文档介绍：第五章辐射换热
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。
5-1 热辐射的基本概念

辐射是物体以光的形式向外发出能量的过程,常称为电磁辐射或电磁波。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5-1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,由此也构成了围绕辐射过程的广泛的科学和技术领域。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,-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热平衡状态之中,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。
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。
无线电波
红外线
可见光
紫外线
X射线
γ射线
10-8 10-6 10-4 10-2 10-1 100 101 102 104 106 108
图5-1电磁辐射波谱分布图
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5-2所示。如果单位时间投射到单位物体表面的辐射能量,即投入辐射为Q(W/m2),那么被表面反射的部分为Qr,吸收部分为Qa,穿透部分为Qt。由物体表面的热平衡有:。将此式两边同时除以G则可得到,
Qi
Qa
Qr

Qt
图5-2物体对辐射的吸收、反射和穿透
, 5-1
式中: 为反射率,为吸收率,为穿透率。
对于大多数的固体和液体,穿透率τ=0,因而有。 5-2
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。 5-3
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。
n n

φφ
(a)镜反射(b)漫反射
图5-4物体表面对热射线的反射特征

黑体表面
热射线
等温腔壁
图5-3黑体腔和黑体表面
通常把吸收率α=1的物体称为黑体,如图5-3所示。从中黑体是一种理想物体表面,是由一个等温腔的开孔表面构成,进入其中的热射线,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出来,因而可以将等温腔的开孔的表明视为一个对热辐射完全吸收的表。那么,它就是一个人造的黑体。研究黑体的辐射在热辐射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。
而把反射率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,而是介于二者之间。但是,为了研究问题的方便,当我们处理工业温度范围(温度小于2000K)内的辐射换计算时,常常把物体表面视为漫射表面,使得物体间的辐射能分配变为纯几何关系,从而给辐射换热的计算带来便利。
对于穿透率τ=1的物体称为透明体。在热辐射研究中完全的透明体是不存在的,只是在一定条件下对物体热辐射过程的简化处理,如玻璃材料对于可见光和空气对于红外线可以视为透明体。

在热辐射的研究中定义了一些反映物体热辐射性能的物理量,它们是辐射力和辐射强度。为了便于理解和掌握这些物理量,我们采用集中讨论的方式来定义和讨论它们。