固体的热辐射·固体辐射能力及黑度
26 热辐射(辐射传热)
斯蒂芬（一）黑体的辐射能力与吸收能力 —斯蒂芬-波尔兹曼定律
理论研究证明，黑体的辐射能力，即单位时间单位黑体表面向外界辐射的全部波 长的总能量，服从下列斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan—Boltzmann)定律
Eb = σ 0T 4 T Eb = C 0 100
4
σ 0 = 5.67 × 10−8 W/(m 2 ⋅ K 4 ) ——黑体辐射常数 黑体辐射常数
ε =a
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E = aEb
辐射传热 8/29
（三）灰体的辐射能力和吸收能力—克希荷夫定律 灰体的辐射能力和吸收能力—
由克希荷夫定律可推知，物体的辐射能力越大其吸收能力也越大，即善于辐射者 必善于吸收。此定律还说明，实际物体(可近似为灰体者)对任何投入辐射的吸收 率均可用其黑度的数值，而黑度是可以通过实验加以测定的。 实践证明，引入灰体的概念，并把大多数材料当作灰体处理，可大大简化辐射传 热的计算而不会产生很大的误差。但必须注意，不能把这种简化处理推广到对太 阳辐射的吸收。太阳表面温度很高，在太阳辐射中波长较短(0.38～0.76um)的 可见光占46％。物体的颜色对可见光的吸收呈现强烈选择性，故不能再作为灰 体处理。
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辐射传热
9/29
（四）黑体间的辐射传热和角系数
以上讨论了物体向外界辐射能量和吸收外界辐射能量的 能力，在此基础上可进一步讨论两物体间的辐射能量交 换。下面将首先讨论两黑体间的辐射传热。 图6—26为任意放置的两个黑体表面，其面积分别为A1 和A2，表面温度分别维持T1和T2不变。由图可知，黑 体1向外辐射的能量只有一部分Q1→2投射到黑体2并被 吸收。同样，黑体2向外辐射的能量也只有一部分Q2→1 投射到黑体1并被吸收。于是，两黑体间传递的热流量 为
《管式加热炉》1
二 热辐射的吸收、反射和透过（续）
镜反射（specular）： 光滑表面，表面的不平整尺寸小于 波长，入射角=反射角。当ρ= 1时，称 为镜体。 漫反射（diffuse）： 表面的不平整尺寸大于波长，表面 对热射线的反射，在所有方向上杂乱无 章。ρ = 1时，称为白体。
二 热辐射的吸收、反射和透过（续）
ϕ=
π
2
时，I ϕ = π = 0
2
将遵守兰贝特定律的表面称为兰贝特表面，黑表面即是。
三 兰贝特（Lambert）定律——余弦定律
E0 = ∫ I 0 dω
0 2π
dω =
da R2
da = Rdϕ ⋅ R sin ϕdθ
dω =
2π
Rdϕ ⋅ R sin ϕdθ = sin ϕdϕdθ 2 R
2π
二 热辐射的吸收、反射和透过（续）
大部分固体和液体在小于1mm（甚至1μm）的非常薄的表面层 内，就能吸收掉全部热辐射，即τ= 0，ρ + α = 1，为不透明物 质。 可见光：黑色表面易吸收热量，α大——>反射率ρ小； 白色表面不易吸收热量，α小——>反射率ρ大。 不可见光：黑色表面与白色表面一样吸收。吸收率的大小主要取决于 表面的状况。表面越光滑——>反射率越高。 金属镜面：ρ = 0.95～0.97。 石膏粗糙表面：ρ = 0.10
一 热辐射的特征（续）
电磁辐射波谱 辐射线名称 宇宙射线 伽玛射线 伦琴射线 紫外线 可见光 红外线 < 1×10-7 1×10-7～1×10-5 1×10-5～2×10-2 2×10-2～0.38 0.38～0.76 0.76～1×103 （< 4μm 为近红外线） （> 4μm 为远红外线） 无线电波 1×103～2×1010 波长 / μm
固体表面黑度测定
文档固体表面黑度的测定报告书课程名称：传热学小组成员：鑫、林银福、谷岩帅、柴英杰、沛哲指导教师：任素波提交时间：2015年11月10日目录1.前言2.实验设备介绍及原理分析2.1实验设备2.2实验原理3. 实验试件的测绘3.1测绘过程3.2主要测绘数据3.3三维图4. 实验步骤介绍5. 实验数据及实验结果5.1原始数据5.2实验数据处理6. 实验数据分析6.1实验结论6.2误差分析7.心得体会及人员分工8.主要参考文献附：实验试件工程图摘要：本实验旨在通过固体表面黑度的测定,分析固体表面黑度随温度的变化规律,从而巩固辐射换热理论。
