西安交大热工基础第12章 辐射换热2
热工基础(机械)第12章
（9） ）
可推得
1 1 m= + qm 2 c p 2 qm1c p1 = 1
φ
′ ′ [(t1′ − t2 ) − (t1′′ − t2′)] =
∆t ′ − ∆t ′′
φ
（10） ）
将（10）代入（9），得 ）代入（ ），得 ），
令
称对数平均温差。 ， 称对数平均温差。 （顺逆流均适用） 顺逆流均适用）
12－2 传热的增强和削弱 － 一、强化传热 ——应用热力学原理采取相应的措施增 应用热力学原理采取相应的措施增 强传热效果。 强传热效果。
措施： 措施： • 增大传热温差； 增大传热温差； • 减小传热总热阻（包括增大传热面积） 减小传热总热阻（包括增大传热面积）
因为传热总热阻为串联热路总热阻，其中局部热阻 因为传热总热阻为串联热路总热阻， 最大处就成为了传热过程的瓶颈， 最大处就成为了传热过程的瓶颈，因此应设法减小 瓶颈热阻。 瓶颈热阻。 • 在表面传热系数较小的一侧采用肋壁（增大传热面 在表面传热系数较小的一侧采用肋壁（ ），可以减 该处的局部热阻， 可以减小 积），可以减小该处的局部热阻，从而减小传热总 热阻。 热阻。
—— Am2 面积传热总热阻。 面积传热总热阻。 对多层平壁： 对多层平壁：
影响因素： 影响因素： 两流体的物性、流动情况、温度、 两流体的物性、流动情况、温度、固体壁 的形状、物性、厚度等 的形状、物性、厚度等。 2. 通过圆筒壁的传热 热阻网络图： 热阻网络图：
对多层圆筒壁： 对多层圆筒壁：
分析： 分析： ∵ 换热器只能采用逆流布置。 ∴ 换热器只能采用逆流布置。
作业: 12.1, 12.5, 12.9
1 1 m= + qm 2 c p 2 qm1c p1
《热工基础及应用》第3版知识点汇总
《热工基础及应用》第3版知识点第一章 热能转换的基本概念本章要求：1.掌握研究热能转换所涉及的基本概念和术语；2.掌握状态参数及可逆过程的体积变化功和热量的计算；3.掌握循环的分类与不同循环的热力学指标。
知识点：1.热力系统：根据研究问题的需要和某种研究目的，人为划定的一定范围内的研究对象称为热力系统，简称热力系或系统。
热力系可以按热力系与外界的物质和能量交换情况进行分类。
2.工质：用来实现能量相互转换的媒介物质称为工质。
3.热力状态：热力系在某瞬时所呈现的宏观物理状态称为热力状态。
对于热力学而言，有意义的是平衡状态。
其实现条件是：0,0,0p T μ∆=∆=∆=。
4. 状态参数和基本状态参数：描述系统状态的宏观物理量称为热力状态参数，简称状态参数。
状态参数可按与系统所含工质多少有关与否分为广延量（尺度量）参数和强度量状态参数；按是否可直接测量可分为基本和非基本状态参数。
5. 准平衡（准静态）过程和可逆过程：准平衡过程是基于对热力过程的描述而提出的。
实现准平衡过程的条件是推动过程进行的不平衡势差要无限小，即0p ∆→，0T ∆→（0μ∆→）。
6、热力循环：为了实现连续的能量转换，就必须实施热力循环，即封闭的热力过程。
热力循环按照不同的方法可以分为：可逆循环和不可逆循环；动力循环（正循环）和制冷（热）循环（逆循环）等。
动力循环的能量利用率的热力指标是热效率：0=t H W Q η；制冷循环能量利用率的热力学指标是制冷系数：L 0=Q W ε。
第二章 热力学第一定律本章要求：1. 深入理解热力学第一定律的实质；2. 熟练掌握热力学第一定律的闭口系统和稳定流动系统的能量方程。
知识点：1. 热力学第一定律：是能量转换与守恒定律在涉及热现象的能量转换过程中的应用。
热力学第一定律揭示了能量在传递和转换过程中数量守恒这一实质。
2. 闭口系统的热力学第一定律表达式，即热力学第一定律基本表达式：Q U W =∆+。
热工基础11-12章部分参考答案及例题
第十一章 辐射换热补充例题： 一电炉的电功率为1kW ，炉丝温度847℃，直径为1mm ，电炉的效率（辐射功率与电功率之比）为0.96。
试确定所需炉丝的最短长度。
若炉丝的发射率为0.95，则炉丝的长度又是多少？解：∵ 96.0=W AE b ∴ W T C l r o 96.010024=⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅πm T C d W l 425.32.1167.5001.0100096.010096.04401=⨯⨯⨯⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=ππm 425.3=若 95.0=ε，96.0=W E A b ε；m l l 601.395.0425.395.012===11.7 用热电偶温度计测得炉膛内烟气的温度为800℃，炉墙温度为600℃。
若热电偶表面与烟气的对流换热系数h =50W/(m 2·℃)，热电偶表面的发射率为0.8，试求烟气的真实温度。
已知：t 1 = 800℃，t w = 600℃, h =50 W/（m 2.℃），ε1= 0.8 求：t f =？解：本题可由热平衡法求解。
