传热学：第六章 热辐射及辐射传热
《热辐射及辐射传热》课件
目录
• 热辐射概述 • 辐射传热原理 • 热辐射与辐射传热的关联 • 热辐射与辐射传热的实验研究 • 总结与展望
01
热辐射概述
热辐射的定义
01
热辐射：物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。
02
热辐射与热传导、热对流并列，是热量传递的三种 方式之一。
03
热辐射不需要物体间相互接触，可以在真空中传播 。
能利用等。
热辐射与辐射传热的研究前景展望
新理论和新方法的探索
01
展望未来在热辐射和辐射传热领域的新理论和新方法的研究，
如量子热辐射理论等。
交叉学科的研究
02
强调了热辐射和辐射传热与其他学科交叉研究的可能性，如生
物学中的光合作用过程等。
实际应用的拓展
03
探讨了未来在各领域中热辐射和辐射传热的更多应用，如航天
热辐射的特性
1
热辐射具有光谱性，其电磁波的波长分布与物体 的温度和组成有关。
2
温度越高，热辐射的强度越大，波长越短。
3
热辐射的传播不需要介质，可以在真空中传播。
热辐射的应用
红外线加热
利用红外线波长较长的特性，用于加热物体和烘 干物料。
红外诊断和理疗
利用红外线波长较短的特性，用于诊断疾病和理 疗。
实验原理
热辐射是物体通过电磁波形式传递能量的过程，辐射传热则是通过物体之间的 辐射能量交换实现热量传递。本实验将通过具体实验操作和数据分析，探究热 辐射和辐射传热的规律。
实验设备与实验步骤
实验设备：黑体辐射源、光谱辐射计 、温度传感器、恒温槽、支架、实验
数据处理软件等。
实验步骤
1. 准备实验设备，搭建实验装置；
灯丝热辐射传热
灯丝热辐射传热
灯丝热辐射传热是一种重要的物理现象，它描述了灯丝在工作时如何通过热辐射将热量传递给周围环境。
热辐射是一种电磁波，它不需要介质就能传播，因此即使在真空中，热辐射也能有效地传递热量。
灯丝作为热辐射的源头，其工作原理是电流通过灯丝时，由于电阻的作用，电能转化为热能，使灯丝温度升高。
当灯丝的温度升高到一定程度时，就会开始发射热辐射。
这种热辐射的能量与灯丝的温度有关，温度越高，辐射的能量就越强。
热辐射的传递过程可以看作是一种能量的传播。
当灯丝发射的热辐射接触到周围的物体时，这些物体会吸收部分辐射能量，从而使自己的温度升高。
同时，这些物体也会向周围环境发射热辐射，进一步传递热量。
这种传递方式类似于热传导和对流，但不需要通过介质，因此更为高效。
值得注意的是，灯丝热辐射传热的效率受到多种因素的影响。
例如，灯丝的材料、直径、长度以及电流的大小都会影响其发射热辐射的能力。
此外，周围环境的温度、湿度以及物体的材质和颜色等因素也会影响热辐射的吸收和传递。
总的来说，灯丝热辐射传热是一种重要的物理现象，它在许多领域都有广泛的应用，如照明、加热、热成像等。
深入理解这一现象的原理和影响因素，有助于我们更好地利用和控制热能，推动科技进步和社会发展。
传热学中的对流传热与辐射传热
传热学中的对流传热与辐射传热传热学是热工学的重要分支，研究热量如何通过传导、对流和辐射等方式传递。
在这些传热方式中，对流传热和辐射传热有着不可忽视的作用。
对流传热是指热量通过流体的流动来传递的现象。
它是通过流体和固体之间的接触来传递热量。
在自然对流中，传热主要依靠流体的密度差异和重力作用。
当流体受热而密度减小时，就会上升；当流体冷却而密度增大时，就会下降。
这种上升和下降形成了对流传热的循环。
而在强制对流中，外部的力（如风力或泵力）驱动着流体的运动，使之在固体表面形成对流层。
这种强制对流的传热效果比自然对流更强，更为广泛应用。
例如，在冷却设备中使用的风扇就是通过强制对流来改进换热器的传热性能。
通过对流传热，热量可以在流体中快速传递，而不仅仅是通过热的扩散来实现。
因此，在许多工业和日常生活中的换热设备中，对流传热是非常重要的。
与对流传热不同，辐射传热不需要介质的存在，可以在真空中传递热量。
辐射传热是指物体通过发射和吸收电磁波来传递热量的过程。
它是一种电磁波传热的形式，不依赖于输送热量的物质，因此在真空中也能进行。
辐射传热与温度和表面特性有关。
