熱輻射基礎(chǔ)知識

1、熱輻射基礎(chǔ)知識1林劍啟 編著目錄一熱輻射定義和特點二黑體、白體和透明體三熱輻射四大定律四熱輻射換熱計算六參考資料五輻射傳熱的控制（強化與削弱）2熱輻射定義和特點3熱輻射定義和特點4熱輻射定義和特點圖1-1 電磁波的波譜5黑體、白體和透明體圖2-1 物體對熱輻射的吸收、反射和穿透6黑體、白體和透明體2.黑體：黑體：試驗表明物體的輻射能力與溫度有關(guān)，同一溫度下不同物體的輻射與吸收本領(lǐng)也大不一樣。在探索熱輻射規(guī)律的過程中，黑體（黑體（black body）這種理想物體的概念具有重大意義。黑體，是一個理想化了的物體，它能夠在任何溫度下吸收外來的全部電磁輻射，并且不會有任何的反射與透射。但黑體不見得就是

2、黑色的，它可以放出電磁波，而這些電磁波的波長和能量則全取決于黑體的溫度，不因其他因素而改變。在室溫下，黑體輻射的能量集中在長波電磁輻射和遠紅外波段；當(dāng)黑體溫度到幾百攝氏度之后，黑體開始發(fā)出可見光。以鋼材為例根據(jù)溫度的升高過程，分別變?yōu)榧t色，橙色，黃色，當(dāng)溫度超過1300攝氏度時開始發(fā)白色和藍色。當(dāng)黑體變?yōu)榘咨臅r候，它同時會放出大量的紫外線。黑體的吸收率=1，這意味著黑體能夠全部吸收各種波長的輻射能。盡管在自然界并不存在黑體，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑體的模型。黑體模型的原理如下：取工程材料（它的吸收率必然小于黑體的吸收率）制造一個球殼形的空腔，使空腔壁面保持均勻的溫度，并在空腔上開

3、一個小孔。射入小孔的輻射在空腔內(nèi)要經(jīng)過多次的吸收和反射，而每經(jīng)歷一次吸收，輻射能就按照內(nèi)壁吸收率的大小被減弱一次，最終能離開小孔的能量是微乎其微的，可以認為所投入的輻射完全在空腔內(nèi)部被吸收。所以，就輻射特性而言，小孔具有黑體表面一樣的性質(zhì)。值得指出的是，小孔面積占空腔內(nèi)壁總面積的比值越小，小孔就越接近黑體。若這個比值小于0.6%，當(dāng)內(nèi)壁吸收率為60%時，計算表明，小孔的吸收率可達99.6%。應(yīng)用這種原理建立的黑體模型，在黑體輻射的實驗研究以及為實際物體提供輻射的比較標(biāo)準(zhǔn)等方面都十分有用。7黑體、白體和透明體圖2-2 鏡面反射圖2-2 漫反射8熱輻射四大定律1.基爾霍夫基爾霍夫輻射輻射定律定律人

4、物成就：人物成就：基爾霍夫基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff, 1824-1887），德國物理學(xué)家。電路電路設(shè)計：設(shè)計：1845年，提出基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律（KVL），解決了電器設(shè)計中電路方面的難題。被稱為“電路求解大師”。熱輻射：熱輻射：1859年，基爾霍夫做了用燈焰燒灼食鹽的實驗。在研究過程中，得出了關(guān)于熱輻射的定律，后被稱為基爾霍夫定律（Kirchoffs law）。1862年他又進一步得出絕對黑體的概念。他的熱輻射定律和絕對黑體概念是開辟20世紀(jì)物理學(xué)新紀(jì)元的關(guān)鍵之一。1900年M.普朗克的量子論就發(fā)軔于此。化學(xué)：化學(xué)：在海德堡大學(xué)期間制成