热辐射： ∵ A 1<<A 2 ∴ )(441111wb T T A -=σεφ 对流换热： )(112T T hA f -=φ 在稳态下： 21φφ=∴ 6.14756.1748)(44111==-+=K T T hT T w b f σε℃为减少测量误差，可利用以下措施：① 减少ε1（采用磨光热电偶表面的方法，但往往由于生锈和污染而降低效果）；② 提高接点处的h 值（可采用抽气装置来加大流速）； ③ 管外敷以绝热层，使T w ↑； ④ 加设遮热罩（遮热罩两端是空的，使废气能与接点接触）。
接点与壁面之间有辐射换热，其辐射换热量即为接点的热损失，这一损失，应通过废气对接点的对流换热进行补偿。
第十二章 传热过程和换热器热计算基础12.1 冬季室内空气温度t f 1=20℃，室外大气温度t f 2=―10℃，室内空气与壁面的对流换热系数h 1=8W/(m 2·℃)，室外壁面与大气的对流换热系数h 2=20W/(m 2·℃)，已知室内空气的结露温度t d =14℃，若墙壁由λ=0.6W/(m ·℃) 的红砖砌成，为了防止墙壁内表面结露，该墙的厚度至少应为多少？解：传热问题热阻网络：热流密度 2121212111h h t t R R R t t q f f C C f f ++-=++-=λδλ （1）若墙壁内壁面温度t =t d =14℃时会结露，由于串联热路中q 处处相等，所以 2212211h t t R R t t q f w C f w +-=+-=λδλ （2）（1）、（2）联立求解，可求得q 和墙的厚度δ。
辐射换热
（三）多个灰体表面组成的封闭系统的辐射换热
对节点1：
Eb1 J1
1ε 1 ε 1 A1
J 2 J1
1 A1 X1, 2
J 3 J1
1 A1 X1, 3
0
对节点2：
Eb 2 J 2
1ε 2 ε 2 A2
J1 J 2
1 A1 X 1, 2
J3 J 2
1 A2 X 2 , 3
解：对于如图所示的表面1和表面2，补充表面A和表面B。1.5m a 对于表面B和表面（1+A）： 1.5, b 1.0, c 2.0 ,从而有
X B,(1 A) 0.27
2
1m 1m 1m
对于表面B和表面A：a 1.5, b 1.0, c 1.0
X B, A 0.23
热工基础与应用
第四章
第四节
辐射换热
由于热原因而产生的电磁波辐射。
一、辐射换热的基本概念
热辐射：
辐射换热：
物体间相互辐射和吸收的总效果。
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热工基础与应用
第四章
Q Q Q Q
吸收比α、反射比ρ和穿透比τ: 1 固体、液体： 1 气 体： ρ 0, α τ 1
B A
1
m
1m
a 对于表面(B+2)和表面(A+1)： 1.5, b 1.0, c 2.0
X ( B20,( A1) 0.23
例8 图
对于表面(B+2)和表面A： a 1.5, b 1.0, c 2.0
X ( B2), A 0.14
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15 传热学1-辐射换热2-动力工程
第七章
辐射换热计算
Radiation Heat Transfer
7-1 角系数的定义、性质及计算
自然界中不存在灰体，它是一种假想的物体
实际物体在红外波长 范围内可近似看作灰 体（在工业高温条件 下，多数材料热辐射 处于红外线）
const const
黑度取决于物体本身的条件：种类、表面状况和温度
实际物体的辐射力：
E Eb bT 4
W m2
2、定向发射率 和漫辐射表面
实际物体不是漫辐射表面：各方向上辐射强度不相等
全波长的能量
I ( ) d( ) (dA1 cos )dΩ
辐射力(E)
辐射力：发射体每单位面积、在单位时间、向半球 空间所发射的全波长能量
E 02 I ( ) cos dΩ
定向辐射力：发射体的单位面积、在单位时间内、 向某个方向单位立体角内发射的辐射能
E
d( )
dA1 dΩ
dE dΩ
I ( ) dA1 cos dΩ
天顶角
是dA1平面的法线 与微元束中心轴的 夹角
圆周角 是微元束中心轴在 基圆上的投影线与 x 轴的夹角
立体角：用给 定方向上半球面 被立体角所切割 的 面 积 dA2 除 以 半径的平方
dΩ
dA2 r2
辐射强度(I)：(或定向辐射强度)
辐射强度：朝着某给定方向、垂直于该方向的单
位投影面积在单位时间、向单位立体角内所发射的
dA1 dΩ
I ( ) cos
6-3 实际物体的辐射特性
一、实际物体的辐射特性
1、光谱发射率 和灰体表面
实际物体的光谱辐射力 E 随波长和温度的变化是不 规则的，与黑体的 Eb 有区别
相同条件下： E < Eb
《传热学辐射换热》PPT课件
对于凹面：
Fii 0
31
(3) 完整性
对于有n个外表组成的封闭系统，据能量守恒可得:
Q i Q i 1 Q i 2 Q i i Q i N
Q i1Q i2 Q ii Q iN 1
Q i Q i
Q i
Q i
N
F ij F i1 F i2 F ii F iN 1
即
G G
所吸收的波长为的投射辐射，w/m2 波长为的投射辐射，w/m2
1G G 10
E d ,T1 ,T2 b,T2
E d 0 ,T2 b,T2
?
黑体
1
E d 0 ,T1 b,T2 T24
?
24
基尔霍夫定律 〔吸收率与辐射率之间的关系〕
