辐射换热的计算
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《传热学》第9章-辐射换热的计算
有效辐射： 单位时间内离开单位面积表面的总辐射能, 用符号J表示。
J = E + ρG = εEb + (1 − α )G
漫灰表面之间的辐射换热
单位面积的辐射换热量=？
应该等于有效辐射与投入辐射之差
Φ= A
也等于自身辐射力与吸收的投入辐射能之差
J− Φ A
G = εEb
α =ε
− αG
Φ
=
Aε 1−ε
X
1,
2
1 ε1
− 1
+1+
X
2.1
1 ε2
− 1
= ε s A1 X1,2 (Eb1 − Eb2 )
εs
=
X
1,
2
1 ε1
−1 + 1 +
X
2.1
1 ε2
− 1 −1
系统黑度
6
两个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热
两块平行壁面构成的封闭空腔
角系数的曲线图
（a）平行的等面积矩形
（c）垂直的两个矩形
2 角系数的性质
(1) 相对性 (2) 完整性
A1 X 1,2 = A2 X 2,1
－互换性
封闭空腔的所有表面的角系数之和等于1
n
∑ X i , j = X i ,1 + X i ,2 +L+ X i ,i +L + X i ,n = 1
j =1
黑体辐射
Lb
=
Eb π
角系数的定义式
∫ ∫ Φ1→2 =
A1
A2
Eb1
cosθ1 cosθ 2 πr 2
J = E + ρG = εEb + (1 − α )G
漫灰表面之间的辐射换热
单位面积的辐射换热量=？
应该等于有效辐射与投入辐射之差
Φ= A
也等于自身辐射力与吸收的投入辐射能之差
J− Φ A
G = εEb
α =ε
− αG
Φ
=
Aε 1−ε
X
1,
2
1 ε1
− 1
+1+
X
2.1
1 ε2
− 1
= ε s A1 X1,2 (Eb1 − Eb2 )
εs
=
X
1,
2
1 ε1
−1 + 1 +
X
2.1
1 ε2
− 1 −1
系统黑度
6
两个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热
两块平行壁面构成的封闭空腔
角系数的曲线图
（a）平行的等面积矩形
（c）垂直的两个矩形
2 角系数的性质
(1) 相对性 (2) 完整性
A1 X 1,2 = A2 X 2,1
－互换性
封闭空腔的所有表面的角系数之和等于1
n
∑ X i , j = X i ,1 + X i ,2 +L+ X i ,i +L + X i ,n = 1
j =1
黑体辐射
Lb
=
Eb π
角系数的定义式
∫ ∫ Φ1→2 =
A1
A2
Eb1
cosθ1 cosθ 2 πr 2
6.2-辐射换热的计算
3
2 1
5 6
向外辐射的热流量；
Qi , j Ji J j 1 Fi X i , j
为两个表面之间的交换热流量。
基于上述关系式，可以利用网络法来求解封闭空间 表面之间的辐射换热。
1.按照热平衡关系画出辐射网络图 ； 2.计算表面相应的黑体辐射力、表面辐射热 阻、角系数及空间热阻 3.进而利用节点热平衡确定辐射节点方程 4.再求解节点方程而得出表面的有效辐射 5.最后确定灰表面的辐射热流和与其它表面 间的交换热流量。
Q1, 2 A1 J 1 X 1, 2 A2 J 2 X 2,1
Q1, 2 A1 J 1 X 1, 2 A2 J 2 X 2,1
由角系数的互换性有
A2
A1 X 1, 2 A2 X 2,1
J2
Q1, 2
J1 J 2 J1 J 2 1 1 A1 X 1, 2 A2 X 2,1
Q12 Eb1 A1 X1,2
单位时间从表面2发出到达表面1的辐射能为：
Q21 Eb2 A2 X 2,1
两个表面之间的换热量为：
1,2 Eb1 A1 X 1,2 Eb2 A2 X 2,1
如果两表面处于热平衡状态，T1=T2，换热量 为0，则可得
A1 X 1,2 A2 X 2,1
热。
2 两个灰体表面间的辐射换热
当两个灰表面的有效辐射和角系数确定之后，我们 就可以计算它们之间的辐射换热量。 表面1投射到表面2上的辐射能流为:
A2
Q12 A1 J 1 X 1, 2
表面2投射到表面1上的辐射能流为
J2 J1 A1
Q21 A2 J 2 X 2,1
两个表面之间交换的热流量为 ：
2.
