文档介绍：传热学:第七章辐射换热
第七章辐射换热
热辐射是不同于热传导和热对流的另一种热量传递方式,它不需要通过任何介质来
实现热量的传递,而是由物体直接发出热射线来达到能量传递的目的。显然,研究热辐射
就会采用与其它两种热量传递方式不同的分析和处理办法。在这一章中,我们从黑体辐射
的研究入手,讨论黑体辐射的基本定律及其辐射换热的规律,进而讨论实际物体的辐射和
吸收特性以及辐射换热的计算方法。
7-1 热辐射的基本概念
1 物体的热辐射特征
辐射是物体以光的形式向外发出能量的过程,常称为电磁辐射。一般而言,辐射的能
量特征可以用普朗克(Planck)光量子假说予以解释,而其传播特征可以由麦克斯威尔
(Maxwell)电磁场理论来解释。电磁辐射的波长范围很广,从长达数百米的无线电波到
小于 10-14 米的宇宙射线,图 7-1 给出了各种电磁波的波长分布。这些射线不仅产生的原因
各不相同,而且性质也各异,由此也构成了广泛的围绕电磁辐射现象的科学和技术领域。
这里我们无意去讨论各种辐射过程,仅仅对由物质的热运动而产生的电磁辐射,以及因这
些电磁辐射投射到物体上而引起的热效应感兴趣。我们把这一部分电磁辐射称为热辐射,
其射线的波长范围在 -1000μ(微米)之间,这就是通常所说的可见光和红外线部分的
电磁辐射。物体的温度只要高于绝对零度(0 K)就会发出热射线使其内能减小,从而使
其温度下降;而物体接受热射线后内能就会增加,也就表现出温度升高,这就是所谓电磁
辐射引起的热效应。实际上,环境中的物体随时都处于辐射平衡状态之中,也就是物体在
发射热辐射和接受热辐射的综合作用下保持某一个平衡温度。
可见光
紫外线红外线
γ射线 X 射线无线电波
10-8 10-6 10-4 10-2 10-1 100 101 102 104 106 108
图 7-1 电磁辐射波谱分布图
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传热学:第七章辐射换热
一个物体如果与另一个物体相互能够看得见,那么它们之间就会发生辐射热交换。
而交换的辐射换热量不仅与两个物体的温度有关,而且与物体的形状大小和相互位置有
关,同时还与物体所处的环境密切相关。这些问题都将在下面进行讨论。
热射线同其它电磁波一样投射到物体表面
时,会被物体吸收、反射和穿透,如图 7-2所示。
Q
如果单位时间投射到单位物体表面的辐射能量, Q r
即投入辐射为 Q(W/m2),那么被表面反射的部
Qa
分为 Qr,吸收部分为 Qa,穿透部分为 Qt。由物体
Qt
表面的热平衡有: = 。将此式两
Q Qr + Qa + Qt 图 7-2 物体对辐射的吸收、反射和穿透
边同时除以G则可得到,
ρ+α+τ=1, 7-1
式中: 为反射率, 为吸收率, 为穿透率。
ρ= Qr Q α= Qa Q τ= Qt Q
对于大多数的固体和液体,穿透率τ=0,因而有ρ+α= 1 。 7-2
由于热射线不能穿过固体和液体,于是可以把它们的吸收和反射视为一个表面过程,它们
自身辐射也应在表面完成。因此,发生在固体和液体上的热辐射是一个表面过程。这给辐
射换热的计算带来了方便。
由于气体不能反射热射线,因而有ρ=0,这就导致α+τ= 1。 7-3
此式表明,气体对热射线的吸收和穿透是在空间中进行的,其自身的辐射也是在空间中完
成的。因此,气体的热辐射是一个容积过程。
通常把吸收率α=1 的物体称为黑体,它
黑体表面
是一种理想的物体或表面。图 7-3 给出了一个
人造的黑体模型的示意图。它是由一个等温
腔体构成表面有一出开口,这个开口表面就热射线
等温腔壁
是我们认为的黑体表面。因为通过开口进入
等温腔体的热射线,经过多次的吸收和反射,
只有极小量的热射线能够从开孔处逃逸出图 7-3 黑体腔和黑体表面
来,因而可以将等温腔的开孔表面视为一个
对热辐射完全吸收的表面。那么,它就是一个人造的黑体。研究黑体的辐射在热辐射的研
究中具有重要的理论意义和实用价值,因而也是我们讨论热辐射的重要内容。
把反射率ρ=1 物体称为白体(具有漫反射的表面)或镜体(具有镜反射的表面)。物
体表面是漫反射还是镜反射,这要取决于物体表面相对于辐射波长的表面平整程度。这里
还应指出,漫反射表面的自身辐射也是漫发射的,而镜反射表面的自身辐射也是镜发射的。
实际上,物体表面对于热射线而言,既不是完全的漫射表面,也不是完全的镜射表面,而
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n
n
φφ
(a)镜反射(b)漫反射
图 7-4 物体表