1859年，Kirchhoff 用热力学方法答复了这个问题，从而提出了 Kirchhoff 定律。最简单的推导是用两块无限大平物体，参数分别为Eb, T1 以 及E, , T2，那么当系统处于热平衡时，有
QEAJA 1
因为： E Eb 所以有：QEb1AJAE1bJ
A
外表辐射 热阻
35
5.1 辐射换热热阻
〔2〕空间辐射热阻
Eb Eb
J JJ1 J1
J2 J2
1 1 A A
11 A1F12 A1F12
物体外表1辐射到外表2的辐射能为
Q 12J1A 1F 12
物体外表2辐射到外表1的辐射能为
Q 21 J2A 2F 21
右图是根据上式描绘的黑体单色辐 射力随波长和温度的关系。
m与T 的关系由Wien偏移定律给
出 m T 2 .8 9 6 1 0 3m K
到达最大单色辐射力时的波长
西安交通大学 “热工基础”课程教学大纲
西安交通大学“热工基础”课程教学大纲英文名称：FUNDAMENTS OF THERMODYNAMICS AND HEAT TRANSFER课程编码：ENPO2103学时： 48 学分：2.5适用对象：机械工程与自动化、材料科学与工程、飞行器设计与工程、飞行器制造工程和工程力学等本科生 先修课程：高等数学，大学物理使用教材及参考书：教材《热工基础与应用》(第二版) 傅秦生 赵小明 唐桂华. 北京：机械工业出版社，2007参考书《热工基础》 张学学，李桂馥. 北京：高等教育出版社 2000《传热学》（第四版） 杨世铭 陶文铨. 北京：高等教育出版社 2006《工程热力学》 刘桂玉 刘志刚 阴建民 何雅玲. 北京：高等教育出版社 1998一、课程性质、目的及任务热工基础是讲授热能与机械能相互转换基本理论和热量传递规律，以提高热能利用完善程度的一门技术基础课，是机械学院机械工程与自动化专业、材料学院材料科学与工程专业、航空航天学院飞行器设计与工程专业、飞行器制造工程专业和建力学院工程力学等专业的一门必修课程。
本课程为学生学习有关专业课程和将来解决热工领域的工程技术问题奠定坚实的基础,如：热能和机械能的相互转换，热量传递，温度场和材料热应力分析，耗散结构和有关本构结构、热力耦合问题的解决等。
通过本课程学习，应该使学生掌握包括热力学和传热学两方面的热工理论知识，获得有关热科学的基本计算训练和解决有关热工工程问题的基本能力。
同时还应为学生对热学科的建模和问题的处理奠定基础。
二、教学基本要求1．掌握热能和机械能相互转换的基本规律，以解决工程实际中有关热能和机械能相互转换的能量分析计算和不可逆分析计算；2．掌握包括理想气体、蒸气和湿空气在内的常用工质的物性特点，能熟练应用常用工质的物性公式和图表进行物性计算；3．掌握不同工质热力过程的基本分析方法，能对工程热力过程进行计算，具有解决实际工程中有关热能转换的能量分析和计算能力；4．掌握包括导热、对流换热、辐射换热三种热量传递方式的机理，进而掌握热量传递的基本规律和基本理论；5．能对较简单的工程传热问题进行分析和计算，具有解决较简单的传热问题，尤其解决是与力学分析有关的传热问题的能力；三、教学内容及要求第一章能源概论1.内容: 能源和热能利用的基本知识：本学科研究对象，主要内容和方法。
考研833热工基础之传热简答题整理
传热简答题整理林夕第0章：绪论1.传热学的分析方法？答：实验测定、理论分析和数值模拟。
第1章：导论1.热水瓶的保温原理？答：真空消除了对流和导热，渡银面降低了辐射传热。
第2章：热传导引论1.测热导率的方法？(q=kAΔT/L)答：①稳态法：热流计法，防护热板法，圆管法。
②非稳态法：热线法，闪光法。
（1）热流计法（2）防护热板法（3）圆管法注：最后一个为热导率极低的测量方法，不能用（2）的原因：注：应该是沿径向一维导热，轴向热损会很显著。
第3章：一维、稳态热传导第4章：二维稳态导热第5章：瞬态导热1.毕渥数的物理意义，说明Bi->0，Bi->∞代表什么？是否当Bi->0时边界绝热？答：Bi=hL/k=(L/k)/(1/h)，固体内热阻与边界层热阻之比。
①Bi->0时，1/h>>L/k，即相对于表面对流换热热阻，固体内部热阻几乎可以忽略不计。
②Bi->∞时，1/h<<L/k，即相对于固体内部热阻，表面对流换热热阻几乎可以忽略不计。
不赞成边界绝热观点。
第6章：对流导论1.测对流系数的方法？(q=hA(Ts-T∞))答：①稳态法：直接法。
②非稳态法：集总热容法。
（1）直接法（2）集总热容法2.模型与原设备（同类）现象相似的条件？答：单值性条件相似，同名已定准则相等。
注：3.传热学对流与流体力学对流的区别？答：①传热学对流：当一个表面和一种运动的流体处于不同温度时，他们之间发生的传热称为对流。
②流体力学对流：对流过程指流体处于宏观流动状态下，控制体V中c（流体单位体积中携带的物理量，如密度、热量、污染浓度等）的总量因对流而发生变化。
第7章：外部流动第8章：内部流动第9章：自然对流第10章：沸腾和凝结1.在设计冷凝器时，采用水平管好还是垂直管好？为什么？答：采用水平管好。
凝结液是一个热阻，水平管1在重力方向上尺寸很短，而垂直管在重力方向上尺寸长。
因此，在相同条件下采用水平管，表面形成的液膜更薄，传热效果更好。
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Pr
0.674 0.678 0.687 0.699