热辐射的能量主要来自于物体的热辐射率和温度。
热辐射率是描述物体发射和吸收辐射能力的指标，它与物体表面的颜色和质地密切相关。
黑色体是一个完美的辐射体，它具有最大的热辐射率，所以能更有效地吸收和发射热辐射。
辐射传热在很多工业应用中也起着重要的作用。
例如，在太阳能系统中，太阳辐射会直接被太阳能电池板所吸收，并转化为可用的能量。
此外，工业炉中的辐射传热也是通过燃烧产生的热辐射来加热材料。
需要注意的是，对流传热和辐射传热往往同时存在于实际的传热过程中。
在多数情况下，对流和辐射传热是同时共存的。
例如，热水器中，在燃烧室内产生的火焰通过辐射传热作用于传热表面，同时通过对流传热使周围的水受热。
综上所述，传热学中的对流传热和辐射传热在我们的日常生活和工业生产中发挥着重要作用。
通过对流传热，热量可以快速传递，提高换热效率；而辐射传热则可以在无介质的情况下进行热量传递，使得整个传热过程更加灵活。
名师讲义【中国石油大学】传热学第6章-热辐射及辐射传热
2、特点：
①不需要物体直接接触。可在真空中传递(最有效） ②有能量的转化。
辐射：辐射体内热能→辐射能 吸收：辐射能→受射体内热能
③只要 T>0K, 就有能量辐射。高温物体低温物体双 向辐射热能
④物体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比。 ⑤电磁波遵循c =νλ规律
3、电磁波谱
由于起因不同，物体发出电磁波的波长也同。
黑体的辐射能力也最强，ε=1
黑体表面是漫发射表面 自然界中，真正的黑体不存在，但是吸收 能力很强的物体也存在，烟炱和黑丝绒
光谱辐射力Eλ：单位时间内，单位波长范围内
(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球 空间发射的能量，(W/m3)。
dE E d
E、Eλ关系: E 0 E d
dAs=dAcosθ
（2）平面角θ：用圆周角定义θ=l/r
(3)立体角
定义：立体角为一空间角，即被立体角所切割 的球面面积除以球半径的平方称为立体角，单 位： sr( 球面度 ) 。
dAc d 2 r sin d d
(4)定向辐射度Lp： 定义：单位时间内，单位可见辐射面积在 某一方向 p的单位立体角内所发射的总辐射 能（发射辐射和反射辐射），W/(m2.sr)
表面相对位置不同，黑体发出的辐射能落到对方上的
数量是不同的——因为表面是向其上的半球空间发射
的
两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对
位置有很大关系
表面相对位置的影响
a图中两表面无限接近，相互间的换热量最大； b图中两表面位于同一平面上，相互间的辐射换热量为零。
一、角系数 角系数是进行辐射换热计算时空间热 阻的主要组成部分。 角系数：把表面1发出的辐射能中落到 表面 2 上的百分数称为表面 1 对表面 2 的角 系数，记为X1,2。 同理，表面2发出的辐射能中落到表面 2上的百分数称为表面2对表面1的角系数， 记为X2,1。
《传热学第六章》课件
现代
计算机技术和数值模拟方法的兴起为 传热学研究提供了新的手段，推动了
传热学在各领域的广泛应用。
02
热传导
热传导的定义
热传导
是指热量在物体内部通过分子、原子 或其他微观粒子的振动和相互碰撞， 从高温部分传向低温部分的过程。
热传导的基本机制
主要包括分子热运动、热辐射和热对 流。
热传导的定律
傅里叶定律
在单位时间内通过某一截面的热量与该截面 面积及温度梯度成正比。
导热系数
表示材料传导热量的能力，其值越大，导热 性能越好。
热阻
表示热量在传递过程中的阻碍程度，热阻越 大，传热效率越低。
热传导的分类
非稳态热传导
热量传递过程中，物体各点的温度随时间变 化。
稳态热传导
热量传递过程中，物体各点的温度不随时间 变化。
详细描述
强制对流是指流体在外力作用下产生运动，从而与固体表面 进行热量交换；自然对流是指流体由于密度差而产生运动， 从而与固体表面进行热量交换；混合对流则同时存在强制对 流和自然对流。
对流换热的计算方法
总结词