传热学 第九章 辐射换热的计算
灰体——多次反射、吸收
9-2 两表面之间的辐射换热过程
1. 黑体表面之间的辐射换热
任意位置的两个黑体表面1、2，从表面1发出并直接投射
到表面2上的辐射能为
1 2 A1 X 1,2 E b1
从表面2发出并直接投射到表面1上的辐射能为
21 A2 X 2 ,1 E b 2
两个表面之间的直接辐射换热量为
X 1,2 X 2 ,1 1
A2 a
A1
9-1 角系数
4. 角系数的计算方法
(2) 代数法
由三个垂直于纸面方向无限长的非凹表面构成的封闭空腔,
三个表面的面积分别为A1、A2、A3 。
X i ,i 0
根据角系数的完整性
角系数的相对性
A1 X 1, 2 A1 X 1, 3 A1
A1 X 1,2 A2 X 2 ,1
Eb1 cos 1 cos 2 dA1dA2
1d 1
dd11
2
2 Lb1 dA1 cos
2
r
Eb1
dA2 cos 2
Lb1
d1
r2
9-1 角系数
2. 角系数的定义式
12
cos 1 cos 2
cos 1 cos 2
dA1dA2
E b1
dA1dA2 E b1
2
2
A1 A2
A1 A2
r
r
表面1对表面2的角系数为
X 1,2
12
A1 Eb1
1
A1
cos 1 cos 2
A1 A2 r 2 dA1dA2
1
A2
cos 1 cos 2
9-2 两表面之间的辐射换热过程
1. 黑体表面之间的辐射换热
任意位置的两个黑体表面1、2，从表面1发出并直接投射
到表面2上的辐射能为
1 2 A1 X 1,2 E b1
从表面2发出并直接投射到表面1上的辐射能为
21 A2 X 2 ,1 E b 2
两个表面之间的直接辐射换热量为
X 1,2 X 2 ,1 1
A2 a
A1
9-1 角系数
4. 角系数的计算方法
(2) 代数法
由三个垂直于纸面方向无限长的非凹表面构成的封闭空腔,
三个表面的面积分别为A1、A2、A3 。
X i ,i 0
根据角系数的完整性
角系数的相对性
A1 X 1, 2 A1 X 1, 3 A1
A1 X 1,2 A2 X 2 ,1
Eb1 cos 1 cos 2 dA1dA2
1d 1
dd11
2
2 Lb1 dA1 cos
2
r
Eb1
dA2 cos 2
Lb1
d1
r2
9-1 角系数
2. 角系数的定义式
12
cos 1 cos 2
cos 1 cos 2
dA1dA2
E b1
dA1dA2 E b1
2
2
A1 A2
A1 A2
r
r
表面1对表面2的角系数为
X 1,2
12
A1 Eb1
1
A1
cos 1 cos 2
A1 A2 r 2 dA1dA2
1
A2
cos 1 cos 2
第八章-辐射换热的计算-
A1
A2
靠A2表面的情形，此时有A1对A2的角系数
为1，且A1≈A2。于是两个漫灰表面之间的 辐射换热热流为：
4 4 A E E A T T 1 b 1 b 2 1 0 1 2 Q ＝ 1 , 2 1 A 1 A 1 1 1 1 1 1 A A 1 2 2 1 2 2
1 3 3A3
1 A 2 X 2 ,3
J3
1 2 2A2
Eb3
可列出 3 个节点 J1 、 J2 、 J3 处 的 热 流 方
Eb1
J1
1 A 1 X 1,2
J2
Eb2
程如下：
对于节点1：
1 1 1 A1
1 A 1 X 1,3
Q ＝ A ( T T )
4 1 ， 2 n 01 1 4 2
式中εn为辐射换热系统的系统黑度
1 1 1 A 1 1 2 n X A 1 , 2 2 2 1
1
② 三个凸形漫灰表面间的辐射换热计算
1 X
1,2 A 1
：辐射热阻（空间热阻、形状热阻）；
§8-2 -2
两平行黑表面间的辐射换热
X X 1 1 ,2 2 , 1
对于两平行的黑体大平壁，由于：
A A A 1 2
于是，有：
Q ( E E ) A ( T T ) A 1 2 b 1 b 2
4 b 1
4 b 2
① 仅有两个漫灰表面构成封闭空间的辐射换 热计算
图中给出了一个由两个漫灰表面构
成的封闭空间，它在垂直纸面方向
A2, T2
为无限长。
辐射传热的计算
当没有遮热板时，两块平壁间的辐射换热量：
Q12
A(Eb1Eb2)A T14T24
1112 1
21
在两块平壁之间加一块大小一样、表面发射率相同的遮热板 （忽略导热热阻）
辐射换热量减少为原来的 1/2，即：
112
1 2
12
A 3X 3,1A 3X 3,2A 3
根据角系数的相对性有：
A1X1,2A2X2,1
A1X1,3A3X3,1 A2X2,3A3X3,2
三个非凹表面组成的封闭辐射系统
X1
2
A1
A2 A3 2A1
X1,3
A1
A3 A2 2A1
X2,3
A2
A3 A1 2A2
黑体间的辐射换热及角系数例题讲解：
[例] 试用代数法确定如图所示