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热工基础
Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
第十二章作业
12-1, 12- 2, 12- 3, 12-4
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1 q q 1, 2 2
' 1, 2
则
q1, 2
Eb1 Eb 2 1 1 1
1
2
如何进一步提高遮热板的遮热效果？
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Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
在稳态条件下
q1,3 s ( Eb1 Eb3 ) 1 q3, 2 s ( Eb3 Eb 2 ) q1, 2 2 s ( Eb1 Eb 2 ) q1, 2 q1,3 q3,2
3
有效辐射与表面净辐射换热量之间的关系
1,2 A1J1 X1,2 A2 J 2 X 2,1
J E G Eb G
外 内
q1 J1 G1
q1 1Eb1 1G1
J1 Eb1 (
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1
1
1)q1
假定出去为 “ + ”
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Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
把这两个式子与电学中的欧姆定律比较：
• 相当于电流强度，是过 程中传递的量 • （ Eb-J ）、（ J1－ J2 ）相当 于电压，是过程进行的驱 动力； Eb相当于源电势、 J 相当于节点电势
Eb J Φ 1 A
Φ1, 2
J1 J 2 1 A1 X 1, 2
1 1 • 、 相当于 A A1 X 1, 2
• 改变表面发射率首先应改变对辐射换热影 响最大的表面的发射率
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Fundamentals of Thermodynamics and 1 Eb 2 1 1 1 1 2 A1 1 A1 X 1, 2 A2 2
1, 2 1 A 1 Eb1 Eb 2
2 改变换热表面间的角系数
3 利用遮热板 thermal radiation shield
• 这是综合、有效的方法 • 重点内容！
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Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
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Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
例题：在金属铸型中铸造镍铬合金板铸件。由于铸件凝固
收缩和铸型受热膨胀，铸件与铸型间形成厚1mm的空气隙。 已知气隙两侧铸型和铸件的温度分别为300℃和600℃，铸型 和铸件的表面发射率分别为0.8和0.67，不考虑对流，试求 通过气隙的热流密度。 附注： (1)空气的物性参数
1 3
J3
J2
1 X 2,3
Eb 2
1 2
1
3
3
2
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' 1, 2
Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
q
Eb1 Eb 2 1 1 2 2
1
2
3
假定
1 2 3
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Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
五、 黑体表面间的辐射换热
如图，垂直于纸面方向无限长
假定出去为 “ + ”
1,2 A1Eb1 X1,2 A2 Eb2 X 2,1
A1 X 1, 2 Eb1 Eb 2 A2 X 2,1 Eb1 Eb 2
关键！
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Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
六、 灰体表面间的辐射换热
以表面1为研究对象 • 投入到表面1上的辐射能 • 从表面1上出去的辐射能
12
1
T1
2
T2
1
投入辐射 G
• 单位时间内从外界投射到单位表面 积上的总辐射能 • 单位：W/m2
Eb1 Eb 2 A1 X 1, 2 Eb1 Eb 2 1 A1 X 1, 2
1, 2
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• 几种特殊情形 表面积A1与表 面积A2相当且 无限靠近
