热辐射与辐射换热
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第八章 辐射换热
ρ+α=1（原因：因分子间排列非常紧密，当热辐射 能投射到固体表面时，马上被相邻的分子所吸收）
所以对于固体和液体，其吸收和反射均在表面进 行（表面状况影响很大）。吸收能力强，则反射能力 弱。 例如：玻璃—对可见光基本上是透明体，对于其它波 长的热辐射，穿透能力很差（大棚蔬菜；温室效应－ 地球变暖）。
在温度较高时，必须考虑热辐射的影响（对气体）。
黑体辐射函数 定义：在0~λ的波长范围内黑体发出的辐射能在其 辐射力中所占份额。
黑体辐射函数
【例8-1】若灯泡钨丝的辐射可近似地视为黑体辐射， 试求可见光区段辐射能所占的份额。设灯丝的温度为 2900K。
解：可见光的波段范围为 0.38μm~0.76μm，
三、基尔霍夫定律 反射辐射与吸收辐射二者之间的联系: 1859年基尔霍夫揭示了与周围环境处于热 平衡状态下的实际物体辐射力E与吸收比α间的 关系。
如图，板1是黑体，板2是实际物体，
工业上一般物体(T<2000K)热辐射的大部分
能量的波长位于0.76~20μm。
太阳辐射：0.1~20μm
约定：除特殊说明，以后论及的热射线都
指红外线。
二、辐射能的吸收、反射和透射
当热辐射的能量投射到物体表面时，和可见光一 样，也发生吸收，反射和穿透现象。
根据能量守恒有：
在一般情况下，对于固体和液体而言，τ=0。
部分材料的法向光谱发射率
3. 辐射力
但实验结果发现，实际物体的辐射力并不严格 地与绝对温度呈四次方的关系，但工程上仍采用四 次方关系进行计算，而把温度项修正包括到黑度中 去，因而黑度还与温度有关。
部分材料的法向总发射率与温度的关系
4、定向发射率εφ
定向发射力：在数值上为单位辐射面积在单位时间内
热辐射及辐射换热
3. 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表
示，即
吸收的能量
投入的能量(投入辐射)
(4) 光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收 的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变 化体现了实际物体的选择性吸收的特性。
吸收的某一特定波长的能量
(,T1) 投入的某一特定波长的能量 图6-16.5和6-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同 波长的关系。
如果投入辐射来自黑体由于则上式可变为的性质表面图619物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体的选择性吸收特性即对有些波长的投入辐射吸收多而对另一些波长的辐射吸收少在实际生产中利用的例子很多但事情往往都具有双面性人们在利用选择性吸收的同时也为其伤透了脑筋这是因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦对此一般有两种处理方法即1灰体法即将光谱吸收比const
ε T
0 ε , T E ,blackbody , T
0 E ,blackbody , T dλ
dλ E (T actualemitted ) Eb (T )
半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均
对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度L，
分别引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率( )和定
在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一 下二者之间具有什么样的联系，1859年，Kirchhoff 用热 力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff 定律。
最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。 如图6-20所示，板1时黑体，板2是任意物体，参数分别为
Eb, T1 以及E, , T2，则当系统处于热平衡时，有
2. 电磁波谱
示，即
吸收的能量
投入的能量(投入辐射)
(4) 光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收 的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变 化体现了实际物体的选择性吸收的特性。
吸收的某一特定波长的能量
(,T1) 投入的某一特定波长的能量 图6-16.5和6-18分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同 波长的关系。
如果投入辐射来自黑体由于则上式可变为的性质表面图619物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体的选择性吸收特性即对有些波长的投入辐射吸收多而对另一些波长的辐射吸收少在实际生产中利用的例子很多但事情往往都具有双面性人们在利用选择性吸收的同时也为其伤透了脑筋这是因为吸收比与投入辐射波长有关的特性给工程中辐射换热的计算带来巨大麻烦对此一般有两种处理方法即1灰体法即将光谱吸收比const
ε T
0 ε , T E ,blackbody , T
0 E ,blackbody , T dλ
dλ E (T actualemitted ) Eb (T )
半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均
对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度L，
分别引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率( )和定
在学习了发射辐射与吸收辐射的特性之后，让我们来看一 下二者之间具有什么样的联系，1859年，Kirchhoff 用热 力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff 定律。
最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。 如图6-20所示，板1时黑体，板2是任意物体，参数分别为
Eb, T1 以及E, , T2，则当系统处于热平衡时，有
2. 电磁波谱
辐射换热基本定律及物体的辐射特性
三.实体的辐射特性
☆.基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律 基尔霍夫（G.R.Kirchhoff） 揭示了物体吸收辐射能的能力与发射辐射能的能力之间的关系. 揭示了物体吸收辐射能的能力与发射辐射能的能力之间的关系.