实验中我们采用真空辐射法测定试件表面黑度，即将一个已知长度和直径的试件放入一密封空腔，且空腔不存在吸收热辐射的介质（如空气），为真空，通过电加热彼此之间以辐射换热方式进行热交换，待温度基本不变后，通过加热器电压调节试件外表面温度，最后处理实验数据得到固体表面黑度随温度的变化规律。
1.前言本项目主要容为利用真空辐射法测量固体表面黑度，并分析温度对黑度的影响。
通过理论学习和项目实践使同学掌握以下能力：（1）熟悉物体表面黑度的测试原理；（2）巩固辐射换热原理：（3）分析固体表面黑度随温度的变化规律：(4)熟练应用三维设计软件对实验试件的设计；(5)分析影响物体表面黑度的因素；(6)了解实验原理，并对实验设备进行拆装，学会使用各种测试仪表进行测试；(7)提高学生的动手能力、理论联系实际能力和团队的协作能力；(8)得到查阅文献、阅读相关技术资料和调查研究能力的训炼；(9)通过研究报告的撰写使学生在科技文献写作方面获得训练；(10)通过PPT讲演稿的撰写和实际答辩过程，使学生在PPT文稿撰写和演讲技术方面获得训练。
2.实验设备介绍及原理分析2.1实验设备实验设备由黑度测定仪本体及三个系统组成，三个系统分别为：（1）加热系统：包括电加热器、电流表、电压表、调压器、稳压集成块。
（2）真空系统：包括真空泵、真空保持阀、真空表、大气阀以及密封装置。
5.填空题-题目
层次：A(1) t05a01009等温面不会相交，因为__________________________________________________。
(2) t05a01011为了减少高温发热体辐射的散失，可采用在发热体之外设置_______________的措施。
(3) t05a01012在多层平壁稳定热传导中，通过各层的热通量________________。
(4) t05a01033在流体与间壁间的换热过程中，计算式d Q = ·d A·Δt中，Δt表示为_______________。
(5) t05a01034努塞尔准数的定义式是_________________________。
(6) t05a01035定性温度是指___________________________________。
(7) t05a01041对流给热过程的特征尺寸是指______________________________。
(8) t05a01054滴状冷凝的给热系数________膜状冷凝给热系数。
(9) t05a01055沸腾传热时，在核状沸腾区壁面与沸腾流体的温差愈大，则α__________。
(10) t05a01063蒸汽冷凝时，当蒸汽流速较大，且蒸汽和液膜流向相同，则使蒸汽冷凝给热系数______________。
(11) t05a01068单一饱和蒸汽冷凝时，热阻由_______________决定。
(12) t05a01076相等(13) t05a01078黑色的表面粗糙的物体热辐射能力__________________。
(14) t05a01079为了增加电器设备的散热能力，可在表面涂上黑度____________的油漆。
(15) t05a01085物体的辐射传热速率与绝对温度的____________成正比。
热辐射是由________________________________________所引起。
传热学8.3 固体和液体的辐射特性
同温度下，黑体热辐射力 > 真实物体热辐射力
发射率
(也称为黑度)
实验
：
E Eb
E
T4
实际物体的辐射力 黑体辐射力
测得
E
()
E Eb
=
实际物体的光谱辐射力 黑体的光谱辐射力
和Ｔ
E Eb
0
(
)
Eb
d
T4
有关
E T 4
Eb
c1 5 exp(c2 (T )) 1
1.20εn。 (4)大部分非金属材料的发射率较高，一般ε=0.8-0.9。 (5)实际物体辐射力并非严格与T4成正比(金属略高，气体略低)，但通常仍用
T4表示，而把其他复杂因素归于ε中。
