1、第八章第八章 热辐射和辐射换热热辐射和辐射换热 8-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念8-2 热辐射基本定律热辐射基本定律l热辐射的特征热辐射的特征：不需要物体间直接接触（在真空中，：不需要物体间直接接触（在真空中，无需媒介）；有能量形式的转变；与温度的关系不无需媒介）；有能量形式的转变；与温度的关系不同。同。l由于热辐射也属于一种辐射现象，从而也遵循由于热辐射也属于一种辐射现象，从而也遵循 c 式中式中：c 光速；光速；波长；波长；频率。频率。热辐射的传播是以不连续的量子形式进行的，热辐射的传播是以不连续的量子形式进行的，每个量子的能量每个量子的能量为：为：Eh 式中式中 h 普朗克常数，
2、其值为普朗克常数，其值为6.625610-34JS。从理论上讲，热辐射的波长范围可在从理论上讲，热辐射的波长范围可在0之间，但在工业范之间，但在工业范围内，一般温度不超过围内，一般温度不超过2000K，在这一温度范围内，主要考虑的热，在这一温度范围内，主要考虑的热辐射的波长为辐射的波长为0.1m100m，称为热辐射线（可见光：，称为热辐射线（可见光：0.38m0.76m）。）。从图中可以看出，热辐射线组成：从图中可以看出，热辐射线组成：部分紫外线、可见光及红部分紫外线、可见光及红外线。其中，红外线占优。外线。其中，红外线占优。二、辐射能的吸收、反射和透射二、辐射能的吸收、反射和透射 各种辐射射
3、线都是电磁波，因而它们各种辐射射线都是电磁波，因而它们之间并无绝对的对立，可见光与不可见的之间并无绝对的对立，可见光与不可见的热射线也无本质的区别。当热辐线投射到热射线也无本质的区别。当热辐线投射到物体上时，和可见光一样也有物体上时，和可见光一样也有吸收，反射吸收，反射和透射和透射现象发生。现象发生。p 根据能量守恒原则：根据能量守恒原则：GGGG G/GG/GG/G1 其中：其中：G G/G/G、G G/G/G、G G/G/G分别称为该物体对投射辐射的分别称为该物体对投射辐射的吸收率，反射率和透射率吸收率，反射率和透射率，p 依次用符号依次用符号、表示，即有：表示，即有：1 1 (8-3a)
4、p单色辐射：单色辐射：在某个特定波长下的辐射称为在某个特定波长下的辐射称为单色单色辐射辐射，如果投射能量是单色辐射，上述关系也，如果投射能量是单色辐射，上述关系也同样适用。同样适用。(8-3b)(8-3b)式中式中:、分别为分别为单色吸收率、单色单色吸收率、单色反射率和单色透射率反射率和单色透射率。p 、和和、是是物体表面的辐物体表面的辐射特性，和物体的性质，温度及表面射特性，和物体的性质，温度及表面状况有关状况有关。、还和投射能量的波长分布有关。还和投射能量的波长分布有关。p 固体和液体固体和液体不允许热辐射透过。透射率不允许热辐射透过。透射率，即，即。即：。即：吸收能力大的物体其反射吸收能
5、力大的物体其反射本领就小本领就小；反之吸收能力小的物体其反射本领就；反之吸收能力小的物体其反射本领就大。大。为为镜体（白体）镜体（白体）；为为绝对黑体绝对黑体（重点研究对象）；重点研究对象）；p 气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为气体对辐射能几乎没有反射能力，可认为反反射率射率，即，即。显然，吸收性大的。显然，吸收性大的气体，其穿透性就差。多原子气体才具有吸收能气体，其穿透性就差。多原子气体才具有吸收能力。力。称为称为透明体透明体。p 固体和液体固体和液体物体表面状况物体表面状况对这些特性的影响对这些特性的影响是至关重要的。是至关重要的。p 不同物体对于不同波长的热辐射的透射率、不同物体对于