表达式： 表达式：
αλ (θ,ϕ,T ) = ελ (θ,ϕ,T )
说明吸收辐射能能力愈强的物体的发射辐射能能力也愈强。 说明吸收辐射能能力愈强的物体的发射辐射能能力也愈强。在温度相同的物体 黑体吸收辐射能的能力最强，发射辐射能的能力也最强. 中，黑体吸收辐射能的能力最强，发射辐射能的能力也最强.
热辐射能量的表示方法. ◆. 热辐射能量的表示方法. 辐射力E: 一定温度下, 物体在单位表面积、单位时间内向半球空间所有方向上发射出去 辐射力E: 一定温度下, 物体在单位表面积、单位时间内向半球空间所有方向上发射出去 全部波长的总能量.W/m 的全部波长的总能量.W/m2 光谱辐射能力E 在相同条件下, 物体发射的特定波长的能量. 光谱辐射能力Eλ :在相同条件下, 物体发射的特定波长的能量.
辐射换热基本定律及实体辐射特性
1.热辐射基本概念 1.热辐射基本概念 2.黑体辐射基本定律 2.黑体辐射基本定律 3.实体的辐射特性 3.实体的辐射特性
一.辐射换热
辐射是利用电磁波来传输能量，辐射换热不同于导热和对流方式： 辐射是利用电磁波来传输能量，辐射换热不同于导热和对流方式： 1.它不需要工作介质. 1.它不需要工作介质. 它不需要工作介质 2.传输的能量与涉及物体的温度的四次方或五次方成正比例. 2.传输的能量与涉及物体的温度的四次方或五次方成正比例. 传输的能量与涉及物体的温度的四次方或五次方成正比例
Lambert定律 揭示黑体发射的辐射能按空间方向的分布规律. 定律： 3. Lambert定律：揭示黑体发射的辐射能按空间方向的分布规律.
辐射换热
1 cosθ1 cosθ 2 ∫F1 ∫F2 πr 2 dF1dF2 F1
dQ1→2 =
cosθ1 cosθ2 Q2→1 1 ϕ21 = = ∫ ∫ dFdF 1 2 2 F F2 Q2 F2 1 πr
12.辐射换热
12.4 角系数
角系数的定义
黑 体
Q1→2 ϕ12 = Q1
ϕ12 =
Q1→2 1 cosθ1 cosθ 2 = ∫ ∫ dF1dF2 2 F1 F2 Q1 F1 πr
∫ A=
∞
0
Aλ Gλ dλ
∞
∫
0
Gλ dλ
12.辐射换热
实际物体表面的辐射－－ －－灰体 12.3 实际物体表面的辐射－－灰体
基尔霍夫定律
A=ε
灰体
单色吸收率与波长无关的物体
A = Aλ = const
E ∫ ε λ E bλ dλ ε= = Eb σ 0T 4 ε = ε λ = A = Aλ = const
R = 1, A = D = 0
D = 1, A = R = 0 外界投射到物体上的辐射能全部透过物体－－透明体 外界投射到物体上的辐射能全部透过物体－－ －－透明体
12.辐射换热
12.1 热辐射的基本概念
辐射能的吸收、 辐射能的吸收、发射和投射
A+ R + D =1
固体、液体： 固体、液体：对辐射能的吸收只在物体表 面薄层内进行，可认为其透射率： 面薄层内进行，可认为其透射率：D=0
传输理论
热量传输 辐射换热
12.辐射换热
12.1 热辐射的基本概念
辐射换热是指物体之间通过相互辐射和吸收进行的热量传输 过程。 过程。
热辐射
物体由于自身温度引起的发射辐射能的现象,依靠热射线 物体由于自身温度引起的发射辐射能的现象, （电磁波）传递热量 电磁波）
辐射换热原理
辐射换热原理
辐射换热是指热能通过电磁波的辐射传递或交换。
辐射换热不需要介质的存在，它可以在真空中传播。
辐射换热的原理是热辐射，即热能以电磁波的形式从高温物体传递到低温物体。
热辐射的波长范围从长波红外线到短波紫外线，其中短波辐射的能量较高，长波辐射的能量较低。
热辐射是由物体内部来自分子振动和电子跃迁的能量转化为电磁波产生的。
物体的温度越高，分子振动和电子跃迁所产生的电磁波的能量越高，波长越短。
这意味着高温物体会发出较多能量较高的短波辐射，而低温物体则会发出能量较低的长波辐射。
辐射换热的传热速率取决于物体的温度差、表面性质和形状等因素。
通过控制物体的表面特性，如涂层、颜色和纹理，可以调节辐射换热的效率。
此外，辐射换热还受到物体之间的距离的影响，较近的物体之间的辐射换热效率更高。
辐射换热在日常生活中广泛应用，例如太阳能、红外线加热、热辐射扇等。
它也是火焰、火炬和电炉等热能传递的重要机制。
热辐射与辐射换热
ec
2
c15
(T )
1
d
T 4
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Eb
2 1
Eb d
特定波长区段内的黑体辐射力
通常把波段区间的辐
射能表示为同温度下
黑体辐射力的百分数，
记作
Fb，(1称2 ) 作黑
体辐射函数。
F b(12 )
E d 2