5、光譜儀，與化學(xué)家本生合作創(chuàng)立了光譜化學(xué)分析法（把各種元素放在本生燈上燒灼，發(fā)出波長一定的一些明線光譜，由此可以極靈敏地判斷這種元素的存在），從而發(fā)現(xiàn)了元素銫和銣。科學(xué)家利用光譜化學(xué)分析法，還發(fā)現(xiàn)了鉈、碘等許多種元素。光學(xué)光學(xué)理論：理論：給出了惠更斯-菲涅耳原理的更嚴格的數(shù)學(xué)形式，對德國的理論物理學(xué)的發(fā)展有重大影響。著有數(shù)學(xué)物理學(xué)講義4卷。他還討論了電報信號沿圓形截面導(dǎo)線的擾動。薄板直法線薄板直法線理論：理論：1850年，在柏林大學(xué)執(zhí)教的基爾霍夫發(fā)表了他關(guān)于板的重要論文彈性圓板的平衡與運動（Ueber das Gleichgewicht und die elastischen Scheibe：C

6、redles Journal，Bd.40,S.51-88）。 基爾霍夫的論文指出泊松的錯誤。這就是力學(xué)界著名的基爾霍夫薄板假設(shè)。9熱輻射四大定律10熱輻射四大定律圖3-1 銅和鋁的光譜吸收比與波長關(guān)系 11熱輻射四大定律三三個層次的基爾霍夫定律：個層次的基爾霍夫定律：基爾霍夫定律有三個不同層次上的表達式，其適用條件不同，如表3-1。對大多數(shù)工程計算，主要應(yīng)用“全波段、半球”這一層次上的表達式。層次層次數(shù)學(xué)表達式數(shù)學(xué)表達式成立條件成立條件光譜，定向光譜，半球漫射表面全波段，半球與黑體輻射處于熱平衡或?qū)β冶砻姹?-1 常用材料表面黑度溫室效應(yīng)：溫室效應(yīng)：當(dāng)研究物體表面對太陽能的吸收時，一般不能把

7、物體在常溫下的發(fā)射率作為對太陽能的吸收比。因為太陽輻射中可見光占了近一半能量，而大多數(shù)物體對可見光波的吸收表現(xiàn)出強烈的選擇性。例如各種顏色（包括白色）的油漆，常溫下的發(fā)射率高達0.9，但在可見光范圍內(nèi)，白漆的吸收比僅0.10.2，而黑漆仍在0.9以上。在夏天，人們喜歡穿白色或淺色衣服的理由也在此。在太陽能集熱器的研究中要求集熱器的涂層具有高的對太陽輻射的吸收比，而又希望減少涂層本身的發(fā)射率以減少散熱損失，目前已開發(fā)出的涂層材料的吸收比與發(fā)射率之比可高達810。位于太陽照耀下被玻璃封閉起來的空間，例如小轎車、培養(yǎng)植物的暖房等，其內(nèi)部溫度明顯地高于外界溫度，就是因為玻璃對太陽輻射具有強烈的選擇性吸

8、收的緣故。12熱輻射四大定律圖3-2 玻璃穿透比與波長關(guān)系13熱輻射四大定律14熱輻射四大定律圖3-3 普朗克溫度分布 15熱輻射四大定律3.斯蒂藩斯蒂藩-玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律：人物介紹：人物介紹：斯忒藩斯忒藩（ Josef Stefan，1835-1893） 澳大利亞物理學(xué)家。斯忒藩是斯洛文尼亞人，1879年，他發(fā)現(xiàn)熱體的總輻射和它的絕對溫度的四次方成正比。若溫度提高一倍，輻射率則增加到16倍。這就是斯忒藩的四次方定律，現(xiàn)已證明它在星體演化的研究上具有重大的意義。 1884年，玻耳茲曼指出這條定律可以根據(jù)熱力學(xué)原理推導(dǎo)出來，因此有時稱之為斯忒藩 玻耳茲曼定律。玻爾茲曼玻爾茲曼（Ludwi