6、不同波长的热辐射的透射率、吸收率和反射率也不同。（大棚蔬菜、温室效应吸收率和反射率也不同。（大棚蔬菜、温室效应-地球变暖）地球变暖）p自然界中并不存在绝对的黑体、白体和透明体，它们自然界中并不存在绝对的黑体、白体和透明体，它们只是实际物体热辐射性能的只是实际物体热辐射性能的理想模型理想模型。p黑体、白体和透明体都是对黑体、白体和透明体都是对全波长全波长射线而言的。射线而言的。p不能按物体的颜色来判断不能按物体的颜色来判断。p因此，因此，物体对外来辐射的吸收和反射能力是和物体的物体对外来辐射的吸收和反射能力是和物体的性质、表面状况、所处温度和性质、表面状况、所处温度和发射物体的温度有关发射物体的
7、温度有关。p自然界所有物体的吸收率自然界所有物体的吸收率，反射率，反射率和透射率和透射率的的数值都在数值都在 0 0到到1 1 的范围内变化，每个量的数值又因具的范围内变化，每个量的数值又因具体条件不同而千差万别。为了使问题简化，可以从体条件不同而千差万别。为了使问题简化，可以从理理想物体想物体入手进行研究。如研究入手进行研究。如研究黑体、白体、透明体黑体、白体、透明体。对理想物体的几点说明对理想物体的几点说明 辐射能投射到物体表面后的反辐射能投射到物体表面后的反射现象，也和可见光一样有射现象，也和可见光一样有镜镜面反射和漫反射面反射和漫反射两种情况。两种情况。当表面不平整尺寸（表面粗糙度）当
8、表面不平整尺寸（表面粗糙度）小于小于投射辐射的波长时，形成镜投射辐射的波长时，形成镜面反射，此时入射角等于反射角。面反射，此时入射角等于反射角。当表面不平整尺寸（表面粗糙度）当表面不平整尺寸（表面粗糙度）大于大于投射辐射的波长时，入射射投射辐射的波长时，入射射线被反射后沿各个方向均匀分布、线被反射后沿各个方向均匀分布、形成漫反射。一般工程材料的表形成漫反射。一般工程材料的表面大都形成漫反射。面大都形成漫反射。p辐射力辐射力是物体参与辐射的单位表面积在单位时间内是物体参与辐射的单位表面积在单位时间内向向半球空间半球空间发射出去的发射出去的0 0波长范围内的总能量波长范围内的总能量，用符号，用符号
9、E E表示表示，单位是单位是W Wm m。从总体上表征物体。从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。发射辐射能本领的大小。p单色辐射力单色辐射力指若辐射力仅指某波长指若辐射力仅指某波长下波长间隔下波长间隔dd范围内所发射的能量。用符号范围内所发射的能量。用符号E E表示，单位是表示，单位是W(mm)，ddEEdEE或0三、辐射力三、辐射力一、普朗克（一、普朗克（PlanckPlanck）定律）定律(黑体辐射按波长分布的规律黑体辐射按波长分布的规律)普朗克定律即普朗克定律即黑体单色辐射力黑体单色辐射力Eb与与波长波长和物和物体表面体表面绝对温度绝对温度T之间的函数关系式：之间的函数关系式：式中：式
10、中：-波长，波长，m；T-黑体温度，黑体温度，K；C1-第一辐射常数，第一辐射常数，3.74310-16 wm2 C2-第二辐射常数，第二辐射常数，1.438710-2 mK3)/(51/12mWeCETcbmax2897.6 m K2900m KT 德国物理学家维恩在德国物理学家维恩在1896年用经典热力学方法确定年用经典热力学方法确定了了Eb为最大值时为最大值时的的波长波长max与温度与温度T之间之间的关系：的关系：例例8-18-1：试分别计算温度为：试分别计算温度为2000K2000K和和5800K5800K的黑体的的黑体的最大单色辐射力所对应的波长最大单色辐射力所对应的波长m m。解：
11、解：T=2000KT=2000K时，时，T=5800KT=5800K时，时，mmm45.11045.12000109.263mmm50.01050.05800109.263三、斯蒂芬三、斯蒂芬玻尔兹曼玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律定律(黑体全波辐射能力的规律黑体全波辐射能力的规律)上式说明：黑体的单位表面积上在单位时间内发出上式说明：黑体的单位表面积上在单位时间内发出的的(包括全波长范围的包括全波长范围的)热辐射总能量，和它的热辐射总能量，和它的绝对温度绝对温度四次方成正比四次方成正比。斯蒂芬。斯蒂芬-玻尔兹曼定律亦称玻尔兹曼定律亦称四次方定律四次方定律。2440)/(510