的辐射和吸收是在整个气体容积中进行的，属 于体积辐射。
(4) 气体的反射率为零
气体辐射的特点1：
在工业上常见的温度范围内，单原子气体 及空气、H2、O2、N2等结构对称的双原 子气体，无发射和吸收辐射的能力可认为 是透明体。 CO2、H2O、SO2、CH4和CO等气体都具 有辐射的本领。
例：煤和天然气的燃烧产物中常有一定浓度的CO2和
例：大气中的臭氧层能保护人类免受紫外线的伤害
气体辐射的特点3:
热射线穿过气体层时，辐射能沿途被气体 分子吸收而逐渐减弱。其减弱程度取决于 沿途碰到的气体分子数目，碰到的分子数 目越多，被吸收的辐射能也越多。因此气 体的吸收能力αg与热射线经历的行程长 度L，气体分压力p和气体温度Tg等因素有 关。
9.5 辐射传热的控制（强化与削弱）
遮热板的应用:
在现代隔热保温技术中，遮热板的应用 比较广泛。例如：
Q12
A(Eb1Eb2)A T14T24
1112 1
21
在两块平壁之间加一块大小一样、表面发射率相同的遮热板 （忽略导热热阻）
辐射换热量减少为原来的 1/2，即：
112
1 2
12
A 3X 3,1A 3X 3,2A 3
根据角系数的相对性有：
A1X1,2A2X2,1
A1X1,3A3X3,1 A2X2,3A3X3,2
三个非凹表面组成的封闭辐射系统
X1
2
A1
A2 A3 2A1
X1,3
A1
A3 A2 2A1
X2,3
A2
A3 A1 2A2
黑体间的辐射换热及角系数例题讲解：
[例] 试用代数法确定如图所示
的辐射和吸收是在整个气体容积中进行的，属 于体积辐射。
(4) 气体的反射率为零
气体辐射的特点1：
在工业上常见的温度范围内，单原子气体 及空气、H2、O2、N2等结构对称的双原 子气体，无发射和吸收辐射的能力可认为 是透明体。 CO2、H2O、SO2、CH4和CO等气体都具 有辐射的本领。
例：煤和天然气的燃烧产物中常有一定浓度的CO2和
例：大气中的臭氧层能保护人类免受紫外线的伤害
气体辐射的特点3:
热射线穿过气体层时，辐射能沿途被气体 分子吸收而逐渐减弱。其减弱程度取决于 沿途碰到的气体分子数目，碰到的分子数 目越多，被吸收的辐射能也越多。因此气 体的吸收能力αg与热射线经历的行程长 度L，气体分压力p和气体温度Tg等因素有 关。
9.5 辐射传热的控制（强化与削弱）
遮热板的应用:
在现代隔热保温技术中，遮热板的应用 比较广泛。例如：
第9章辐射换热的计算
越小或表面积越小，则能量从表面1投射到表面 2上的空间热阻就越大。
传热学 Heat Transfer
对于两平行的黑体大平壁（A1=A2 =A），若略 去周边溢出的辐射热量，可以认为： X1, 2= X2, 1=1，
且由斯蒂芬-波尔兹曼定律知Eb=σbT4，此时：
传热学 Heat Transfer
传热学 Heat Transfer
一.积分法
直接用角系数的公式进行积分得出。
X dA1,A2
A2
cos
θ1 π
cos r2
θ
2
dA2
R2 2πxdx
A2 π (R2 x 2 )2
R2 D/ 2
dx 2
0 (R2 x2 )2
D2
4R2 D2
此法太烦，有人做成图表，供查阅P242、243图
三、多个黑体表面间的辐射换热
如图所示为n个黑体表面组成了封闭空腔。 1、封闭空腔某一黑体表面的净换热量：
2、角系数的完整性：
注意： 对于平面或凸表面等于0，对于凹面不等于0。
传热学 Heat Transfer
计算黑表面与所有其他黑表面的辐射换热：
n
n
i i, j (Ebi Ebj ) X i, j Ai
传热学 Heat Transfer
未加遮热板时： 在板间加入遮热板后：
【例9-7】
传热学 Heat Transfer
第三节 角系数的确定方法
漫射表面间的辐射换热计算，必须先要 知道它们之间的辐射角系数。求角系数 的常用方法有： (1)直接积分法 (2)数值计算方法 (3)图解方法 (4)代数方法 (5)几何投影方法(单位球法)， 这里主要介绍积分法和代数法。
传热学 Heat Transfer
对于两平行的黑体大平壁（A1=A2 =A），若略 去周边溢出的辐射热量，可以认为： X1, 2= X2, 1=1，
且由斯蒂芬-波尔兹曼定律知Eb=σbT4，此时：
传热学 Heat Transfer
传热学 Heat Transfer
一.积分法
直接用角系数的公式进行积分得出。
X dA1,A2
A2
cos
θ1 π
cos r2
θ
2
dA2
R2 2πxdx
A2 π (R2 x 2 )2
R2 D/ 2
dx 2
0 (R2 x2 )2
D2
4R2 D2
此法太烦，有人做成图表，供查阅P242、243图
三、多个黑体表面间的辐射换热
如图所示为n个黑体表面组成了封闭空腔。 1、封闭空腔某一黑体表面的净换热量：