对流换热的计算方法包括牛顿冷却公式、对流换热系数和热平衡方程等。
详细描述
牛顿冷却公式是计算对流换热的基本公式，给出了流体温度、固体表面温度、流体性质和换热系数之间的关系； 对流换热系数是表示流体与固体表面之间热量传递效率的系数，可以通过实验测定或经验公式计算；热平衡方程 则用于描述整个系统在稳态或动态下的热量平衡关系。
辐射换热的定律
总结词
辐射换热遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律、普朗克定律和维恩位移定律。
详细描述
斯蒂芬-玻尔兹曼定律描述了物体发射和吸收辐射的能力与温度的关系，普朗克定律则描述了黑体辐射 的特性，而维恩位移定律则揭示了物体发射的辐射峰值波长与温度之间的关系。这些定律是辐射换热 的基础，为计算提供了重要的理论依据。
传热学名词解释
传热学名词解释一、绪论1．热流量：单位时间内所传递的热量2．热流密度：单位传热面上的热流量3．导热：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠物质微粒(分子、原子或自由电子)的热运动而产生的热能传递，称为导热。
4．对流传热：流体流过固体壁时的热传递过程，就是热对流和导热联合用的热量传递过程，称为表面对流传热，简称对流传热。
5．辐射传热：物体间通过热辐射而进行的热量传递，称辐射传热。
6．总传热过程：热量从温度较高的流体经过固体壁传递给另一侧温度较低流体的过程，称为总传热过程，简称传热过程。
7．对流传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的对流传热量，单位为W／(m2·K)。
对流传热系数表示对流传热能力的大小。
8．辐射传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的辐射传热量，单位为W／(m2·K)。
辐射传热系数表示辐射传热能力的大小。
9．复合传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的复合传热量，单位为W／(m2·K)。
复合传热系数表示复合传热能力的大小。
10．总传热系数：总传热过程中热量传递能力的大小。
数值上表示传热温差为1K时，单位传热面积在单位时间内的传热量。
二、热传导1．温度场：某一瞬间物体内各点温度分布的总称。
一般来说，它是空间坐标和时间坐标的函数。
2．等温面(线)：由物体内温度相同的点所连成的面（或线）。
3．温度梯度：在等温面法线方向上最大温度变化率。
4．热导率：物性参数，热流密度矢量与温度降度的比值，数值上等于1K／m的温度梯度作用下产生的热流密度。
热导率是材料固有的热物理性质，表示物质导热能力的大小。
5．导温系数：材料传播温度变化能力大小的指标。
6．稳态导热：物体中各点温度不随时间而改变的导热过程。
传热学：第六章 热辐射及辐射传热
E
E 0 Ed
Planck基于量子理论得到了黑体的光谱辐射力与
波长的关系
Eb
c15
ec2 (T ) 1
式中， λ— 波长，m ； T — 黑体温度，K ； c1 — 第一辐射常数，3.742×10-16 Wm2； c2 — 第二辐射常数，1.4388×10-2 WK；
❖ （1） 黑体辐射的波谱是连续的 ❖ （2）温度越高，黑体的辐射能力越强
❖ 热射线——由于热的原因而产生的、波长介于 为0.1～100μm的电磁波
❖ 热射线特点： ❖ ——具有电磁波的一般共性，能够以光速传播 ❖ ——电磁波的直线传播、投射、反射、折射等
也都适用于热射线 ❖ ——投射到其他物体表面后能引起明显的热效
应
❖ 6.1.2 辐射传热 ❖ ——不直接接触的物体之间，由于各自辐射和
❖ 可见（有效）辐射面积——是指从空间某个方 位所见到的表面有效面积
❖ 定向辐射（强）度——单位时间内，单位可见辐 射面积向空间某一方向的单位立体角内发出的总 辐射能（发射＋反射）
❖ 用Lp表示，单位是W/(m2.sr)
Lp (
,)
d( ,) dAcos d
❖ 反映了物体向空间不同方向发射辐射能的强度 ❖ 因定向辐射强度永远和空间特定方向联系在一起
