熱輻射基礎(chǔ)知識

1、熱輻射基礎(chǔ)知識,1,林劍啟 編著,目錄,熱輻射定義和特點(diǎn),黑體、白體和透明體,熱輻射四大定律,熱輻射換熱計算,參考資料,輻射傳熱的控制（強(qiáng)化與削弱）,2,熱輻射定義和特點(diǎn),定義：熱輻射（thermal radiation） 是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。熱量傳遞的3種方式之一。一切溫度高于絕對零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多。熱輻射的光譜是連續(xù)譜，波長覆蓋范圍理論上可從0直至∞，一般的熱

2、輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播。由于電磁波的傳播無需任何介質(zhì)，所以熱輻射是在真空中唯一的傳熱方式。溫度較低時，主要以不可見的紅外光進(jìn)行輻射；當(dāng)溫度為300℃時熱輻射中最強(qiáng)的波長在紅外區(qū)；當(dāng)物體的溫度在500℃至800℃時，熱輻射中最強(qiáng)的波長成分在可見光區(qū)。關(guān)于熱輻射，其重要規(guī)律有4個：基爾霍夫輻射定律、普朗克輻射分布定律、斯蒂藩-玻耳茲曼定律、維恩位移定律。這4 個定律統(tǒng)稱為熱輻射定律。特點(diǎn)：熱射線的本質(zhì)決定了熱輻射過

3、程有如下特點(diǎn)：它是依靠電磁波向物體傳輸熱量，而不是依靠物質(zhì)的接觸來傳遞熱量。輻射換熱過程中伴隨著能量的兩次轉(zhuǎn)換：發(fā)射時，物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)換成輻射能；接受時，輻射能轉(zhuǎn)換成內(nèi)能。一切物體只要其溫度 T>0K ，都在不斷發(fā)生熱輻射。,3,熱輻射定義和特點(diǎn),電磁波與熱輻射：傳播速率與波長、頻率間的關(guān)系各種電磁波都以光速在真空中轉(zhuǎn)播，這是電磁輻射的共性，熱輻射也不例外。電磁波的速率、波長和頻率有以下關(guān)系：𝑐=

4、9891;𝜆????????????????? 公式1?1 式中：c? 表示電磁波的傳播速率，在真空中c=3× 10 8 𝑚/𝑠，在大氣中略低于此值 f? 頻率， 𝑠 ?1 ； 𝜆? 波長，單位m，常用單位為𝜇𝑚，1𝜇𝑚= 10 ?6 𝑚

5、;電磁波的波譜電磁波的波長包括從零到無窮大的范圍（如圖1-1所示）。理論上物體熱輻射的電磁波波長可以包括整個波譜，然而在工業(yè)上所遇到的溫度范圍內(nèi)，即2000K以下，有實(shí)際意義的熱輻射波長位于0.8~100𝜇𝑚之間，且大部分能量位于紅外線區(qū)段的0.76~20𝜇𝑚范圍內(nèi)，而在可見光區(qū)段，即波長為0.38~0.76𝜇𝑚的區(qū)段，熱輻射能量的比重

6、不大。顯然，當(dāng)熱輻射的波長大于0.76𝜇𝑚時，人們的眼睛將看不見。如果我們把溫度范圍擴(kuò)大到太陽輻射，情況就會有變化。太陽是溫度約為5800K的熱源，其溫度比一般工業(yè)上遇到的溫度高出很多。對于太陽輻射，主要能量集中在0.2~2𝜇𝑚的波長范圍，其中可見光區(qū)段占有很大比重。所以如果把太陽輻射包括在內(nèi)，熱輻射的波長區(qū)段為0.1~100𝜇𝑚。,4,熱輻

7、射定義和特點(diǎn),電磁波的應(yīng)用：各種波長的電磁波在生產(chǎn)、科研與日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。對于紅外輻射（infrared radiation），它又有近紅外與遠(yuǎn)紅外之分，大體上以25𝜇𝑚為界（國際照明委員會定的界限），25𝜇𝑚以下的稱為近紅外線。波長在1mm~1m之間的電磁波稱為微波（microwave），微波可以穿透塑料、玻璃以及陶瓷制品，但卻會被像水那樣具有極性分子的物體吸

8、收，在物體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)熱源，從而使物體能比較均勻的得到加熱。各類食品的主要成分是水，因而微波加熱食物是一種比較理想的加熱手段，微波爐就是利用這一原理來加熱的。波長大于1m的電磁波則廣泛用于無線電技術(shù)中。,圖1-1 電磁波的波譜,5,黑體、白體和透明體,定義：熱輻射是物體以電磁波的方式向外傳遞熱量過程，而電磁波與光的特性相同，具有波粒二象性，所以對電磁波來說，透射、反射，折射規(guī)律同樣適用。根據(jù)能量守恒定律，有以下公式⻓

