传热学第八章 热辐射基本定律和辐射特性

1、掌握热辐射和辐射换热的基本原理及特点；2、掌握黑体、灰体、辐射力、光谱辐射力、有效辐射、投入辐射、吸收比、反射比、穿透比、白体、镜体、透热体、黑度等基本概念；3、掌握黑体辐射的四个基本定律；4、了解气体辐射、太阳辐射和环境辐射的相关概念.基本要求第八章热辐射基本定律和辐射特性§8-1热辐射现象的基本概念§8-2黑体热辐射的基本定律§8-3固体和液体的辐射特性§8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系§8-5太阳与环境辐射+§9-4气体辐射的特点由于太空的超真空环境是天然的热绝缘体，宇航员与太空的热量交换唯一通过辐射散热。人体与墙壁间的传热方式主要是辐射人体辐射散热辐射换热应用背景保温瓶的散热--保温瓶夹层中主要依靠辐射传热太阳能热水器是典型

的利用辐射换热原理传统工业中的辐射换热问题一、几个概念1、热辐射——由于热的原因而产生的电磁波辐射包含在辐射中由物体内部微粒的热运动状态改变激发出的2、热辐射产生条件——3、辐射换热——物体间辐射和吸收的总和4、热辐射电磁波的传播速度：某种电磁波的波长，（常用）频率，

（8-1）§8-1热辐射现象的基本概念二、热辐射在电磁波谱中的位置1、热辐射太阳辐射（主要是可见光0.38~0.76），工业上部分紫外线+全部可见光+大部分红外线2、工业范围内热辐射主要能量集中在的红外线区红外线:，近红外，远红外三、热辐射的吸收、反射、穿透热辐射总能量

穿透反射吸收穿透比反射比吸收比（8-2）是物体表面的辐射特性，与物体的性质(种类)、温度、表面状况、投入辐射的波长分布有关.1、固体和液体不允许热辐射穿透固体：反射

镜面反射:光滑的金属表面、玻璃、塑料等漫反射:（一般工程材料表面形成）粗糙非金属表面

（8-3）分子排列非常紧密，投射辐射能在进入物体很小距离内就被全部吸收.如：金属导体：该距离约为1µm；非导体：1mm.不平整尺寸2、气体对热辐射不能反射（8-4）四、几个名词1、黑体——物体的吸收比

2、镜体——物体的镜面反射比

3、白体——物体的漫反射比4、透明体（透热体）——物体的穿透比

五、黑体的试验模型用吸收比

材料，实现黑体。

实际物体热辐射性能的理想模型白天从远处看房屋的窗户有黑洞洞的感觉黑体表面的辐射属于漫辐射；各方向分布均匀关于物体的颜色我们所看到的物体颜色是由于从该表面发出的单色光线（辐射）投入到了我们的眼睛。而从表面发出的辐射可能是自身发射的，也可能是反射投入其表面上的可见光。如果物体全部吸收各种可见光，它就呈黑色；如果物体全部反射各种可见光，它就呈白色；如果物体只反射了一种波长的可见光，则它就呈现该反射的辐射线的颜色。注意：黑体、白体与黑色物体、白色物体不同颜色是对可见光而言的黑体、白体及透明体都是对全波长而言的，而可见光只占全波长中的一小部分故：物体对外来全波长射线的吸收能力的高低，不能凭物体的颜色来判断，白颜色物体（反射的射线在可见光部分呈白色）不一定是白体；黑颜色物体不一定是黑体例如：雪对可见光是良好的反射体，所以肉眼看到是白色的，但对红外线几乎能全部吸收α=0.985，ε=0.8白布和黑布对可见光吸收率不同，但对红外线的吸收率基本相同玻璃只透过可见光，对λ>3µm的红外线不透明一、辐射力定义：单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有

方向发射出去的全部波长的辐射能的总量.单位：引入光谱辐射力

，单位，为波长显然有§8-2黑体热辐射的基本定律二、黑体辐射的基本定律1、普朗克定律——不同温度的物体，黑体光谱随波长的变化规律其中，第一辐射常量；，第二辐射常量；——波长，——温度，(Planck)辐射力（8-6）显见1）存在2）热辐射只在一定区域（）有意义（热辐射集中在该波长附近）图8-7黑体的光谱辐射力2、维恩位移定律——可见左移在红外线区（工业应用）位于可见光内（太阳辐射）(Wien)又：1）灯光要求为可见光：0.38～0.76则T=3800～7600K(钨的熔点3410℃）2）金属加热时：不变色→暗红→鲜红→橘黄→白织<500℃>1300℃（8-7）例题8-1p3623、斯忒藩-玻耳兹曼定律（俗称四次方定律）——黑体辐射力

