导体：1000 µm
1 0=+=ρατ；
故：对一般固体和液体：黑体：能全部吸收外来射线的物体白体：能全部反射外来射线的物体
1=α1=ρ透明体：能被外来射线全部透过的物体1
=τ自然界中并不存在黑体、白体和透明体；它们只是实际物体热辐射性能的理想模型
煤烟α=0.96；高度磨光的纯金α=0.98
黑体是一个理想的吸收体，它能吸收来自各个方向、各种波长的全部投射能量。

是比较的标准
黑体是一个理想的吸收体，它能吸收来自各个方向、各种波长的全部投射能量。

是比较的标准黑体表面的辐射属于漫辐射；各方向分布均匀
对于黑体：黑体不反射、也不透射，全部被吸收
00 1
===ρτα，；人工黑体：空腔上的小孔接近于黑体
白天从远处看房屋的窗户有黑洞洞的感觉
注意：黑体、白体与黑色物体、白色物体不同颜色是对可见光而言的
黑体、白体及透明体都是对全波长而言的
而可见光只占全波长中的一小部分
故：物体对外来全波长射线的吸收能力的高低，不能凭物体的颜色来判断，白颜色物体（反射的射线在可见光部分呈白色）不一定是白体；黑颜色物体不一定是黑体
例如：雪对可见光是良好的反射体，对肉眼是白色的，但对红外线几乎能全部吸收0.8 985.0==εα；白布和黑布对可见光吸收率不同，但对红外线的吸收率基本相同
玻璃只透过可见光，对的红外线不透明
m µλ3>
2
d d r A Ωn
=
I(
随着温度T 增高，
向短波方向移动
max λ利用光学仪器测得某黑体表面
最大光谱辐射力的波长后，可
以算出该黑体表面的温度
维恩(Wien)位移定律：1891
K
m 6.2897max ⋅=⋅µλT 如：太阳K
2.5795 m 5.0max =∴=T µλT=5800K 时，峰值在可见光范围；太阳所发射的辐射能约44.6%(43%)在可见光范围m 76.0~38.0µλ=T >800K 时，辐射能中明显具有可见光射线随着温度T 的升高，可见光射线增加
T=5800K 时，峰值在可见光
范围；太阳所发射的辐射能
约44.6%(43%)在可见光范围
m
76.0~38.0µλ=T >800K 时，辐射能中明显
具有可见光射线
工业中常见高温一般低于
2000K 属于红外线范围
m
45.1max µλ=红外线：m
µλ1000~76.0=加热炉中铁块升温过程颜色变化：
T<800K 时，主要是红外线，眼睛感觉不到、暗黑；随着温度的升高，铁快颜色变为暗红色、鲜红色、橘黄色、亮白色原因：T 升高可见光增加
这一波段的辐射能占黑体辐射力的百分数
与的函数关系参见下表)0(T b F λ−T λ4
)0()0()()()(122121T
F F E F E b T b T b b b b σλλλλλλ⋅−==−−−
−
§8-3 实际物体的辐射特性、灰体
一、实际物体的辐射特性
实际物体的光谱辐射力Eλ随波长和温度的变化是不规则的，与黑体的E
有区别
bλ
相同条件下：Eλ< E bλ
实际物体不是漫辐射表面：各方向上辐射强度不相等
磨光的金属表面：
定值
，≈=θεθD 40~0，
随增大，先迅速增大、
又很快下降并在附近趋于零
D 40>θθεθD 90对于非导电体：，
随增大迅速减小并逐渐在附近趋于零D
60>θθεθD 90内
D 60~0=θ可看作漫辐射体
物体的半球平均发射率与法向发射率的关系：εn ε表面粗糙：n
ε
ε98.0=故：对于大多数工程材料，往往不考虑的变化细节，而近似地认为服从兰贝特定律。

（漫辐射表面）θε对于高度磨光的金属表面：
n εε2.1=对于非导电体：表面光滑：
n εε95.0=
二、实际物体的吸收特性
实际物体的吸收率α不仅取决于物体本身材料的种类、温度及表面性质，还与投入辐射的波长分布有关物体的吸收具有选择性：实际物体的光谱吸收率αλ随波长λ变化；实际物体的αλ是波长λ
的函数即：物体表面的吸收率α与吸收表面和投射表面的性质、温度都有关；它比发射率更复杂
λλ的投入辐射波长为—G λ
λααα==，则若const 在这种条件下，吸收率α只与吸收表面本身的性质有关，而与投射表面无关
三、灰体（Gray surface ）
灰体—实际物体的理想化
灰体：假设其光谱发射率ελ（或光谱黑度）和光谱
吸收率αλ与波长无关
自然界中不存在灰体，它是一种假想的物体
实际物体在红外波长范围内可近似看作灰体（在工业高温条件下，多数材料热辐射处于红外线）
对于灰体：
const
const
====λλααε
ε
四、基尔霍夫定律
1859年基尔霍夫（G.R.Kirchhoff ）揭示了物体发射辐射的能力与吸收辐射的能力之间的关系
假设：某物体表面d A 1放置在黑体空腔中；二者处于
热平衡状态（T ）
单位时间内、从某给定方向θ、在d λ波长范围内，由黑腔上微表面d A 2 投射到d A 1表面上的能量为：
λ
λd d d d 2,⋅⋅⋅=ΩA I q T b i
α
αd
q
=q
d=
⋅
I
五、温室效应例如：白色的纸对于太阳辐射的吸收率仅为0.27；而其黑度则高达0.95.
在工业高温下作为灰体处理的工程材料，其热辐射主要在变化不大的红外线范围内，可见光份额很小；在计算时，对于工业高温下的一般工程材料，可以取
ε
α=λα但是，太阳辐射的射线有43%左右在可见光范围内，由于各种颜色的表面对可见光的吸收具有强烈的选择性。

即在可见光范围内，随波长的变化很大；所以，对于太阳辐射ε
α≠λα。