1
吸收比、反射比和透射比属于物体的辐射特性， 取决于物体的种类、温度和表面状况，一般是波 长的函数
❖ 说明1：绝大多数固体和液体是不透明的 ❖ 因为辐射能进入固体和液体表面后，在极短的距
离内就被吸收完 ❖ 例如对金属导体，这个距离只有1μm的数量级，
对于大多数的非导电材料，这个距离也小于1mm
❖ 用“E”表示，W/m2 ❖ 辐射力表述了物体在一定温度下发射辐射能本
传热学第六章辐射换热计算
2021/10/20
第六章 辐射换热计算
13
一、两个黑体表面之间的辐射换热计算 二、三个黑体表面之间的辐射换热计算
2021/10/20
第六章 辐射换热计算
14
一、两个黑体表面之间的辐射换热计算
2021/10/20
第六章 辐射换热计算
4
角系数Xi，j：对于两个任意位置的表面i、 j，离开表面i的总辐射能中直接投射到表面j 上的份额,称为表面i对表面j的角系数。
Xi，j中角标i、j表示表面i是发射辐射的 表面，表面j是接受辐射的表面。
如X1，2表示表面1对表面2的角系数 离开表面i的总能量包含本身辐射与对 外来投入辐射的反射辐射。
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第六章 辐射换热计算
11
X
1,
2
X 1,3
1
X 2,1 X 2,3 1
X
3,1
X 3,2
1
A1
X
1,2
A2 X 2,1
A2 X 2,3 A3 X 3,2
A1
X
1,3
A3 X 3,1
由六个方程，即能解出六个待定的角系数
X 1,2
A1
A2 2 A1
A3
X 1,3
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第六章 辐射换热计算
32
一、遮热板原理
在两个表面积A1
＝ A2 ＝ A 的 平 行 平 板
ε3,T3 ,ε3′
之 间 插 入 一 面 积 A3=A
的遮热板3，板3很薄，T1,ε1
T2,ε2
热导率大，认为两侧
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本章总说明
❖ 物体的辐射特性包含发射特性和吸收特性 ❖ 课程中提到的温度包括两个： ❖ （1）工业高温，小于2000K——红外辐射 ❖ （2）太阳高温，近6000K——太阳辐射
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射
❖ 辐射——物体向外界以电磁波的方式发射携带 能量的粒子的过程
❖ 宏观－辐射是连续的电磁波传递能量的过程 ❖ 微观－辐射是不连续的光子传递能量的过程 ❖ 电磁波的本质是具有一定能量的光子(粒子)，
❖ 引入立体角的目的是衡量表面辐射的方向特性 ❖ 表面在半球空间辐射的能量按不同方向分布的规
律只有对不同方位中相同的立体角来比较才有意 义
❖空间方位不同，可 以见到的辐射面积是 不同的
❖——表面的法线方 向最大
❖——切线方向最小，为零
❖ 表面在半球空间辐射的能量按不同方向分布的规 律只有在相同的辐射面积下来比较才有意义
❖ 几何上，“角”反映了在空间某一方向所占区域 的大小
❖ 平面几何中，用平面角表示在平面上所占区域的 大小
❖ 单位“弧度”
❖ 类似地，为了表示物体在三维空间中某一方向所 占空间的大小，引入“立体角”的概念
❖ 立体角（solid angle）：球面面积As与球面半径 r2之比
❖ 单位：sr
As r2
❖ 波长不同，特性不同：
❖ ——短波的γ射线、X射线等，高能物理学家和
核工程师更感兴趣 ❖ ——波长在1mm－1m的电磁波称为微波，能穿
透塑料、陶瓷和玻璃等，但会被水等极性分子 吸收而产生内热源——微波炉的原理 ❖ ——波长大于1米的电磁波主要用于无线电技术 中 ❖ 热辐射中发出的电磁波通常称为热射线，本质 上也是电磁波
❖ 用“E”表示，W/m2 ❖ 辐射力表述了物体在一定温度下发射辐射能本
领的大小 ❖ 强调的是半球空间，尽其所能
❖ 任意微元表面都将整个空 间划分为对称的两部分： 表面之上与表面之下
❖ 每一部分都对应着半球空间
❖ 微元表面向其上的半球空 间发射辐射能