2、角系数的完整性：
注意： 对于平面或凸表面等于0，对于凹面不等于0。
传热学 Heat Transfer
计算黑表面与所有其他黑表面的辐射换热：
n
n
i i, j (Ebi Ebj ) X i, j Ai
传热学 Heat Transfer
未加遮热板时： 在板间加入遮热板后：
【例9-7】
传热学 Heat Transfer
第三节 角系数的确定方法
漫射表面间的辐射换热计算，必须先要 知道它们之间的辐射角系数。求角系数 的常用方法有： (1)直接积分法 (2)数值计算方法 (3)图解方法 (4)代数方法 (5)几何投影方法(单位球法)， 这里主要介绍积分法和代数法。
传热学第八章辐射换热的计算
02
辐射换热的计算方法
辐射换热的基本公式
斯蒂芬-玻尔兹曼方程
描述了物体在任意温度下的辐射功率，是辐射换热的基本公式。
辐射力方程
表示物体发射和吸收的辐射能与物体表面温度和周围环境温度之间 的关系。
辐射传递方程
表示在给定温度和光谱发射率下，物体表面发射和吸收的辐射能与 物体表面温度之间的关系。
辐射换热的角系数法
表面传热系数的计算方法
通过实验测定或经验公式计算表面传热系数， 需要考虑表面粗糙度和涂层的影响。
表面传热系数的应用
适用于简化模型或近似计算中的辐射换热计算。
辐射换热的积分方程法
积分方程的建立
根据斯蒂芬-玻尔兹曼方程和边界条件建立积分方程。
积分方程的求解方法
采用数值方法求解积分方程，如有限元法、有限差分 法等。
太阳能利用
通过优化太阳能集热器的设计，提高太阳能辐射的吸收和 转换效率，降低太阳能利用成本，有助于减少化石能源的 消耗和碳排放。
05
辐射换热的发展趋势与展 望
新型材料的辐射换热特性研究
总结词
随着科技的发展，新型材料不断涌现，对新型材料的辐射换热特性研究成为当 前热点。
详细描述
新型材料如碳纳米管、石墨烯等具有独特的物理和化学性质，其辐射换热特性 与传统材料有所不同。研究这些新型材料的辐射换热特性有助于发现新的传热 机制，提高传热效率。
感谢观看
THANKS
传热学第八章辐射 换热的计算
目 录
• 辐射换热的基本概念 • 辐射换热的计算方法 • 辐射换热的实际应用 • 辐射换热的优化与控制 • 辐射换热的发展趋势与展望
01
辐射换热的基本概念
定义与特性
定义
2.9 辐射换热计算-2013
辐射换热计算
1. 影响辐射换热的因素
表面温度、 表面的几何特性 表面间的相对位置、表面的辐射性质
2. 角系数的定义 表示表面发射出的辐射能中直接落到另一表 面的百分数，如X1,2表示A1辐射能量中落到A2上 的百分数，称为A1对A2的平均角系数
X 1,2
A A A
1 1
2
3. 角系数的性质
三、灰表面间的辐射换热
1. 有效辐射
实际离开表面的辐射能流密度
J 1 Eb1 1G1 Eb1 (1 1 )G1
1表面的净辐射能流
1 ( J1 G1 ) A1 E1 A1 1G1 A1
2. 辐射表面热阻
对漫-灰表面，由于α1=ε1，因此得
1 1 ( J 1 G1) A A1( Eb1 J 1) 1 1
气体的吸收率αg
基尔霍夫定律不适用
气体不能视作灰体 不处于热平衡 (TwTg)
gg
g H H
2O
2O
CO2
* H 2O
C H 2O
Tg T w
0.65
CO CCO
2 2
* CO2
Tw
Tg T w
互换性：
X1, 2 A1 X 2,1 A2
完整性：n个面组成封闭的腔，即
X
j 1
n 华云教育整理 QQ5280901 i, j
X i ,1 X i ,2 X i ,i X i , j X i ,n 1
1. 面积为A2的空腔与面积为A1的内包小凸物1之间的 角系数X21为（）
A、1
B、 A1/A2 C、 A2/A1 D、2A2/A1
1. 影响辐射换热的因素
表面温度、 表面的几何特性 表面间的相对位置、表面的辐射性质
2. 角系数的定义 表示表面发射出的辐射能中直接落到另一表 面的百分数，如X1,2表示A1辐射能量中落到A2上 的百分数，称为A1对A2的平均角系数
X 1,2
A A A
1 1
2
3. 角系数的性质
三、灰表面间的辐射换热
1. 有效辐射
实际离开表面的辐射能流密度
J 1 Eb1 1G1 Eb1 (1 1 )G1
1表面的净辐射能流
1 ( J1 G1 ) A1 E1 A1 1G1 A1
2. 辐射表面热阻
对漫-灰表面，由于α1=ε1，因此得
1 1 ( J 1 G1) A A1( Eb1 J 1) 1 1
气体的吸收率αg
基尔霍夫定律不适用
气体不能视作灰体 不处于热平衡 (TwTg)
gg
g H H
2O
2O
CO2
* H 2O
C H 2O
Tg T w
0.65
CO CCO
2 2
* CO2
Tw
Tg T w
互换性：
X1, 2 A1 X 2,1 A2