1 b
0 Eb d
1
T 4
E d 2
1 b
1
T 4
辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间 所有方向辐射出去的全部波长的能量总和 。W/m2
从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。
光谱辐射力:在单位时间内物体单位面积上向半球空 间所有方向发射的从到+d波长的辐射能称为光 谱辐射力，用E表示，单位为W/m3。
E E d 0
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I ( ) dΦ(1) dΦ(2 ) ... dΦ(n)
dAdΩ cos1 dAdΩ cos2
dAdΩ
思考：兰贝特定律是否说明黑体对外辐射的能量在空间各个方向是相等的？
黑体单位面积辐射出去的能量在空 间的不同方向分布是不均匀的，其
定向辐射力随纬度角呈余弦规律
变化。法向最大，切向最小。
Lambert定律也称为余弦定律。
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四、辐射换热的计算
1,2 A(Eb1 Eb2 )
角系数
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有效辐射
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1、角系数
（1）角系数的定义
我们把从表面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
第十一章 辐射换热
第二编热量传输第十一章辐射换热辐射换热在金属热态成形产业中是常见的现象，如金属件在炉内的加热，熔化炉中的炉料与发热体之间的换热等。
第一节热辐射的基本概念一、热辐射与辐射换热物体中分子或原子受到激发而以电磁波的方式释放能量的现象叫辐射，电磁波所携带的能量叫辐射能。
由于电磁波可以在真空中传播，因而辐射能也可以在真空中传播，而导热与对流换热则只在存有物质的空间中才能发生。
激发物体辐射能量的原因或方法不同，产生的电磁波的波长和频率也不相同。
电磁波按波长的长短来划分有多种，如图11-1所示。
热辐射是由于热的原因而发生的辐射。
主要集中在红外线和可见光的波长范围内。
热辐射是物体的一种属性，只要物体的温度高于绝对温度0K，就会进行辐射。
因此热量不仅从高温物体辐射到低温物体，同样也从低温物体辐射到高温物体，但是两者辐射的能量不同。
物体在发射辐射能的同时，也在吸收辐射能。
辐射换热是指物体之间的相互辐射和吸收过程的总效果。
例如工业炉炉壁与周围物体之间由于炉壁温度较高，炉壁向周围辐射的能量多于吸收的能量，这样热量就从工业炉传给周围物体。
辐射换热不仅取决于两个物体之间的温度差，而且还取决于它们的温度绝对量。
对于导热来说，其热流密度与温度梯度成正比，而对辐射换热来说，热流密度（或辐射力）与辐射物体热力学温度的四次方成正比，即E∝T4。
二、吸收率、反射率、穿透率当热辐射的能量投射到物体表面上时，同可见光一样有吸收、反射和穿透的现象。
设辐射到物体表面的总能量为Q，其中一部分Qa在进入物体表面后被物体吸收，另一部分能量Qρ被物体反射，其余部分Qτ穿透物体，如教材150页图11-2所示。
根据能量守恒定律得或。
（11-1）令，，则式（11-1）可写成。
（11-2）式中α、ρ、τ——物体的辐射吸收率、反射率和穿透率。
固体及液体在表面下很短的一段距离内就能把辐射能吸收完毕，并把它转换成热能，使物体的温度升高。
对于金属导体，这段距离约为1μm；对于大多数非导电材料，这一距离也小于1mm。
辐射换热优秀课件
3. 基尔霍夫定律
• 物体吸收辐射能旳能力与发射辐射能旳能力之间旳关系
, ,T , ,T
吸收辐射能旳能力愈强旳物体，发射辐射能旳 能力也就愈强。 在温度相同旳物体中，黑体吸收辐射能旳能力 最强，发射辐射能旳能力也最强。
• 对于漫射体，辐射特征与方向无关，基尔霍夫定律体 现式为
T T
• 立体角
半径r旳球面上面积 A 与球心所相应空间角度
A
r2
立体角旳单位叫球面度，用Sr表达。
半个球面所相应旳立体角为2 Sr。
dA2 rd rsind r 2sindd
d
dA2 r2
sindd
辐射强度
• 单位时间内从单位投影面积（可会面积）所发 出旳包括在单位立体角内旳辐射能。
L , d
Eb
C15
eC2 / T 1
—波长，m；
T—热力学温度，K； C1—普朗克第一常数，C1= 3.743×10-16 Wm2 ; C2—普朗克第二常数， C2 = 1.439×10-2 mK。
