傳熱學(xué)第十二章輻射換熱

傳熱學(xué)第十二章輻射換熱第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日§12-1熱輻射的基本概念§12-2黑體輻射基本定律§12-3兩物體表面間的輻射換熱計(jì)算§12-4氣體輻射第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日總體要求：定性：熱輻射基本概念，黑體輻射基本定律，實(shí)際物體的輻射特性及基耳霍夫定律；輻射換熱的強(qiáng)化與削弱。定量：利用黑體輻射基本定律及黑體輻射換熱函數(shù)求解輻射換熱問題。

第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日第十二章輻射換熱

熱輻射是熱傳遞的三種基本方式之一，它是由電磁波來傳遞能量的現(xiàn)象，與導(dǎo)熱和對(duì)流有著本質(zhì)的區(qū)別。輻射換熱是互不接觸的物體之間通過相互輻射進(jìn)行熱交換的過程。第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日輻射通過低溫區(qū)向人體傳熱

由于太空的超真空環(huán)境是天然的熱絕緣體，使其高溫外壁不易冷卻，而輻射幾乎是唯一的散熱方式

第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日人體與墻壁間的傳熱方式主要是輻射第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日傳統(tǒng)工業(yè)中的輻射換熱問題

太陽能熱水器是典型的利用輻射換熱原理

輻射換熱應(yīng)用背景介紹物體通過電磁波來傳遞能量的方式叫輻射。自然界中各個(gè)物體不停地向空間發(fā)出熱輻射，同時(shí)又不斷地吸收其它物體發(fā)出的熱輻射。輻射與吸收過程的綜合結(jié)果就造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞——輻射換熱。

第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日1定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量保溫瓶的散熱--保溫瓶夾層中主要依靠輻射傳熱

§12-1熱輻射的基本概念一、輻射的概念及特點(diǎn)第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日1）只要物體溫度T>0K，物體就有輻射本領(lǐng)；2）存在近程及遠(yuǎn)程效應(yīng)(近在咫尺，遠(yuǎn)至天體)；3）存在熱動(dòng)平衡（吸收和發(fā)射）；4）在高溫時(shí)更加重要，與（Tw4－Tf4）成正比；5）存在著吸收，反射與穿透；6）物性隨波長和方向而變；7）無須任何介質(zhì)，可以穿過真空和低溫。2輻射換熱基本特點(diǎn):第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日3、電磁波譜

電磁輻射包含了多種形式，如下圖所示，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.38－1000μm。國際上規(guī)定家用微波爐的微波波長為122mm，對(duì)應(yīng)頻率為2450MHz電磁波的傳播速度：c=fλ

式中：f—頻率，s-1;λ—波長，μm第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日例：室溫下呈黑色的鐵棒在爐中加熱時(shí)，顏色漸呈暗紅、紅、橙黃，您知道為什么嗎？

答案：隨著鐵棒的加熱，溫度升高，其輻射能量最大的波長向短波方向移動(dòng)，即經(jīng)歷了由遠(yuǎn)紅外線、近紅外線到可見光區(qū)域，因而會(huì)呈現(xiàn)上述顏色變化。維恩定律第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日例：海水的顏色為什么總是藍(lán)色的？答案：這是由于海水的非灰性質(zhì)引起的，即海水對(duì)不同的波長的可見光吸收率不同，對(duì)藍(lán)色波長附近的射線吸收少，反射多，所以呈藍(lán)色。

第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日QAQRQDQ第十二章輻射換熱熱輻射的基本概念

一般來說，熱射線也遵循可見光的規(guī)律，即當(dāng)射線落到物體表面上時(shí)，也發(fā)生吸收、反射和穿透現(xiàn)象。如圖，設(shè)外界投射到物體表面的總能量為Q,一部分能量QA在進(jìn)入表面后被物體吸收；另一部分能量QR被物體反射，其余部分能量QD透射過物體，于是有：令則:A+D+R=1二、吸收、反射和透射第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日第十二章輻射換熱熱輻射的基本概念