完整性：n个面组成封闭的腔，即
X
j 1
n 华云教育整理 QQ5280901 i, j
X i ,1 X i ,2 X i ,i X i , j X i ,n 1
1. 面积为A2的空腔与面积为A1的内包小凸物1之间的 角系数X21为（）
A、1
B、 A1/A2 C、 A2/A1 D、2A2/A1
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X1,1 X1,2 X1,3 X1,n 1
n
X1,i 1
i 1
上式称为角系数的完整性
（5）
图 8-3 角系数的完整性
注：若表面 1 为非凹表面时 X1,1 = 0；若表面 1 为凹表面， X1，1 0
3、角系数的可加性 如图 8-4 所示从表面 1 上发出而落到表面 2 上的总能量，等于落到表面 2 上各部分的辐
Fb(0)
0 Eb d T 4
T 0
Eb T 5
d
T
f
T
f(λ T)称为黑体辐射函数 已知能量份额后，在给定的波段区间，单位时间内黑体单位面积所辐射的能量可方便地由 下式算出：
Eb(12 ) F E b(12 ) b (Fb(02 ) Fb(01 ) )Eb
（表 8-1） 例题 8-3 试分别计算温度为 1000K、1400K、3000K、6000K 时可见光和红外辐射在黑体总
光谱发射率
发射率
实际物体的定向辐射强度：不同方向上变化
常用材料发射率表 8-2 实际物体的吸收
光谱吸收比：物体吸收某一特定波长辐射能的百分数。 吸收选择性：光谱吸收比随波长变化 实际物体的吸收比：吸收物体本身的情况、投入辐射的特性有关 温室效应 焊接工人 太阳与环境辐射
8-2 角系数 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
从表面 2 上发出而落到表面 1 上的辐射能，等于从表面 2 的各部分发出而落到表面 1 上 的辐射能之和，于是有
A2 Eb2 X 2,1 A2 Eb2 X 2a,1 A2 Eb2 X 2b,1
A2 X 2,1 A2a X 2a,1 A2b X 2b,1 （7）
X 2,1
a 图中两表面无限接近，相互间的换热量最大；b 途中两表面位于同一平面上，相互间的辐 射换热量为零。由图可以看出，两个表面间的相对位置不同时，一个表面发出而落到另一个 表面上的辐射能的百分数随之而异，从而影响到换热量。
一：角系数的定义 角系数是进行辐射换热计算时空间热组的主要组成部分。 定义：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
h 6.6261034 J s
2. 维恩位移定律
由 Planck 定律知 Eλ=f(λ,T )如图， Eλ有最大值； 随着 T 增大 max 向左移动 1893 热力学理论得出，由 Plank’s Law 对 求导，并令
dEb d
d d
e
c
c15 2 T
1
T
c
onst
0
光谱辐射力曲线下的面积是该温度下黑体 的辐射力
气体的辐射和吸收都是在内部进行的，表面形状则无关紧要。 四、理想辐射模型
1 黑体 1 理想的反射体，镜体，白体
1 透明体
黑体不是黑色物体 黑体，镜体和透明体并不存在。 人工可以制造十分接近黑体(内表面 6%的 小孔，α≈0.996)的模型。 黑体如同不可压流体、可逆循环等一样，是一种理想化的研究方法。
物体热力学能-电磁波能-物理热力学能 3、一切物体，只要温度大于 0K，都会不停的发射热射线，高温物体辐射给低温物体的能量 大于低温物体辐射给高温物体的能量。总之，热量由高温传向低温。 三、热辐射的吸收、穿透和反射
光辐射大家是熟悉的。当一束光投在一物体上后，一部分被吸收，一部分被反射，还有一 部分穿过物体。热辐射也有同样的性质。 投射辐射为 Q ,如图，其中：
例题 8-1 试分别计算温度为 2000K 和 5800K 的黑体的最大单色辐射力所对应的波长。 解： 应用 Wien 位移定律
T=2000K 时 max=2.9 10-3/2000=1.45 m T=5800K 时 max=2.9 10-3/5800=0.50 m 常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区 太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区
一、热辐射及其本质
辐射：以电磁波传递能量的过程。 热辐射：由于热的原因而发生的辐射 辐射是电磁波，它就有一般电磁波的共性，即它是以光速在空间传播的。有下列关系成立：
c f
式中：C — 速度 f — 频率 λ— 波长
二、电磁波谱
电磁波波长从几万分之一米到数千米
微波炉原理
热辐射的特点