黑体旳光谱辐射力
可见光
光谱辐射力随波长和温度旳变化特点：
• 温度愈高，同一波长下旳光谱辐射力愈大； • 在一定旳温度下，黑体旳光谱辐射力随波长连续
对于金属，表面层厚度只有1m旳量级； 对于绝大多数非金属材料，表面层厚度不大于
1mm。
所以，对于固体和液体，能够以为对热辐射旳 透射比为零:
1
为了简化问题，定义某些理想物体。 •镜体（或白体）:
反射比 = 1旳物体
•绝对透明体:
透射比 = 1旳物体。
物体表面对热辐射旳反射 • 镜反射
物体表面粗糙尺度不不小于投射辐射能旳波长. 例如高度抛光旳金属表面
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1
0
(,T1)b(,T2)Eb(T2)d
0 (,T1)Eb(T2)d
0 b(,T2)Eb(T2)d
0 Eb(T2)d
0 (,T1)Eb(T2)d T24
f (T1,T2, 表面1的性质 )
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物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系 材料自身温度T1为294K
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ห้องสมุดไป่ตู้
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T / (mK)
.高等传热学
Fb(0-) / %
T / (mK)
Fb(0-) / %
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2200 2400 2600 2800 3000 华北电力大学
0.0323 0.0916 0.214 0.434 0.782 1.290 1.979 2.862 3.946 5.225 6.690 10.11 14.05 18.34 22.82 27.36
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定向辐射强度:单位可见面积发射出去的落在空间任意 方向的单位立体角中的能量。
IdA d dΦ Ω (c )osW/2(sm r)
dAcos
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二、黑体辐射
.高等传热学
吸收比 = 1的物体称为黑体。
黑体还应具有什么性质？
黑体辐射具有什么特性？
四次方定律
不同方向？ 辐射力
思考：兰贝特定律是否说明黑体对外辐射的能量在空间各个方向是相等的？
黑体单位面积辐射出去的能量在空 间的不同方向分布是不均匀的，其
定向辐射力随纬度角呈余弦规律
变化。法向最大，切向最小。
Lambert定律也称为余弦定律。
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Eb
d ( , )
2 dA
2 Ib cos d
Ib cos sin d d
②同一物体不同温度ε：严重氧化的铝表面50℃时ε ＝0.2；500℃时ε＝0.3
③同一材料，不同表面状况：a常温下无光泽黄铜ε
＝0.22；磨光后的黄铜ε＝0.05 大部分非金属材料的发射率一般在0.85～0.95之间；
且与表面状况关系不大，在缺乏资料时，可近似取
为华北0.电9。力大学
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部分常见材料表面的法向发射率
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.高等传热学
【例】试求温度为1400K和6000K时的黑体辐射中可见光所 占的份额。
【解】：可见光的波长范围是从0.38μm到0.76μm，对于 1400K的黑体其λT值分别为532和1064。可从表4－1查得 Fb(0-λ1)和Fb(0-λ2)分别为<<0.1%和0.07%。于是可见光所 占份额为
研究如图示中微元面
dA1到另一个微元面dA2
的角系数，根据定义得：
Xd1,d2Ib1d1A cIo b1 1 dd sA 12A rc2o 2sd2A co r 2 1c so 2s
1
X1,2A 1 A 1
A2co1rc s2 o2sd1d A2AA1X1,2
不同波长？
兰贝特定律 普朗克定律
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.