9、g Edward Boltzmann，1844-1906），奧地利物理學(xué)家，和哲學(xué)家，是熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)的奠基人之一。作為一名物理學(xué)家，他最偉大的功績是發(fā)展了通過原子的性質(zhì)（例如，原子量，電荷量，結(jié)構(gòu)等等）來解釋和預(yù)測物質(zhì)的物理性質(zhì)（例如，粘性，熱傳導(dǎo)，擴散等等）的統(tǒng)計力學(xué)，并且從統(tǒng)計意義對熱力學(xué)第二定律進行了闡釋。16熱輻射四大定律17熱輻射四大定律18熱輻射四大定律圖3-4 維恩位移定律19熱輻射四大定律維恩位移定律意義：維恩位移定律意義：維恩位移定律說明了一個物體越熱，其輻射譜的波長越短（或者說其輻射譜的頻率越高）。譬如在宇宙中，不同恒星隨表面溫度的不同會顯示出不同的顏色，溫度較高的顯

10、藍色，次之顯白色，瀕臨燃盡而膨脹的紅巨星表面溫度只有2000-3000K，因而顯紅色。太陽的表面溫度是5778K，根據(jù)維恩位移定律計算得的峰值輻射波長則為502nm，這近似處于可見光光譜范圍的中點，為黃光。 與太陽表面相比，通電的白熾燈的溫度要低數(shù)千度，所以白熾燈的輻射光譜偏橙。至于處于“紅熱”狀態(tài)的電爐絲等物體，溫度要更低，所以更加顯紅色。溫度再下降，輻射波長便超出了可見光范圍，進入紅外區(qū)，譬如人體釋放的輻射就主要是紅外線，軍事上使用的紅外線夜視儀就是通過探測這種紅外線來進行“夜視”的。 20熱輻射換熱計算1.熱輻射換熱計算要點：熱輻射換熱計算要點：空氣沒有輻射與吸收的能力，輻射換熱是物體表

11、面與周圍其他固體表面間進行的。使用斯特藩-玻爾茲曼定律來計算輻射傳熱時，僅適用于物體被包圍于大空腔中時的情形。計算輻射換熱量時，要同時考慮輻射出去的熱量和吸收的熱量，它們的差值就是換熱量。物體的表面黑度一般是通過實驗測得的，與周圍環(huán)境條件無關(guān)。計算輻射換熱時，我們一般假設(shè)在穩(wěn)態(tài)條件下計算。2.影響物體表面黑度的因素：影響物體表面黑度的因素：物體黑度取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。不同種類物質(zhì)的黑度顯然是各不相同的。例如，常溫下具有光滑氧化層表皮的鋼板黑度為0.82，而鍍鋅鐵皮的黑度只有0.23。同一物體的黑度又隨溫度而變化，例如嚴重氧化的鋁表面在50和500的溫度下，其黑度分別是0.2和0

12、.3。表面狀況對黑度有很大影響，同一種金屬材料，高度磨光表面的黑度很小，而粗糙表面和受氧化作用后的表面的黑度常常為磨光表面的數(shù)倍。例如，在常溫下無光澤黃銅的黑度為0.22，而磨光后黃銅的黑度只有0.05。因此在選用金屬表面黑度數(shù)值時應(yīng)對表面狀況給予足夠的關(guān)注。大部分非金屬材料的發(fā)射率值都很高，一般在0.850.95之間，且與表面狀況（包括顏色在內(nèi)）的關(guān)系不大。21熱輻射換熱計算表4-1 常用材料表面黑度材料類別和表面狀況溫度 （）黑度 磨光的鉻1500.058鉻鎳合金52 10340.64 0.76灰色、氧化的鉛380.28鍍鋅的鐵皮380.23具有光滑氧化層表皮的鋼板200.82氧化的鋼20