(6)无论对金属和非金属导体，在表面法线方向大约θ＝0~60。范围内的定向 发射率均保持为常数，而表面发射的辐射能绝大部分集中在这一区域，因此， 通常认为金属表面和非金属表面均为符合兰贝特定律的漫射表面。
实际物体的定向辐射强度 黑体的定向辐射强度
E Eb
Ib
( )d
= 2
Ib
( )d
= 2
M n 金属表面：M=1.0~1.3 （高度磨光表面M=1.3）
非导体：M=0.95~1.0 （粗糙表面M=1.0）
影响物体发射率的因素： 发射率只与发射辐射物体本身有关
E Eb
Ib
( )d
= 2
Ib
( )d
= 2
理解实际物体的ε，ε(λ)，ε(θ)时需注意以下几点：
液体和固体物质的热辐射特性对照
液体和固体物质的热辐射特性对照简介：热辐射是物体表面由于温度而产生的电磁辐射，涉及到固体和液体物质。
本文将对比液体和固体物质的热辐射特性，通过探讨其辐射频谱、发射光谱、吸收光谱以及热辐射机制的差异，帮助读者深入了解两者之间的异同。
1. 辐射频谱：固体物质：固体物质的热辐射频谱范围广泛，从长波红外到短波紫外都可存在。
基于基尔霍夫定律，固体物质的辐射频率呈现连续谱。
这是由于固体物质具有多个能级，使得它们能够在宽波段范围内进行辐射，从红外到紫外都有所分布。
液体物质：相比之下，液体物质的热辐射频谱相对狭窄。
液体物质的能级分布相对较稀疏，其热辐射主要集中在红外波段。
这导致液体物质的辐射频谱相对于固体物质来说较窄，较少涵盖紫外和可见光区域。
2. 发射光谱：固体物质：固体物质的发射光谱与其化学组成及结构有关。
在固体物质中，原子、离子和分子之间可能存在多种能级跃迁，使得波长在可见光和红外之间的光谱成为可能。
例如，某些金属盐类在高温下发出特定波长的光，如红宝石，在相应波长的光下表现出明显的吸收和发射特征。
液体物质：液体物质的发射光谱通常在红外波段占主导地位，这是由于液体的分子振动能级跃迁引起的。
液体物质中的分子能量跃迁往往发生在波长长于可见光范围的红外区域。
根据物质的种类和结构，不同的液体物质可能有不同的发射谱线。
3. 吸收光谱：固体物质：固体物质的吸收光谱与其原子、离子和分子的电子能级结构有关。
不同的物质在不同波长的光下显示出不同的吸收特性。
例如，某些半导体材料对可见光吸收较强，而金属则可能对红外光具有较高的吸收能力。
固体物质的吸收光谱可以用来识别其成分和结构。
液体物质：与固体物质不同，液体物质在可见光和红外光谱范围内的吸收特性通常较低。
虽然液体物质在红外波段对特定频率的辐射吸收较强，但相对于固体物质来说，液体材料的吸收光谱可变性较小。
4. 热辐射机制：固体物质：固体物质的热辐射机制主要包括基于物体的黑体辐射和表面反射。
固体的热辐射·固体辐射能力及黑度
固体的热辐射·固体辐射能力及黑度温度大于绝对零度的任何固体表面都能发射波长连续的热辐射线。
发射热辐射线的区域是在距表面内边约0.03~0.1mm的厚度以内。
同样，对投入的辐射线也在表面附近吸收和反射，故绝大多数实际固体的透过率为零，但玻璃和石英则是例外，产们对可见光和近红外线几乎可全部透过，但对主要的红外线的吸收能力却是十分强的。
由于热射线主要位于这个区段，因此绝大多数固体可看作是对热的不透过体。
实际固体的单色辐射能力不服从普朗克定律，不同于黑体和灰体。
实际固体表面的黑度取决于物体性质、表面状况和表面温度。
实际固体表面在φ方向的辐射强度Iφ而变化。
对于某些非导体和表面磨光的金属在方向上的变化参见图3-10。
可见，对不光滑的表面，余弦定律适用于φ=0°~60°的范围内。
即Eφ不随φ而变，当φ＞60°时，Eφ减小，趋向于零(图中曲线1~3)。
在传热手册中，有的给出半球方向内黑度的平均值E，有的给出法线方向的黑度值E=0.96En，两者相差不大。
对于磨光了的金属面(如图中曲线4，5，6)可看到对余弦定律更显著的偏差，φ于30°—80°间，Eφ随φ的增加而加大，φ＞80°后，Eφ随φ增加而减少；趋向于零，在这类情况下，可以按E=1.2En计算。
各种材料的法向黑度(全波长的平均值)见表3-2。
用于加热炉的工程材料的黑度见表3-3。
从表3-2、表3-3可看出:(1)大部分非金属材料的黑度很高，如光滑的玻璃E＞0.9，红砖E=0.94。