二、黑体辐射
1、普朗克定律(1900)
Eb
C15
eC2 /T 1
维恩Wien位移定律(1893) mT290m0K
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【例】试分别计算温度为2000K和5800K的黑 体的最大光谱辐射力所对应的波长。
【解】应用Wien位移定律 T=2000K时 max=2.910-3/2000=1.45 m T=5800K时 max=2.910-3/5800=0.50 m 常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区
3、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能 把物体当作灰体处理。
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例、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。 试问树叶上、下面的哪一面结霜?为什么?
答：霜会结在树叶的上表面。因为清晨，上表面 朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的温度 低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。 由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空 辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而 上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。
材料类别和表面状况
具有光滑的氧化层表皮的钢板 镀锌铁皮 严重氧化的铝表面 严重氧化的铝表面 无光泽黄铜 磨光的黄铜 红砖 玻璃 各种颜色的油漆 雪 人体皮肤
温度/℃ 法向发射率εn
20
0.82
38
0.28
50
0.2
500
0.3
38
0.22
38
0.05
20
0.88~0.93
40
0.94
40
0.92~0.96
6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000
77.66 80.83 83.46 85.64 87.47 89.07 90.32 91.43 94.51 96.29 97.38 98.08 98.56 98.89 99.12 99.30
() E
Eb
实际物体的定向辐射强度与 () I() I()
黑体的定向辐射强度之比：
Ib() Ib
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2、实际物体的吸收比 G
G
实际物体的光谱吸收比
() () G() G()
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根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面 性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分 布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体和产生 投入辐射的物体，则物体1的吸收比为
.
热辐射与辐射换热部分
一、一些基本概念 二、黑体辐射 三、实际物体的辐射与吸收 四、辐射换热的计算
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.可见光的波长范围：0.38~0.76μm
一、一些基本概念
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1、吸收、反射和透射
投射辐射周围物体在单位时间内投射到物体单位表
面积上的辐射能。用G表示，单位W/m2 。
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Eb
2 1
Ebd
特定波长区段内的黑体辐射力
通常把波段区间的辐
射能表示为同温度下
黑体辐射力的百分数，
记作
Fb，(1 称2 ) 作黑
体辐射函数。
F b(12 )
E d 2
1 b
0 Ebd
1
T 4
E d 2
1 b
1
T4
2 0
Eb
d
1 0
Eb
d
Fb(02 ) Fb(01) f (2T ) f (1T )
和定向发射率 （定 (向 )黑度）的概念。
E Eb
() E
Eb
() L()
Lb
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1、实际物体的辐射
E()Eb ()1
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.
E Eb
E
Eb
0
()Ebd T4
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.
() L()
Lb
几种非金属材料的定向发 射率
几种金属材料的定向发射率
.
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.
温室大棚就是利用了玻璃对辐射能吸收的选择性
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.
实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长有选择性 这一情况给辐射换热的工程计算带来很多不便。 3、灰体
光谱吸收比与波长无关的理想物体称为灰体。
()常数
在红外线的辐射范围内大多数工程材料可以当作灰 体处理。 引入的意义：不管投入辐射的分布如何，均为常数， 即物体的吸收比只取决于本身的情况而与外界情况无关。
太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区
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2、斯忒藩-玻耳兹曼定律
黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩-波 尔兹曼定律：
Eb T4 C01T004
5.67108 W/2(m K4)
C05.67W/2(m K4)
普朗克定律与Stefan-Boltzmann定律的关系
E b0 E bd0 ec2c(1 T )51dT4
本课程的研究范围内，辐射传热计算假设表面为漫
灰的。
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4、基尔霍夫定律
基尔霍夫定律给出了 实际物体辐射能力与吸 收能力的关系。
列出处于热平衡时，实际 物体2的能量收支关系。
E Eb
E
E b 但是，这个等式是有条件的。
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基尔霍夫定律的四种表达形式：
, ,,T , ,,T 无条件成立
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四、辐射换热的计算
1,2A(Eb1Eb2)
角系数
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有效辐射
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1、角系数
（1）角系数的定义
我们把从表面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或1,2
角系数是纯几何因子.
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（2）角系数的性质
角系数的相对性
Fb(λ1-λ2)=Fb(0-λ2)-Fb(0-λ1)=0.07%。
同样的做法可以得出6000K的黑体 在可见光范围所占的份额为
Fb(λ1-λ2)=Fb(0-λ2)-Fb(0-λ1)=57.3%11.3%=46%。