传热学8热辐射基本定律

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1、第八章热辐射的基本定律热量传递的一种方式,研究方法与思路都与导热和对流换热不同，导热与对流换热是由于物体的宏观运动和微观粒子的热运动所造成的能量转移，热辐射是由于物体的电磁运动所引起的热量的传递。§8-1基本概念1、热辐射的本质与特点辐射是电磁波传递能量的现象。按照产生电磁波的不同原因可以得到不同频率的电磁波，例如：高频振荡电路产生的无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、及γ射线等各种电磁波。热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。辐射是物体固有特性，只要物体温度高于0K，物体总是不断

2、的把热能转变为辐射能。物体亦不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。辐射换热就是物体之间相互辐射和吸收的总效果。当物体与环境处于热平衡时，其辐射换热量为零，但其表面上的热辐射仍在不停的进行。电磁辐射波谱在工业的温度范围内（2000K）,有实际意义的热辐射波长位于0.38~100μm之间。且大多数能量位于红外线区段的（0.76~20μm）范围内，可见光区段（0.38~0.76μm）热辐射能量的比重不大。对于太阳辐射（5800k），主要能量集中在0.2~2μm的波长范围内。可见光区段

3、占有很大的比重。速度:c=fλ式中：c为电磁波的传播速度，在真空中c=3×108m/s,f为频率，1/s，λ为波长，m。1μm=10-6m。辐射能：是电磁波或光子所运载的能量。每个光子的能量用普朗特公式表示：er=hf式中：h—普朗特常数，h=6.624×10-34J.s量子理论认为：辐射是离散化的量子化的能量束热辐射特点：a任何物体，只要温度高于0K，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。辐射能落

4、在另一物体上吸收时会发生以下现象：①转变为内能——热效应。②引起化学反应——光合作用③迫使金属发射电子——光电效应。2、物体的吸收比、反射比及穿透比当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，会发生吸收、反射和穿透现象。辐射能的吸收、反射和投射吸收热能低温物体热能高温物体辐射能流（热射线）GGRGDGA穿透与中间介质无关而由电磁波传输反射式中：各能量的百分数分别称为该物体对投入辐射的吸收比、反射比和穿透比，记为α、ρ、τ。（1）对固体或液体表面，投射到其上的辐射能在一个极短的距离内就被吸收完了。金属导体只有

5、1μm，大多数非导电材料为1mm。则τ=0。于是，对于固体和液体，α+ρ=1善于吸收就不善于反射镜反射漫反射镜面反射和漫反射当表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，形成镜面反射。（例如高度磨光的金属板）。当表面的不平整尺寸大于投入辐射的波长时，形成漫反射，这时从某一方向投射到物体表面上的辐射向空间各个方向反射出去。一般工程材料的表面都形成漫反射。辐射能投射到气体上时，气体对辐射能几乎没有反射能力，ρ=0，从而α+τ=1即吸收性大的气体，其穿透比就差。对于固体和液体呈现的吸收和反射特性不涉及物体的内部。因此物体表

6、面状况对辐射特性的影响至关重要。对于气体，辐射和吸收在整个气体容积中进行，表面状况则无关紧要。特例α=1的物体叫做绝对黑体。ρ=1的物体叫做绝对白体。τ=1的物体叫做绝对透明体。显然黑体、白体和透明体都是假定的理想物体。黑体的吸收比α=1，意味着黑体能全部吸收各种波长的辐射能。自然界中并不存在黑体，但可以用人工的方法制造。在空腔壁（温度均匀）上开一个小孔，由于空腔较大，投射的辐射能经小孔射入孔腔后，经多次反射吸收后才会出去。反射的能量与投入的能量相比很小，小孔面积越小，吸收比就越→1。若小孔面积/孔腔面积小于0

7、.6％，内壁吸收率为0.6时，小孔的吸收比可大于0.996。就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。黑体模型黑体模型黑体在热辐射分析中的特殊重要性在相同温度的物体中，黑体的辐射能力最大。在研究了黑体辐射的基础上，我们处理其他物体辐射的思路是：把其他物体辐射与黑体辐射相比较，从中找出其与黑体辐射的偏离，然后确定必要的修正系数。§8-2黑体辐射的基本定律1辐射力及单色辐射力的定义（1）辐射力E：单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能的总量，[W/m2]。辐射力从总体上表征物体发射

8、辐射能本领的大小。单色辐射力与辐射力之间的关系：（2）单色辐射力Eλ：在热辐射的整个波谱内，不同波长发射出的辐射能是不同的。单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的某一特定波长的辐射能。称为单色辐射力。[W/m3]对特定波长λ来说：从λ到λ+dλ区间发射出的能量为dE。2黑体辐射的基本定律及相关性质可以归结为三个定律:普朗克定律斯蒂芬—玻尔兹曼定律兰贝特定律式中，λ—波长