13、0 6000.8磨光的鐵400 10000.14 0.38氧化的鐵125 5250.78 0.82磨光的銅200.03氧化的銅500.6 0.7磨光的黃銅380.05無光澤的黃銅380.22磨光的鋁50 5000.04 0.06嚴重氧化的鋁50 5000.2 0.3磨光的金200 6000.02 0.03磨光的銀200 6000.02 0.03石棉紙40 4000.94 0.93耐火磚500 10000.8 0.9紅磚（粗糙表面）200.88 0.93玻璃38， 850.94木材200.8 0.82碳化硅涂料1010 14000.82 0.92上釉的瓷件200.93油毛氈200.93抹灰的墻2

14、00.94燈黑20 4000.95 0.97鍋爐爐渣0 10000.97 0.70各種顏色的油漆1000.92 0.96雪00.8水（厚度大于0.1mm）0 1000.9622熱輻射換熱計算討論：計算結(jié)果是鋼板單位面積上輻射出去的能量，而不是輻射傳熱量。如果室內(nèi)環(huán)境溫度也是27，那么鋼板的輻射傳熱量是多少呢？討論：處于室溫的房間墻面也會輻射換熱。到底是獲取還是散發(fā)輻射熱量主要取決于人體皮膚溫度和墻面溫度。23熱輻射換熱計算例題例題3：一黑體放置在室溫為27的廠房中。試求在熱平衡條件下黑體表面的輻射力。如將黑體加熱到327，它的輻射力又是多少？24熱輻射換熱計算討論：同一室溫下，冬天的人體散熱量

15、是夏天的3倍多，所以冬天會覺得冷，而夏天由于不能及時散熱而感到熱。一般人體與地板間的導(dǎo)熱量僅占總散熱量的百分之幾，略去不計是可以的。夏天如果人體通過皮膚出汗散熱，其數(shù)量是可觀的，這里沒有考慮這種散熱方式。人們都有這樣的經(jīng)歷，對于相同的室溫，夏天在該室溫的房間里可能仍然覺得熱，而冬天在這樣的房間內(nèi)則還有冷的感覺，這是什么原因呢？例題例題4：計算夏天與冬天站立在室溫同為25的房間內(nèi)的人體與環(huán)境的換熱量差異。人體衣著與皮膚的表面溫度為30，表面發(fā)射率為0.95。夏天室內(nèi)墻面溫度為26，冬天為10。25熱輻射換熱計算例題例題5：如右圖所示，一個研究衛(wèi)星繞地球的近極點的軌道運行，使得衛(wèi)星可以總是受到太陽

16、的直接輻射。為了姿勢控制，衛(wèi)星繞與軌道相一致的軸旋轉(zhuǎn)。衛(wèi)星呈球形，外徑1m，其內(nèi)的各種電子器件的散熱量為1250W。衛(wèi)星的外殼需要維持在265305K的溫度。已知殼體的發(fā)射率為0.75，其溫度均勻。試估算能允許的衛(wèi)星表面對太陽能輻射的吸收率。討論：為使衛(wèi)星表面對太陽輻射的吸收率達到所需的值，可對表面材料敷設(shè)專門的涂層。在太空飛行的物體，輻射是其散熱的唯一方式，所以航天事業(yè)是促進輻射傳熱研究發(fā)展的主要動力之一26輻射傳熱的控制（強化與削弱）表5-1 黑鎳鍍層厚度對輻射特性的影響27輻射傳熱的控制（強化與削弱）圖5-1 電子機箱布置示意圖28輻射傳熱的控制（強化與削弱）2.遮熱遮熱板的應(yīng)用：板的應(yīng)用：汽輪機中用于減少內(nèi)、外套管間輻射傳熱。國產(chǎn)300MW（30萬千瓦）汽輪機高中壓氣缸進汽連接管的大致結(jié)構(gòu)如圖5-2所示。其內(nèi)套管與內(nèi)缸連接，外套管與外缸連接。高溫蒸汽經(jīng)內(nèi)套管流入內(nèi)缸，內(nèi)套管的壁溫較高