其中黑体辐射常数或，（8-5）其中黑体辐射力Eb只与黑体表面温度T有关温度越高，黑体辐射力升高剧烈已知黑体表面面积，可求黑体辐射功率例题8-2（8-8）p3634、兰贝特定律1)立体角定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度或者称为空间度)。图8-9立体角定义图8-122）可见辐射面积是指从空间某方向所看到的表面有效面积。如右图中的可见辐射面积为：dA=dA1cosθdA13）定向辐射强度Ⅰ：

与方向无关b)Eb与Ιb的关系

（8-16）（服从兰贝特定律的辐射，与存在倍数关系）(Lambert)单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量。（8-15b）a)定义：注意：黑体表面为漫辐射表面漫辐射表面：辐射强度在空间各个方向上都相等只有漫辐射表面：Ι是常数试从热辐射观点分析，用电炉来烘烤某一工件，把工件放在电炉的正上方热得快还是放在电炉的边沿热得快？为什么？答：虽然不论是放在上方，还是放在边沿，工件被辐射照射面积相同，所张立体角也相同，但一个是法向，一个是成θ角的偏向，而Φθ=Φncosθ，所以工件放在电炉正上方(即法向)得到的辐射热多，热得快。总结：黑体辐射的总辐射能力由斯蒂芬—玻尔兹定律确定，辐射力E正比于绝对温度的四次方；黑体辐射的能量按波长的分布服从于普朗克定律，而按空间方向的分布服从于兰贝特定律；黑体的单色辐射力有个峰值，与此峰值相对应的波长λm由维恩位移定律确定，即随温度T，λm传热学问题思考三、黑体辐射函数1、实际中常要求

2、黑体辐射函数：则比值关系于是（8-11）表8-1a)

，，则b)则则若，则为热射线范围一、实际固体和液体的辐射1、定义发射率（黑度）

实际物体的辐射力，W/m2黑体的辐射力，W/m2

光谱发射率（单色黑度）

则§8-3固体和液体的辐射特性（8-19）（8-18）（8-17）2、定义定向发射率（定向黑度）实际物体的定向辐射强度不服从兰贝特定律3、发射率大小∵半球平均发射率（平均黑度）

，高度磨光的金属表面，其它一般材料法向发射率

求碳化硅辐射力

分析钨丝发光效率（8-21）表8-2例题8-5例题8-64、影响物体发射率的因素①物质的种类

由大至小排列：②表面温度

有温度范围下的（例：严重氧化的铝，）③表面状况非金属材料：与表面状况关系不大金属材料非金属材料(0.85～0.95)灯黑(>0.95～0.97)水(0.96)金属材料(0.6～0.8)磨光的表面(0.02～0.38)粗糙、氧化的表面(0.6～0.8)一般地表8-2注意：黑度只与发射体有关，与投入辐射无关一、实际物体的吸收比1、光谱吸收比——某特定的投入辐射被吸收的百分数（与温度及波长分布有关）

结论：物体对不同波长

的投入辐射的吸收是有选择性的

投入辐射：单位时间内从外界辐射到物体单位表面积上的能量:w/m2§8-4实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系8-17铜与铝的光谱吸收比与波长的关系结论：物体对不同波长

的辐射吸收是有选择的返回8-182、吸收比——物体对全部波长（）的投入辐射所吸收的百分数若投入辐射来自黑体（）（吸收物体温度），则结论：吸收比不仅与自身表面特性有关还与投入辐射的波长分布有关若投入辐射来自实际物体（），则（8-23b）（8-23a）3、影响物体吸收比的因素1）自身表面性质和温度——，2）投入辐射的波长分布规律——本质原因：物体对不同波长的光谱吸收比不同4、灰体——光谱吸收比与波长无关的物体

常数灰体吸收比与外界条件无关灰体同黑体一样，是一种理想物体

实际物体常可看作灰体的条件：而在此区内近似不变的物体2)对投入的热辐射波长范围具有等的物体1)热辐射能量集中在红外线内，（8-24）几种假想物体假想物体定义αρτ较接近的实物黑体能全部吸收辐射能的物体100表面粗糙红砖白/镜体能全部反射辐射能的物体010表面磨光的铜透热体能透过全部辐射能的物体001单原子/对称双原子气体灰体能以相同的吸收率且部分地吸收0~∞所有波长范围的辐射能的物体1-0一般固、液体例：可看作透热体的是：O2，N2，He，干空气注：α、ρ、τ的影响因素：性质、温度、表面状况、波长（气体）。εεθελεn种类、表面状况、T1，自身因素ααλ种类、表面状况、T1，自身因素，T2二、基尔霍夫定律（辐射ε与吸收α间的关系）εα？物体表面的吸收率α与吸收表面和投射表面的性质、温度都有关；它比发射率（黑度）更复杂如图两相距很近的平板已知：1面为黑体，，，2面为实际物体，，，则辐射换热