9、6;= 𝑄 𝑟 + 𝑄 𝑎 + 𝑄 𝑑 ?????????????? 公式2?1 𝑄 𝑟 𝑄 + 𝑄 𝑎 𝑄 + 𝑄 𝑑 𝑄 =𝑟+𝑎+𝑑

10、;=1???????????? 公式2?2 式中：𝑟?反射率；𝑎?吸收率；𝑑?透過率當(dāng)反射率𝑟=1時，表明物體能將投射到它表面的電磁波全部反射，稱為絕對白體，簡稱白體；當(dāng)吸收率𝑎=1時，表明物體能將投射到它表面的電磁波全部吸收，稱為絕對黑體，簡稱黑體；當(dāng)透射率𝑑=1時，表明物體能將投射到它表面的電磁波全部透過，稱為絕對透明，簡稱透明體

11、。注意：上面所說的黑體、白體、透明體均是對電磁波而言，而不是對可見光，而且它們都是理論中的理想物體，實(shí)際并不存在。,圖2-1 物體對熱輻射的吸收、反射和穿透,6,黑體、白體和透明體,黑體：試驗(yàn)表明物體的輻射能力與溫度有關(guān)，同一溫度下不同物體的輻射與吸收本領(lǐng)也大不一樣。在探索熱輻射規(guī)律的過程中，黑體（black body）這種理想物體的概念具有重大意義。黑體，是一個理想化了的物體，它能夠在任何溫度下吸收外來的全部電磁輻射，

12、并且不會有任何的反射與透射。但黑體不見得就是黑色的，它可以放出電磁波，而這些電磁波的波長和能量則全取決于黑體的溫度，不因其他因素而改變。在室溫下，黑體輻射的能量集中在長波電磁輻射和遠(yuǎn)紅外波段；當(dāng)黑體溫度到幾百攝氏度之后，黑體開始發(fā)出可見光。以鋼材為例根據(jù)溫度的升高過程，分別變?yōu)榧t色，橙色，黃色，當(dāng)溫度超過1300攝氏度時開始發(fā)白色和藍(lán)色。當(dāng)黑體變?yōu)榘咨臅r候，它同時會放出大量的紫外線。黑體的吸收率α=1，這意味著黑體能夠全部吸收各種波

13、長的輻射能。盡管在自然界并不存在黑體，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑體的模型。黑體模型的原理如下：取工程材料（它的吸收率必然小于黑體的吸收率）制造一個球殼形的空腔，使空腔壁面保持均勻的溫度，并在空腔上開一個小孔。射入小孔的輻射在空腔內(nèi)要經(jīng)過多次的吸收和反射，而每經(jīng)歷一次吸收，輻射能就按照內(nèi)壁吸收率的大小被減弱一次，最終能離開小孔的能量是微乎其微的，可以認(rèn)為所投入的輻射完全在空腔內(nèi)部被吸收。所以，就輻射特性而言，小孔具有黑體表面一樣

14、的性質(zhì)。值得指出的是，小孔面積占空腔內(nèi)壁總面積的比值越小，小孔就越接近黑體。若這個比值小于0.6%，當(dāng)內(nèi)壁吸收率為60%時，計算表明，小孔的吸收率可達(dá)99.6%。應(yīng)用這種原理建立的黑體模型，在黑體輻射的實(shí)驗(yàn)研究以及為實(shí)際物體提供輻射的比較標(biāo)準(zhǔn)等方面都十分有用。,7,黑體、白體和透明體,物體表面對電磁波的作用：吸收比、反射比與穿透比之間的一般關(guān)系當(dāng)輻射能進(jìn)入固體或液體表面后，在一個極短的距離內(nèi)就被吸收完了。對應(yīng)金屬導(dǎo)體，這一距離只有1

15、𝜇𝑚的數(shù)量級；對于大多數(shù)非導(dǎo)電體材料，這一距離小于1mm。就固體和液體而言，吸收能力大的物體其反射本領(lǐng)就小。反之，吸收能力小的物體其反射本領(lǐng)就大。氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，吸收性大的氣體，其穿透性就小。據(jù)上所述，固體和液體對投入輻射所呈現(xiàn)的吸收和反射特性，都具有在物體表面上進(jìn)行的特點(diǎn)，而不涉及物體的內(nèi)部，因此物體表面狀況對這些輻射特性的影響是至關(guān)重要的。而對氣體，輻射和吸收在整個其他容積中進(jìn)行，表面