A( Eb1 Eb 2 ) 1, 2 1 1 1 1 2
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Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
2
有效辐射 J
• 单位时间内从离开表面的单位表面 积上的总辐射能
• 单位：W/m2
1,2 A1J1 X1,2 A2 J 2 X 2,1
关键！
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七、 辐射换热的强化与削弱
由于工程上的需求，经常需要强化或削弱辐射 换热。 （一） 措施或方法
1 改变换热表面的发射率或吸收比 • 改变表面辐射热阻
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热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
（1）保温瓶胆镀银 （2）户外变压器涂浅色油漆 （3）空调室外机的颜色 （4）夏季冬季服饰颜色
t ℃ kg m 3
300 400 500 600 0.615 0.524 0.456 0.404
102 [W / (m K)] 106 (Pa s) v 10 6 (m2 s)
4.60 5.21 5.74 6.22 29.7 33.0 36.2 39.1 48.33 63.09 79.38 96.89
1
2
1
2
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热工基础
Eb1
Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
J1
1 1
1 X 1, 2
J2
1 2
Eb 2
1
2
如果插入一块无限大薄金属 板，那么
Eb1
1 1
J1
1 X 1,3
J3
1 3
Eb 3
电阻
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Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
Eb J Φ 1 A
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Φ1, 2
J1 J 2 1 A1 X 1, 2
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热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
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热工基础
Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
表面积A2比表面 积A1大很多且表 面1为非凹表面
1,2 1 A1 (Eb1 Eb2 )
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Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
5 两漫灰表面封闭系统辐射网络图
1, 2
Eb1 Eb 2 1 1 1 1 2 1 A1 A1 X 1, 2 2 A2
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Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
1, 2
Eb1 Eb 2 1 1 1 1 2 1 A1 A1 X 1, 2 2 A2
（二） 遮热板的工作原理及应用
1 遮热板的工作原理
1, 2 Eb1 Eb 2 1 1 1 1 2 A1 1 A1 X 1, 2 A2 2
12
1
T1
2
T2
q1, 2
Eb1 Eb 2 Eb1 Eb 2 1 1 1 2 1 1 1 1
可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量 减小了一半。
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Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer
2 遮热板的应用
• 遮热罩式热电偶 • 窗帘 • 阿拉伯长袍的秘密
穿行沙漠最凉爽的服装 /view.jsp?oid=8367254 阿拉伯长袍历经数千载而不衰，与阿拉伯人赖以生存的自然环境有关。一些自然 探险家曾在阿拉伯沙漠腹地做过试验，在相同温度下，穿西服或衬衫的人大汗淋漓、 气喘嘘嘘，穿长袍的人则泰然自若、气定神闲。原来， 长袍把身体全部遮住，阻挡了 日光的直接照射，同时，外面的风吹入袍内，上下流动形成一个通风管，把身体的湿 气和热气一扫而去，使人感到凉爽舒适。
4 表面辐射热阻和空间辐射热阻
J Eb (
1
1)q
Eb J q 1
1, 2
Eb J Φ 1 A
J1 J 2 A1 X 1, 2 J1 J 2 1 A1 X 1, 2