12、/)100(12mWTcTdeCdEEbbTcbb12bE2121bbEE d21bb00E dE d12bE21121221bbb00bb 0b 0bbbE dE dEFFFEEE)21(bF251/0b0b 0441CTCdE deFTT251/01TCTCTdTfTe1221bbb 0b 0EFFE 例例8-2 8-2 试求当温度为试求当温度为2000K2000K时黑体最大的单色辐射时黑体最大的单色辐射力所对应的波长；此时可见光与红外线在总辐射中力所对应的波长；此时可见光与红外线在总辐射中所占份额各为多少所占份额各为多少?解：应用式解：应用式(8-10)，该黑体最大的辐射力所对应的波，该
13、黑体最大的辐射力所对应的波长长max为：为：max2897.6/20001.4488m 可见光的波长范围为可见光的波长范围为0.380.76m，红外线波，红外线波长范围为长范围为0.761000m可分别算出各波长下的可分别算出各波长下的值并由表值并由表8-18-1查出对应的查出对应的Fb(0T)值。值。0.38m T760mK F b(00.38)0.1 10-4 0.76m T1520mK Fb(00.76）0.1610-1 1000m T210mK Fb(01000）1.0可见光在总辐射中所占的份额可见光在总辐射中所占的份额Fb(0.380.76)0.0160.110-40.01599 1
14、.599红外线在总辐射中所占的份额红外线在总辐射中所占的份额 Fb(0.76 1000)0.0160.984 98.4显然，在这样的温度下，可见光辐射所显然，在这样的温度下，可见光辐射所占份额是微不足道的。占份额是微不足道的。4.基尔霍夫基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律定律（物体物体吸收辐射能的能力吸收辐射能的能力与与发射辐射能的能力发射辐射能的能力之间的关系之间的关系）bEEbEEb0bE dEb0bE dEc 灰体的辐射力灰体的辐射力遵循遵循斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 EEbbT (8-19a)cb（T/100)4 (8-19b)4bEET基尔霍夫基尔霍夫（G.R.K
15、irchhoff）定律定律21221bqEE212bEE12112ibiEEEE 据发射率的概念，克希霍夫定律还可写作据发射率的概念，克希霍夫定律还可写作：E/b 对于特定波长，同理可有：对于特定波长，同理可有：这是这是基尔霍夫定律的又一表达式基尔霍夫定律的又一表达式，它说明，它说明在热平衡条件下，任意物体的吸收率等于在热平衡条件下，任意物体的吸收率等于同温度下该物体的发射率同温度下该物体的发射率(黑度黑度)。当温度一定时，灰体的吸收率和黑度也是一定的，即灰当温度一定时，灰体的吸收率和黑度也是一定的，即灰体能吸收投射来的各种不同波长的辐射能体能吸收投射来的各种不同波长的辐射能；同；同时灰体向外
16、发射能量时，其黑度也不随波长改变时灰体向外发射能量时，其黑度也不随波长改变。根据基尔霍夫定律，灰体有：。根据基尔霍夫定律，灰体有：灰体的吸收率与黑度相等而又与外界条件无关，也就灰体的吸收率与黑度相等而又与外界条件无关，也就无无所谓是否处于热平衡的条件所谓是否处于热平衡的条件了。了。在工业高温下多数材料的热辐射主要处于红外线波长范在工业高温下多数材料的热辐射主要处于红外线波长范围内，材料的围内，材料的值随值随的变化不大因此允许的变化不大因此允许把工程材把工程材料作为灰体处理料作为灰体处理。若热辐射中可见光所占的份额较大，。若热辐射中可见光所占的份额较大，则不能把材料作灰体处理，否则将导致较大误差。则不能把材料作灰体处理，否则将导致较大误差。对于灰体对于灰体 作业：作业：155页习题：页习题：8-1 提示：四次方定律、普朗提示：四次方定律、普朗 克定律克定律 8-3 提示：四次方定律、波段提示：四次方定律、波段辐射力、维恩位移定律辐射力、维恩位移定律