1、不依靠物质接触而进行热量传递，即不需要介质的存在而传递能量，在真空中也能传递。 2、辐射换热过程伴随能量形式的转化：
发射出的辐射能为：
ΔEb
E d 2
1 b
即右图中的在 1 和
2 之间的 线下面积。
通常用 同温度下的百分数表示，
F b(12 )
2 1
Eb
d
0 Eb d
1 T 4
2 1
Eb d
F F
1 T
4
1 0
Eb
d
2 0
Eb
d
b(0-1 )
b(0-2 )
式中，Fb（0- 1）、 Fb（0- 2）分别为波长从 0 至 1 和 0 至 2 的黑体辐射占同 温度下黑体辐射力的百分数。能量份额 Fb（0- ）可以表示为单一变量 T 的函数，即
8-2 黑体辐射基本定律
一、基本概念 1. 辐射力 ：
单位时间内物体的单位表面积向上半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能量 (W/m2) 。
半球空间： dA 辐射是向着它的上方各个方向的。如在上方
做个半球，则 dA 发出的辐射能全部要通过这个半
球空间，所以我们称 dA 以上的空间为半球空间。
X
dA1 ,dA2
ห้องสมุดไป่ตู้
由dA1发出的落到dA2上的辐射能 由dA1发出的辐射能
Ib1 dA1 cos1 d Eb1 d A1
Eb1 Ib1
Eb1 : 辐射力
I
：定向辐射强度
b1
X dA1,dA2
dA2 cos1 cos2 r 2
（1）
同理：
X dA2 ,dA1
dA1 cos1 cos2 r 2
1
反射现象也同光一样，有镜面反射和漫反射之分， 镜面反射：入射角=反射角，
表面粗糙度<波长 漫反射： 表面粗糙度>波长
气体：当辐射投在气体上，它几乎没有反射能力，故可以认为ρ=0 ，于是
1
固体，液体对辐射的吸收和反射都是在表面上进行的，而不涉及其内部，故表面的状况对 辐射的影响是至关重要的。
教学过程：（包括授课思路、过程设计、讲解要点及各部分具体内容、时间分配 等）
辐射换热计算
8-1 热辐射的基本概念
辐射是热量传递的三种基本方式之一。 教科书的安排方法是分别介绍导热、对流和辐射，然后再将它们综合在一起。 在工农业生产和日常生活中有大量的辐射问题。锅炉炉膛主要是辐射传热。除了烟气温度较 低的空气预热器以外， 其余各受热面的传热计算都要考虑辐射换热。如锅炉运行时的汽温 特性、暖气、太阳能等。
E
Eb
灰体的辐射力与同温度下自身的吸收比的比值与物性无关，恒等于同温度黑体的辐射力。 灰体的吸收比在数值上等于灰体在同温度下的发射率。 研究物体与太阳辐射的相互作用不能把物体当做灰体。
兰贝特定律
余弦定律： 黑体单位面积辐射出去的能量在空间不同方向分布是不均匀的，在垂直于该表面的方向最
大，而与表面平行的方向为 0 描述漫射表面定向辐射强度按空间立体角的分布。
X 为 1,2.
同理，表面 2 发出的辐射能中落到表面 1 上的百分数称为表面 2 对表面 1 的角系数，记为
X2,1.
二：角系数的性质 研究角系数的性质是用代数法（代数分析法）求解角系数的前提： 假定：（1）所研究的表面是漫射的 （2）在所研究表面的的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的
1、角系数的相对性 （1）一个微元表面到另一个微元表面的角系数
Eb
0
Eb d
T
4
W / m2
式中： 为黑体辐射常数，其值为 5.67
改写为：
Eb
C0
T 100
4
W/m2
10-8W/( m2·K4)。为计算高温辐射的方便，可
式中，C0 为黑体辐射系数，5.67W/(m2·K4)。
在实际中，有时需求出某一特定波长的辐射能量。由 Planck 定律, 黑体在波长至区段所
定向辐射强度： 单位时间内单位可见辐射面积向某一方向单位立体角内发射的辐射能
黑体的定向辐射强度是个常量，与空间方向无关。
固体和液体的辐射特性
E= E 实际物体的辐射力： b
发射率与物质种类、表面温度、表面状况有关。即：发射率只与发射辐射的物体有关，与 外界条件无关。
实际物体的光谱辐射力
实际物体的光谱辐射力随波长作不规则的变化。
Q 由热力学第一定律： Q Q Q 或 Q / Q Q / Q Q / Q 1
则：
固体、液体：当辐射能进入其表面后，在极短的距离内就被吸收完了。 金属导体，这个距离只有 1 微米的量级。大多数非导电材料，这个距离小于 1 毫米。而实 用工程材料都大于这个数值，故可以认为固体和液体的τ=0 ，于是：
四、基尔霍夫定律
物体==黑体大空腔（热平衡）
1Eb E1
E1
1
E2
2
E3
3
E
Eb
任何物体的辐射力与它对来自同温度黑体辐射的吸收比的比值，与物性无关而仅取决于温 度，恒等于同温度下黑体的辐射力。
物体的辐射力越大，吸收比也越大。即善于辐射也善于吸收。