（发射为正）

若，则（热平衡）

于是推广这就是基尔霍夫定律

则（8-25b）（8-25a）基尔霍夫定律的叙述：热平衡条件下，任何物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收比

的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。讨论：1）同温度下，物体辐射能力大，则吸收能力亦大（大，则大，善于辐射必善于吸收）2）实际物体，则（黑体辐射力最大）基氏定律另一形式：三、灰体的性质1、比较及常数常数（灰体辐射力与黑体相似）成比例2、

（∵灰体与外界无关，辐射可来自任意温度的物体，不要求是黑体）基氏定律：，而灰体与无关例题8-7p378自学：红外区段可见光区段将木板和铝板同时放在太阳光下，哪个温度高？为什么？P3878-4设炉膛火焰为黑体

8-11§

9-4气体辐射的基本概念一、具有辐射能力的气体1、具有辐射能力的气体1）三原子、多原子和结构不对称的双原子气体，（汽），，…2）含具有辐射能力气体的混合气体例：燃油、煤、天然气等燃烧产物含有、2、不具有辐射能力的气体——分子结构对称的双原子气体：、、，等，认为是透热体

，二、气体辐射区别于固、液体辐射的特点1、对波长具有强烈的选择性——气体不是灰体（在一定情况下固、液体近似不变，认为是灰体）光带——气体有辐射能力的波长区段在光带之外，气体既不辐射也不吸收，对热辐射呈现透明体的性质。2、气体的辐射和吸收在整个容积中进行，又称容积辐射

（固、液体在表面极薄的范围内完成）光谱辐射强度（9-21）行程s时的光谱辐射强度，起始光谱辐射强度，光谱减弱系数，m-1射线程长，m贝尔(Beer)定律光谱穿透比（9-22）1）、穿过气体层的光谱辐射（特定波长、特定方向）图9-28对于光谱辐射，应有基氏定律对于气体：则，气体层的光谱吸收比：于是，气体层的光谱发射率：（9-23）（9-24）2、）气体层的辐射（全部波长）气体发射率：气体吸收比：注意：为什么？三、与气体辐射力有关的因素

（区别于黑体辐射力）1、气体的温度2、辐射行进过程中碰到的气体分子数目～平均射线程长气体压力则，（9-26）图9-29气体对不同地区的辐射图9-30半球内气体对球心的辐射表9-3气体辐射的平均射线行程§8-5太阳辐射和环境辐射色彩名称波长范围紫0.40～0.43微米蓝0.43～0.47微米青0.47～0.50微米绿0.50～0.56微米黄0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米红0.62～0.76微米可见光波长范围一、太阳常数太阳常数（Sc）

太阳常数及变化范围定义：当地球位于日地平均距离时(约为1.496×108km)，在地球大气上界投射到垂直于太阳光线平面上单位面积上的太阳辐射能量。Sc=1367W/m2变化范围：1364W·m-2

～1376W·m-2

我国采用的太阳常数值为1367

W·m-2

。

定义Sm′＝Sm·＝Sm·sinh二、太阳高度角太阳高度角（h）太阳光线与地表水平面之间的夹角。(0°≤h≤90°)

水平面上太阳辐射的计算

Sm和Sm′与h的关系图

水平面上得到的太阳辐射能随着h的增加而增加。影响太阳辐射强度最主要的因素是太阳高度角太阳高度角愈大，等量的太阳辐射散布的面积愈小，地表单位面积上获得的太阳辐射能量愈多。太阳高度角愈大，太阳辐射经过的大气的路程愈短，被大气削弱的愈少，到达地面的太阳辐射就愈多。

可见光区(0.4-0.76μm）能量占总能量的50%，具有光效应，是人类肉眼可见光谱区，也是植物光合作用的有效光谱区。可见光可按波长由长至短分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。太阳辐射的最大波长。

紫外光区（λ<0.4μm）能量占总能量的7%，具有化学效应，全部到达地面有毁灭生物的作用，幸大气中O3层吸收而到达地面的极少，它具有杀菌消毒，促进种子萌发的作用。

红外线区（λ>0.76μm）能量占总能量的43%，具有热效应，起着加热地面、大气、动、植物等物体的作用。三、大气对太阳辐射的减弱太阳辐射在大气中的减弱

1、吸收作用

臭氧、水汽和CO2气体成分强吸收波段弱吸收波段臭氧200~320nm的紫外光600nm的可见光水汽930~1500nm的红外光（三个强吸收带）600~700nm的可见光（三个弱吸收带）减弱方式

主要的吸收成分

各成分的吸收波段

2、散射作用

散射

当太阳辐射通过大气时，遇到大气中的各种质点，太阳辐射能的一部分散向四面八方，称为散射。

3、反射作用

参与反射作用的物质大气中较大的尘粒和云滴、云层。云的反射作用其反射能力随云状、云量和云厚而不同。云量愈多，云层愈厚，反射愈强。云层平均反射率为50%～55%。