化工原理教案4.5热辐射

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1、4.5热辐射任何物体，只要其绝对温度大于零度，都会床停地以电磁波的形式向外辐射能量；同时，又不断吸收来自外界其他物体的辐射能。当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不等时，该物体与外界就产生热量的传递，这种传热方式成为热辐射。此外，辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质作媒介，这是区别于热传导、对流的主要不同点。因此，辐射传热的规律也不同于对流传热和导热。4.5.1基本概念辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。电磁波的波长范围极广，从理论上说，固体可同吋发射波长从0到co的各种电磁波。但能被物体吸收而转变为热能的辐射能主要为可

2、见光（0.38〜0.76

3、im）和红外线（0.76〜100pm）两部分。热辐射和可见光的光辐射一样，当来自外界的辐射能投射到物体表面上，也会发生吸收、发射和穿透现象，服从光的反射和折射定律，在均一•介质中作直线传播，在真空和大多数气体中可以完全透过，但热射线不能透过工业上常见的大多数固体和液体。OMA如图所示，假设外界投射到物体农面上的总能量0其中一部分进入表面后彼物体吸收2,—部分被物体反射0，其余部分穿透物体Q。按能量守恒定律:式中鱼+幺+鱼=1QQQ2Q—吸收率，用Q表示;2Q—反射率，用厂表示；QdQ—穿透率，用d表示。G+r+d=1Q=Qa+a+Q或吸收率、反射率和透过率的大小収

4、决于物体的性质、温度、表而状况和辐射线的波长等，-•般来说，表面粗糙的物体吸收率大。对于固体和液体不允许热辐射透过，即〃=0；而气体对热辐射儿乎无反射能力,即20；黑体：能全部吸收辐射能的物体。即21黑体是一种理想化物体，实际物体只能或多或少地接近黑体，但没有绝对的黑体，如没有光泽的黑漆表面，其吸收率为0=0.96〜0.98。引入黑体的概念是理论研究的需要。白体:能全部反射辐射能的物体。BPr=l实际上白体也是不存在的，实际物体也只能或多或少地接近白体，如表而磨光的铜，其反射率为r=0.97o透热体：能透过全部辐射能的物体。即d=l-•般來说，单原子和由对■称双原子构成的气体，如He、O2

5、、2和比等，可视为透热体。而多原子气体和不对称的双原子气体则只能有选择地吸收和发射某些波段范围的辐射能。灰体：指能够以相同的吸收率吸收所有波长的辐射能的物体。工业上遇到的多数物体，能部分吸收所冇波氏的辐射能，但吸收率相差不多，可近似视为灰体。4.5.2发射能力和辐射基本定律物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部辐射能（波长从0到oo）,称为该物体在该温度下的发射能力，以E表示，单位W/n?。1.黑体的发射能力斯蒂芬■矗尔茨曼定律：黑体的辐射能力与其表而的绝对温度的四次方成正比。仇=久〃式小Eb——黑体的辐射能力，W/m2；久——黑体辐射常数，其值为5.67xW8W/(m2-K

6、4)；T——黑休表面的绝对温度，Ko为了方便，通常将上式表示为：式屮C。——黑体辐射系数，其值为5.67W/(m2-K4)；斯蒂芬■波尔茨曼定律表明黑体的辐射能力与其表曲的绝对温度的四次方成正比，也称为四次方定律。显然热辐射与对流和传导遵循完全不同的规律。斯蒂芬•波尔茨曼定律表明辐射传热对温度界常敏感，低温时热辐射往往可以忽略，而高温时则成为主要的传热方式。1.实际物体的发射能力由于黑体是一种理想化的物体，在工程上耍确定实际物体的辐射能力。在同一温度下，实际物体的辐射能力恒小于同温度下黑体的辐射能力。不同物体的辐射能力也有较大的差别。引入物体的黑度£：E£=E。物体的黑度£表示为实际物体的

7、辐射能力与黑体的辐射能力之比。由于实际物体的辐射能力小于同温度下黑体的辐射能力，黑度表示实际物体接近黑体的程度，e

8、1m范用内的辐射能，其吸收率随波长变化不大，可把这些物体视为灰体。灰体的辐射能力：式中C—灰体

9、的辐射系数，C=5.669£W/(m2.K4)；C=A物质性质，温度，表血情况)，C总小于同温度下的G)。1.克希霍夫定律克希霍夫定律表明了物体的发射能力和吸收率之间的关系。如图所示，设有两块很大，且相距很近的平行平板，两板间为透热体，-•板为黑体，一板为透过率为0的灰体。现以单位表面积、单位时间为基准，讨论两物体间的热量平衡。设灰体的吸收率、辐射能力及表而的热力学温度为缶、E

10、、TI；黑体的吸收率、辐射能力及表面的热力