灰体的基尔霍夫定律 灰体：单色吸收比不随波长变化的物体，也是一种理想物体。
射能之和，于是有
A1Eb1 X1,2 A1Eb1 X1,2a A1Eb1 X1,2b
X1,2 X1,2a X1,2b
把表面 2 进一步分成若干小块，则有
n
X1,2 X1,2i
n
X1,i 1
i 1
上式称为角系数的完整性
（5）
图 8-3 角系数的完整性
注：若表面 1 为非凹表面时 X1,1 = 0；若表面 1 为凹表面， X1，1 0
3、角系数的可加性 如图 8-4 所示从表面 1 上发出而落到表面 2 上的总能量，等于落到表面 2 上各部分的辐
Fb(0)
0 Eb d T 4
T 0
Eb T 5
d
T
f
T
f(λ T)称为黑体辐射函数 已知能量份额后，在给定的波段区间，单位时间内黑体单位面积所辐射的能量可方便地由 下式算出：
Eb(12 ) F E b(12 ) b (Fb(02 ) Fb(01 ) )Eb
（表 8-1） 例题 8-3 试分别计算温度为 1000K、1400K、3000K、6000K 时可见光和红外辐射在黑体总
光谱发射率
发射率
实际物体的定向辐射强度：不同方向上变化
常用材料发射率表 8-2 实际物体的吸收
光谱吸收比：物体吸收某一特定波长辐射能的百分数。 吸收选择性：光谱吸收比随波长变化 实际物体的吸收比：吸收物体本身的情况、投入辐射的特性有关 温室效应 焊接工人 太阳与环境辐射
8-2 角系数 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
从表面 2 上发出而落到表面 1 上的辐射能，等于从表面 2 的各部分发出而落到表面 1 上 的辐射能之和，于是有
A2 Eb2 X 2,1 A2 Eb2 X 2a,1 A2 Eb2 X 2b,1
A2 X 2,1 A2a X 2a,1 A2b X 2b,1 （7）
X 2,1
a 图中两表面无限接近，相互间的换热量最大；b 途中两表面位于同一平面上，相互间的辐 射换热量为零。由图可以看出，两个表面间的相对位置不同时，一个表面发出而落到另一个 表面上的辐射能的百分数随之而异，从而影响到换热量。
一：角系数的定义 角系数是进行辐射换热计算时空间热组的主要组成部分。 定义：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
h 6.6261034 J s
2. 维恩位移定律
由 Planck 定律知 Eλ=f(λ,T )如图， Eλ有最大值； 随着 T 增大 max 向左移动 1893 热力学理论得出，由 Plank’s Law 对 求导，并令
dEb d
d d
e
c
c15 2 T
1
T
c
onst
0
光谱辐射力曲线下的面积是该温度下黑体 的辐射力
气体的辐射和吸收都是在内部进行的，表面形状则无关紧要。 四、理想辐射模型
1 黑体 1 理想的反射体，镜体，白体
1 透明体
黑体不是黑色物体 黑体，镜体和透明体并不存在。 人工可以制造十分接近黑体(内表面 6%的 小孔，α≈0.996)的模型。 黑体如同不可压流体、可逆循环等一样，是一种理想化的研究方法。
物体热力学能-电磁波能-物理热力学能 3、一切物体，只要温度大于 0K，都会不停的发射热射线，高温物体辐射给低温物体的能量 大于低温物体辐射给高温物体的能量。总之，热量由高温传向低温。 三、热辐射的吸收、穿透和反射
光辐射大家是熟悉的。当一束光投在一物体上后，一部分被吸收，一部分被反射，还有一 部分穿过物体。热辐射也有同样的性质。 投射辐射为 Q ,如图，其中：
例题 8-1 试分别计算温度为 2000K 和 5800K 的黑体的最大单色辐射力所对应的波长。 解： 应用 Wien 位移定律
T=2000K 时 max=2.9 10-3/2000=1.45 m T=5800K 时 max=2.9 10-3/5800=0.50 m 常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区 太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区
一、热辐射及其本质
辐射：以电磁波传递能量的过程。 热辐射：由于热的原因而发生的辐射 辐射是电磁波，它就有一般电磁波的共性，即它是以光速在空间传播的。有下列关系成立：
c f
式中：C — 速度 f — 频率 λ— 波长
二、电磁波谱
电磁波波长从几万分之一米到数千米
微波炉原理
热辐射的特点
1、不依靠物质接触而进行热量传递，即不需要介质的存在而传递能量，在真空中也能传递。 2、辐射换热过程伴随能量形式的转化：
发射出的辐射能为：
ΔEb
E d 2
1 b
即右图中的在 1 和
2 之间的 线下面积。
通常用 同温度下的百分数表示，
F b(12 )
2 1