❖ 微元表面也接受来自该半 球空间的辐射能
光谱辐射力——物体在单位时间内、单位表面积
，可省略“定向”二字
6.1.4 理想辐射体／物体对投射辐射的反应
❖ 热辐射能投射到物体表面的反射现象和可见光 一样，也有镜面反射和漫反射之分
❖ 取决于表面的粗糙程度——相对于热辐射的波 长而言
❖ 热射线——由于热的原因而产生的、波长介于 为0.1～100μm的电磁波
❖ 热射线特点： ❖ ——具有电磁波的一般共性，能够以光速传播 ❖ ——电磁波的直线传播、投射、反射、折射等
也都适用于热射线 ❖ ——投射到其他物体表面后能引起明显的热效
应
❖ 6.1.2 辐射传热 ❖ ——不直接接触的物体之间，由于各自辐射和
向其周围半球空间各个方向发射的某一特定波长
的能量
E
lim
0ห้องสมุดไป่ตู้
E
E Ed 0
定向辐射强度
❖ 热辐射研究的复杂性有两个方面 ❖ ——光谱特性：辐射的强弱随波长而变化，通
过光谱辐射力来描述 ❖ ——方向特性：表面在不同方向上辐射能力是
有差别的，如何衡量发射辐射在空间上的差别 呢？ ❖ 引入定向辐射强度的概念
吸收的综合结果所产生的热量传递现象称为辐 射换热 ❖ 辐射换热特点： ❖ （1）物体间不需要其他介质存在，真空中效 率最高 ❖ （2）伴随着能量形式的转换：内能－辐射能 －内能
6.1.3 辐射力与辐射强度／辐射力
❖ 辐射力——物体在单位时间内、单位表面积向 其上的半球空间的所有方向辐射出去的全部波 长（0～∞波长范围内）的能量
❖ 可见（有效）辐射面积——是指从空间某个方 位所见到的表面有效面积
❖ 定向辐射（强）度——单位时间内，单位可见辐 射面积向空间某一方向的单位立体角内发出的总 辐射能（发射＋反射）
❖ 用Lp表示，单位是W/(m2.sr)
Lp (
,)
d( ,) dAcos d
❖ 反映了物体向空间不同方向发射辐射能的强度 ❖ 因定向辐射强度永远和空间特定方向联系在一起
——与此同时，物体又在每时每刻接受其它物体 以热辐射的方式向它辐射的能量
辐射传热问题在工程领域和科学研究中普遍存在
例如在高温加热和燃烧、红外干燥、红外测 试、卫星、航天航空及太阳能利用等领域都占有 主导地位
对石油工程而言热辐射理论的重要性要低一 些
本章思路
❖ 1 辐射的基本概念 ❖ 2 理想辐射体－黑体 ❖ ——黑体的辐射特性 ❖ ——黑体间的辐射传热计算 ❖ 3 实际物体的辐射 ❖ ——实际物体的辐射和吸收特性 ❖ ——实际物体（灰体）辐射传热的计算
d
dAs r2
❖ 辐射通常用到半球空间， 半球空间的几何方位用球 坐标系更方便
❖ —用φ表示经度角（ azimuthal angle）
❖ —用θ表示纬度角（ latitudinal angle）
❖ 微元立体角与半球空间几何参数间的关系
❖ 微元立体角，与半径无关
d
dAs r2
sindd
❖ 半球空间的立体角为2π sr
第6章 热辐射及辐射 传热
❖ 看一下书上例题6-7，6-10 ❖ 思考题：2，13，40，41，37 ❖ 作业题：6-3，6-6，6-11，6-13，6-14，6-
18，6-22，6-25
★热辐射是热量传递的三种基本方式之一 ★辐射传热是物体之间以热辐射方式进行热量交 换的总的效果
——任何温度高于OK的物体，每时每刻都在以热 辐射的方式向外界辐射能量
❖ 工业温度范围（2000K）内，有实际意义的热 辐射位于0.8～100μm之间，且大部分能量集中 在红外区段0.76～20μm范围内，可见光区域（ 0.38～0.76μm ）所占比重不大——红外辐射
❖ 太阳辐射（温度约为5800K）能量集中在0.2－ 2μm的波长范围，其中可见光区段占很大比重 ——可见光辐射
辐射粒子所携带的能量，称为辐射能
❖ 物质会因受到各种不同方式的作用（激励）而 发射电磁波
❖ 热辐射：由于物体内部热运动状态的改变而将 部分内能转化成电磁波而发射出去的过程；或 者说，辐射能是由与温度有关的内能转化而来 的
❖ 能够发射热辐射是自然界中物体的特性之一 ❖ 在传热学中只研究热辐射
❖ 电磁波通常是以波长或频率来识别的 ❖ 起因不同，波长不同、名称不同