(2)金属的黑度随表面的氧化程度和粗糙度而异，研磨光滑的钢，E=0.066，而氧化后达0.8。
(3)各种颜色的油漆包括白漆、水、雪的黑度很大，接近黑体。
热辐射基本定律及物体辐射特性
图7-5 黑体模型
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
7
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2.热辐射能量的表示方法
辐射力E：
单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有 波长的能量总和。 (W/m2)；
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)；
这样，前面定义的半球总发射率则可以写为：
εT0ε0 E , T ,bE la,cbklab,cT okdb d,y λ T oddy λEacE te bu(m T a)li(tT te)d
半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
19
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Absorptivity deals with what happens to __________________ _____________, while
emissivity deals with __________________ ___
Semi-transparent medium
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
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首先介绍几个概念： 1. 投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能
2. 选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际 物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变 化，这叫选择性吸收
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(投 量入辐)射
9
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(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：
热辐射原理及计算
主要内容：
热辐射的基本概念、基本定律；
辐射传热计算的基本方法。 作业：练习题4-12, 4-13
1 热辐射的基本概念
(1) 热辐射 (T↑，热辐射↑)
物体因热的原因，对外以电磁波形式向外发出辐射能→ 吸收→热能。
① 热辐射机理的定性描述： 物体受热后→其中某些原子or 分子“激发态”，从激 发态 → 低能态→能量就以电磁波辐射的形式发射出来。
12
1——被包围物体； 2——外围物。
若A2>>A1，则：C
1C0
③ 物体2恰好包住物体1(A2≈A1)：
1 2 1.0
C1 2 C0 1 1 1
1
2
4 影响辐射传热的主要因素
(1) 温度
辐射传热量正比于温度的四次方之差 → 同样△T，在高温时辐射 传热量↑； 如：T1=720K，T2=700K与T1=120K，T2=100K两者温差相同，但 在其它条件相同时，热流量相差240多倍 → 高温传热时，热辐 射占主要地位；
物体的A、R、D→其大小取决于： 物体的性质； 表面状况； 温度； 投射辐射线的波长。
灰体——能以相同吸收率吸收所有波长范围辐射能的物体；
特点： A与辐射线波长无关，即物体对投入辐射的吸收 率与外界无关；
不透过体，A+R=1 →工业上常见固体材料(0.4～ 20 μm)。 (3) 辐射传热 物体之间相互辐射与吸收辐射能的传热过程。
温为27℃。为减少炉门的辐射散热，在距炉门35mm处放置一块与炉门大小