A------吸收率D------反射率R-----穿透率A、D、R的大小都在0---1范圍內(nèi)變化，大小與物體的溫度和表面狀況有關(guān)，實(shí)際工程中，可以認(rèn)為液體和固體不允許熱輻射透過，所以D=0。就固體和液體而言，吸收能力大的物體其反射能力就弱。

在工程中，通常把吸收率A=1的物體稱為絕對(duì)黑體（簡稱黑體）；把反射率R=1的物體稱為鏡體，或絕對(duì)白體；把穿透率D=1的物體稱為透明體。在工程中，通常引入灰體的概念，即A<1的物體。二、吸收、反射和透射第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日灰體單色發(fā)射率不隨波長而變化的物體，我們稱之為灰體

作為一種研究中的假想物體，在自然界中灰體并不存在的；灰體的輻射力遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律，即

C─灰體輻射系數(shù)

第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日

自然界中并不存在絕對(duì)的黑體，用人工的方法可以制造出十分接近黑體的模型，如圖，在前墻上開一個(gè)小孔的空腔制成黑體，空腔壁面應(yīng)保持均勻的溫度。當(dāng)輻射經(jīng)過小孔射進(jìn)空腔時(shí)，在空腔內(nèi)要經(jīng)歷多次的吸收和反射，而每經(jīng)過一次吸收，輻射能就按照內(nèi)壁面吸收率的份額被減弱一次，最終能離開小孔的能量微乎其微，可認(rèn)為完全被吸收再空腔內(nèi)。三、輻射力和單色輻射力第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日第十二章輻射換熱熱輻射的基本概念

輻射力是指物體單位表面積上單位時(shí)間內(nèi)向半球空間所有方向發(fā)射的全部波長范圍內(nèi)的總能量，用符號(hào)E表示。若物體的表面積為F，所發(fā)射出去的總能量是Q,則輻射力為：w/m2物體輻射能量按波長的分布是不均勻的。若在波長λ至dλ的波段內(nèi)，輻射的能量為dE則：w/m2

Eλ表示單位時(shí)間內(nèi)，物體在單位面積上向半球空間所有方向發(fā)射的某一特定波長的能量，稱單色輻射力。凡屬黑體的一切量都用E0表示。第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日

前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長；真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；發(fā)射率

(也稱為黑度)

：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:實(shí)際物體的輻射力服從斯蒂芬-玻爾茲曼定律（四次方定律），即

四、發(fā)射率（黑度）第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日(1)普朗克定律式中，λ—

波長，μm；

T

—

絕對(duì)溫度，K；

c1

—

第一輻射常數(shù)，；

c2—

第二輻射常數(shù)，；

§12-2熱輻射的基本定律第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日(2)維恩（位移）定律

維恩位移定律表達(dá)了這種波長極值與熱力學(xué)溫度之間的函數(shù)關(guān)系

第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日(3)斯蒂芬-玻爾茲曼定律

：式中，，是黑體輻射常數(shù)常數(shù)。C0是黑體輻射系數(shù)

，實(shí)際物體的輻射力：發(fā)射率第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日

黑體在半球空間各個(gè)方面上的輻射強(qiáng)度都相等，這個(gè)規(guī)律稱為蘭貝特定律

(4)蘭貝特余弦定律

根據(jù)定向輻射力和定向輻射強(qiáng)度的關(guān)系

定向輻射力的數(shù)值和其與法線間的成角θ有關(guān)，其值正比于該夾角的余弦，且以法線方向的定向輻射力最大實(shí)際物體表面不遵循蘭貝特余弦定律

指物體表面朝向某給定方向，對(duì)垂直于該方向的單位面積，在單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)所發(fā)射的全波長總能量。用符號(hào)I表示第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日第十二章輻射換熱熱輻射的基本概念

