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，實際物體的輻射特性及基耳霍夫定律；輻射換熱的強化與削弱。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。自然界中各個物體不停地向空間發(fā)出熱輻射，同時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：由熱運動產(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）存在熱動平衡（吸收和發(fā)射）；4）在高溫時更加重要，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: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，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，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，即海水對不同的波長的可見光吸收率不同，對藍(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，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的物體稱為絕對黑體（簡稱黑體）；把反射率R=1的物體稱為鏡體，或絕對白體；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)過小孔射進空腔時，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，包括所有方向和所有波長；真實物體表面的發(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，實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:實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方面上的輻射強度都相等，這個規(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，對垂直于該方向的單位面積，在單位時間、單位立體角內(nèi)所發(fā)射的全波長總能量。用符號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)有兩個表面，一個是黑體，一個是灰體。兩個表面互相平行，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，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，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，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

有兩個表面，編號為1和2，其間充滿透明介質(zhì)，則表面1對表面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對表面1的角系數(shù)。從這個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)臒嶙琛５诙彭?，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算1、兩無限大平行平壁間的輻射換熱

特點：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：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)氣體輻射的特點空氣、O2、N2、H2等結(jié)構(gòu)對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.氣體輻射對波長具有強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度及途中所遇到的分