相同的铝制遮热板(已氧化)，试计算放置遮热板前、后炉门因辐射而散失的 热量。(铸铁ε1=0.75， 铝ε3=0.15)
解：①放遮热板前，炉门为四周所包围，则有：
物体的热辐射和黑体辐射
物体的热辐射和黑体辐射热辐射是指物体由于其内部热量而向外发射的电磁波。
根据普朗克理论，物体的热辐射主要由黑体辐射所决定。
黑体辐射是理想化的物体，能够吸收所有辐射能并无损失地辐射出来。
本文将探讨物体的热辐射和黑体辐射的关系以及其在实际应用中的重要性。
一、热辐射的特点热辐射是由处于宏观物体内部微观粒子的热运动引起的电磁波辐射。
它的主要特点包括：1. 频率范围广：热辐射的频率范围涵盖了整个电磁波谱，从无线电波到可见光、紫外线、X射线和伽马射线。
2. 强度与温度相关：根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体的热辐射强度与物体的温度呈正比，即随着物体温度的升高，热辐射的强度也增加。
3. 反射和吸收：物体对热辐射的反射和吸收取决于其表面特性和材料组成。
二、黑体辐射的特性黑体是指能够吸收所有辐射能并无损失地辐射出来的物体。
它是理想化的概念，不代表实际物质。
黑体辐射的特性包括：1. 完全吸收：黑体对所有辐射能都能够完全吸收，不会有反射或透射损失。
2. 完全辐射：黑体能够以最高的辐射效率将吸收的能量全部辐射出来，不会有漏失。
3. 温度相关：根据斯特藩-玻尔兹曼定律，黑体辐射的强度与其温度的四次方成正比，即黑体辐射强度随温度的升高呈指数增长。
4. 能量分布：根据普朗克辐射定律，黑体辐射的能量分布与频率有关，呈现出明显的频谱特性。
三、物体的热辐射与温度的关系根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体的热辐射强度与其温度呈正比。
这意味着，随着物体温度的升高，物体辐射的能量也随之增加。
在实际应用中，这一关系在多个领域具有重要意义。
1. 热能利用：利用物体的热辐射特性，可以实现热能的利用和转换。
例如，太阳能热能利用系统利用太阳辐射的热能产生蒸汽驱动发电机，将太阳能转化为电能。
2. 温度测量：由于物体的热辐射强度与温度呈正比，可以通过测量物体的热辐射强度来确定其温度。
红外测温仪就是基于这一原理工作的设备，将物体发射的热辐射转化为温度信息。
3. 辐射传热：热辐射在空间传热中起着重要作用。
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固体的热辐射·固体辐射能力及黑度
温度大于绝对零度的任何固体表面都能发射波长连续的热辐射线。
发射热辐射线的区域是在距表面内边约0.03~0.1mm的厚度以内。
同样，对投入的辐射线也在表面附近吸收和反射，故绝大多数实际固体的透过率为零，但玻璃和石英则是例外，产们对可见光和近红外线几乎可全部透过，但对主要的红外线的吸收能力却是十分强的。
由于热射线主要位于这个区段，因此绝大多数固体可看作是对热的不透过体。
实际固体的单色辐射能力不服从普朗克定律，不同于黑体和灰体。
实际固体表面的黑度取决于物体性质、表面状况和表面温度。
实际固体表面在φ方向的辐射强度Iφ而变化。
对于某些非导体和表面磨光的金属在方向上的变化参见图3-10。
可见，对不光滑的表面，余弦定律适用于φ=0°~60°的范围内。
即
Eφ不随φ而变，当φ＞60°时，Eφ减小，趋向于零(图中曲线1~3)。
在传热手册中，有的给出半球方向内黑度的平均值E，有的给出法线方向的黑度值E=0.96En，两者相差不大。
对于磨光了的金属面(如图中曲线4，5，6)可看到对余弦定律更显著的偏差，φ于30°—80°间，Eφ随φ的增加而加大，φ＞80°后，Eφ随φ增加而减少；趋向于零，在这类情况下，可以按E=1.2En计算。
各种材料的法向黑度(全波长的平均值)见表3-2。
用于加热炉的工程材料的黑度见表3-3。
从表3-2、表3-3可看出:
(1)大部分非金属材料的黑度很高，如光滑的玻璃E＞0.9，红砖E=0.94。
(2)金属的黑度随表面的氧化程度和粗糙度而异，研磨光滑的钢，E=0.066，而氧化后达0.8。
(3)各种颜色的油漆包括白漆、水、雪的黑度很大，接近黑体。