(5)基爾霍夫定律

如圖設(shè)有兩個(gè)表面，一個(gè)是黑體，一個(gè)是灰體。兩個(gè)表面互相平行，距離很近，于是從一塊板上發(fā)射的輻射能全部落到另一塊板上。若板1為黑體表面，其輻射力、吸收率、和表面溫度分別為Eo,Ao和T1，板2為灰體表面，其輻射力、吸收率、和表面溫度分別為E,A和T2。第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日第十二章輻射換熱熱輻射的基本概念

五、基爾霍夫定律A(1-A)Eb灰體表面2所放射出來的能量E透射到黑體表面1上時(shí)，全部被黑體所吸收。而黑體表面1反輻射出來的能量Eb透射到灰體2上時(shí)，被灰體表面吸收AEo,而其余部分（1-A)Eo則被反射回到黑體表面1上，并完全被黑體所吸收?；殷w表面吸收的能量是AEo而失去的能量是E，兩者的差額就是兩板間的輻射換熱量q:w/m2當(dāng)溫度相等時(shí)，兩表面處于熱平衡狀態(tài)，q=0，于是得到E=AEo第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日第十二章輻射換熱熱輻射的基本概念

上式可以寫成：推廣到任何物體得到：上式就是基爾霍夫定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。它可以表述為：在熱平衡條件下，任何物體的輻射力與吸收率的比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力。第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日第十二章輻射換熱熱輻射的基本概念

從基爾霍夫定律可以得出如下結(jié)論：1.在同溫度下，物體的輻射力越大，其吸收率就愈大，即善于輻射的物體善于吸收。2.同溫度下黑體的輻射力最大。3.與黑度相比，ε=A.它表明在溫度相等的情況下，物體的黑度恒等于它的吸收率。第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日§12-3物體表面間的輻射換熱（一）角系數(shù)Ψ1，2

有兩個(gè)表面，編號(hào)為1和2，其間充滿透明介質(zhì)，則表面1對(duì)表面2的角系數(shù)X1,2是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1輻射能量的百分比。即同理，也可以定義表面2對(duì)表面1的角系數(shù)。從這個(gè)概念我們可以得出角系數(shù)的應(yīng)用是有一定限制條件的，即漫射面、等溫、物性均勻第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日角系數(shù)的特征

1、角系數(shù)的相對(duì)性

2、角系數(shù)的完整性

3、角系數(shù)的分解性（可加性）

第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日（二）空間熱阻和表面熱阻空間熱阻：由于物體表面尺寸、形狀和相對(duì)位置等的影響，使一物體所輻射的能量不能全部投落到另一個(gè)物體上面而相當(dāng)?shù)臒嶙?。表面熱阻：由于物體表面不是黑體，以至于對(duì)投射來的輻射能不能全部吸收，或它的輻射力不如黑體那么大而相當(dāng)?shù)臒嶙?。第二十九頁，共三十七頁?022年，8月28日（三）任意兩物體表面間的輻射換熱計(jì)算第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日（四）特殊位置兩物體間的輻射換熱計(jì)算1、兩無限大平行平壁間的輻射換熱

特點(diǎn)：所以：第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2、空腔與內(nèi)包壁間的輻射換熱

特點(diǎn)：所以：第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日§12-4

氣體輻射(一)氣體輻射的特點(diǎn)空氣、O2、N2、H2等結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙原子氣體沒有輻射和吸收能力多原子氣體以及結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的雙原子氣體有相當(dāng)?shù)妮椛浔绢I(lǐng)第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日1.氣體輻射對(duì)波長具有強(qiáng)烈的選擇性每一種氣體只有在一定的波長范圍內(nèi)才有輻射和吸收能力O3可以全部吸收波長小于0.3m的紫外線工程燃燒的主要產(chǎn)物CO2、H2O（汽）的光帶均在波長大于2.5m處，各有三條光帶，其中有兩條互相重疊第三十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日吸收：

輻射到氣體層界面上的輻射能在輻射行程中被吸收減弱，減弱的程度取決于輻射強(qiáng)度及途中所遇到的分