Eb
d
0 Eb d
1 T 4
2 1
Eb d
F F
1 T
4
1 0
Eb
d
2 0
Eb
d
b(0-1 )
b(0-2 )
式中，Fb（0- 1）、 Fb（0- 2）分别为波长从 0 至 1 和 0 至 2 的黑体辐射占同 温度下黑体辐射力的百分数。能量份额 Fb（0- ）可以表示为单一变量 T 的函数，即
8-2 黑体辐射基本定律
一、基本概念 1. 辐射力 ：
单位时间内物体的单位表面积向上半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能量 (W/m2) 。
半球空间： dA 辐射是向着它的上方各个方向的。如在上方
做个半球，则 dA 发出的辐射能全部要通过这个半
球空间，所以我们称 dA 以上的空间为半球空间。
X
dA1 ,dA2
ห้องสมุดไป่ตู้
由dA1发出的落到dA2上的辐射能 由dA1发出的辐射能
Ib1 dA1 cos1 d Eb1 d A1
Eb1 Ib1
Eb1 : 辐射力
I
：定向辐射强度
b1
X dA1,dA2
dA2 cos1 cos2 r 2
（1）
同理：
X dA2 ,dA1
dA1 cos1 cos2 r 2
1
反射现象也同光一样，有镜面反射和漫反射之分， 镜面反射：入射角=反射角，
表面粗糙度<波长 漫反射： 表面粗糙度>波长
气体：当辐射投在气体上，它几乎没有反射能力，故可以认为ρ=0 ，于是
1
固体，液体对辐射的吸收和反射都是在表面上进行的，而不涉及其内部，故表面的状况对 辐射的影响是至关重要的。
教学过程：（包括授课思路、过程设计、讲解要点及各部分具体内容、时间分配 等）
辐射换热计算
8-1 热辐射的基本概念
辐射是热量传递的三种基本方式之一。 教科书的安排方法是分别介绍导热、对流和辐射，然后再将它们综合在一起。 在工农业生产和日常生活中有大量的辐射问题。锅炉炉膛主要是辐射传热。除了烟气温度较 低的空气预热器以外， 其余各受热面的传热计算都要考虑辐射换热。如锅炉运行时的汽温 特性、暖气、太阳能等。
E
Eb
灰体的辐射力与同温度下自身的吸收比的比值与物性无关，恒等于同温度黑体的辐射力。 灰体的吸收比在数值上等于灰体在同温度下的发射率。 研究物体与太阳辐射的相互作用不能把物体当做灰体。
兰贝特定律
余弦定律： 黑体单位面积辐射出去的能量在空间不同方向分布是不均匀的，在垂直于该表面的方向最
大，而与表面平行的方向为 0 描述漫射表面定向辐射强度按空间立体角的分布。
X 为 1,2.
同理，表面 2 发出的辐射能中落到表面 1 上的百分数称为表面 2 对表面 1 的角系数，记为
X2,1.
二：角系数的性质 研究角系数的性质是用代数法（代数分析法）求解角系数的前提： 假定：（1）所研究的表面是漫射的 （2）在所研究表面的的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的
1、角系数的相对性 （1）一个微元表面到另一个微元表面的角系数
Eb
0
Eb d
T
4
W / m2
式中： 为黑体辐射常数，其值为 5.67
改写为：
Eb
C0
T 100
4
W/m2
10-8W/( m2·K4)。为计算高温辐射的方便，可
式中，C0 为黑体辐射系数，5.67W/(m2·K4)。
在实际中，有时需求出某一特定波长的辐射能量。由 Planck 定律, 黑体在波长至区段所
定向辐射强度： 单位时间内单位可见辐射面积向某一方向单位立体角内发射的辐射能
黑体的定向辐射强度是个常量，与空间方向无关。
固体和液体的辐射特性
E= E 实际物体的辐射力： b
发射率与物质种类、表面温度、表面状况有关。即：发射率只与发射辐射的物体有关，与 外界条件无关。
实际物体的光谱辐射力
实际物体的光谱辐射力随波长作不规则的变化。
Q 由热力学第一定律： Q Q Q 或 Q / Q Q / Q Q / Q 1
则：
固体、液体：当辐射能进入其表面后，在极短的距离内就被吸收完了。 金属导体，这个距离只有 1 微米的量级。大多数非导电材料，这个距离小于 1 毫米。而实 用工程材料都大于这个数值，故可以认为固体和液体的τ=0 ，于是：
四、基尔霍夫定律
物体==黑体大空腔（热平衡）
1Eb E1
E1
1
E2
2
E3
3
E
Eb
任何物体的辐射力与它对来自同温度黑体辐射的吸收比的比值，与物性无关而仅取决于温 度，恒等于同温度下黑体的辐射力。
物体的辐射力越大，吸收比也越大。即善于辐射也善于吸收。
灰体的基尔霍夫定律 灰体：单色吸收比不随波长变化的物体，也是一种理想物体。
射能之和，于是有
A1Eb1 X1,2 A1Eb1 X1,2a A1Eb1 X1,2b
X1,2 X1,2a X1,2b
把表面 2 进一步分成若干小块，则有
n
X1,2 X1,2i