16、狀況則是無關(guān)緊要的。固體表面的兩種反射輻射能投射到物體表面后，有鏡面發(fā)射和漫反射的區(qū)分，這取決于物體的表面粗糙度。這里所指的粗糙度是相對于熱輻射的波長而言的，當(dāng)表面粗糙度小于投入輻射的波長時，形成鏡面反射（圖2-2）。當(dāng)表面粗糙度大于投入輻射的波長時，形成漫反射（圖2-3）。,圖2-2 鏡面反射,圖2-2 漫反射,8,熱輻射四大定律,基爾霍夫輻射定律人物成就：基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff, 1

17、824-1887），德國物理學(xué)家。電路設(shè)計：1845年，提出基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律（KVL），解決了電器設(shè)計中電路方面的難題。被稱為“電路求解大師”。熱輻射：1859年，基爾霍夫做了用燈焰燒灼食鹽的實(shí)驗(yàn)。在研究過程中，得出了關(guān)于熱輻射的定律，后被稱為基爾霍夫定律（Kirchoff‘s law）。1862年他又進(jìn)一步得出絕對黑體的概念。他的熱輻射定律和絕對黑體概念是開辟20世紀(jì)物理學(xué)新紀(jì)元的關(guān)鍵之一。1900

18、年M.普朗克的量子論就發(fā)軔于此?；瘜W(xué)：在海德堡大學(xué)期間制成光譜儀，與化學(xué)家本生合作創(chuàng)立了光譜化學(xué)分析法（把各種元素放在本生燈上燒灼，發(fā)出波長一定的一些明線光譜，由此可以極靈敏地判斷這種元素的存在），從而發(fā)現(xiàn)了元素銫和銣?？茖W(xué)家利用光譜化學(xué)分析法，還發(fā)現(xiàn)了鉈、碘等許多種元素。光學(xué)理論：給出了惠更斯-菲涅耳原理的更嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式，對德國的理論物理學(xué)的發(fā)展有重大影響。著有《數(shù)學(xué)物理學(xué)講義》4卷。他還討論了電報信號沿圓形截面導(dǎo)線的擾動。薄

19、板直法線理論：1850年，在柏林大學(xué)執(zhí)教的基爾霍夫發(fā)表了他關(guān)于板的重要論文《彈性圓板的平衡與運(yùn)動》（Ueber das Gleichgewicht und die elastischen Scheibe：Credles Journal，Bd.40,S.51-88）。 基爾霍夫的論文指出泊松的錯誤。這就是力學(xué)界著名的基爾霍夫薄板假設(shè)。,9,熱輻射四大定律,基爾霍夫輻射定律：基爾霍夫輻射定律指出：在熱平衡條件下，所有物體在一定溫度下的輻射

20、功率密度（M）和輻射吸收比（𝛼）的比值都相同，并等于一個黑體在同一溫度下的輻射功率密度（ 𝑀 0 ）。與物體性質(zhì)無關(guān)，與物體溫度、電磁波的頻率有關(guān)。該定律的核心是，物體對電磁輻射的發(fā)射率與吸收比成正比。對全輻射而言，可用下式表示： 𝑀 𝛼 = 𝑀 1 𝛼 1 = 𝑀 2 𝛼 2 =?= &

21、#119872; 0 𝛼 0 = 𝑀 0 =𝑓 𝑇 ???????(公式3?1)式中：𝑀, 𝑀 1 , 𝑀 2 ? ? 表示幾個普通物體（非黑體）在溫度為T時的輻射功率密度 α, 𝛼 1 , 𝛼 2 ? ? 表示幾個普通物體（非黑體）在溫度為T時的輻射吸收比

22、 𝑀 0 ， 𝛼 0 ? 表示黑體在同一溫度下的輻射功率密度和輻射吸收比， 𝛼 0 =1基爾霍夫輻射定律還可用一句話表達(dá)：好的吸收體也是好的發(fā)射體?；隙蓮臄?shù)學(xué)上將材料處于熱平衡時，熱輻射的一些性質(zhì)聯(lián)系起來，總結(jié)了所有材料在熱平衡條件下的輻射規(guī)律，內(nèi)涵很豐富。,10,熱輻射四大定律,物體的吸收比：單位時間內(nèi)從外界投入到物體單位表面積上的輻射能稱為投入輻射。物體對投入輻

23、射所吸收的百分?jǐn)?shù)稱為該物體的吸收比。實(shí)際物體的吸收比𝛼的大小取決于吸收物體本身的情況和投入輻射的特性。物體吸收某一特定波長輻射能的百分?jǐn)?shù)稱為光譜吸收比。一般來說物體的光譜吸收比與波長有關(guān)。有些材料的光譜吸收比隨波長的變化不大。但另一些材料隨波長的變化很大。物體的光譜吸收比隨波長而異的這種特性稱為物體的吸收具有選擇性。比如植物與蔬菜栽培過程中使用的暖房就利用了玻璃對輻射能吸收的選擇性：當(dāng)太陽光照射到玻璃上時，由于玻

24、璃對波長小于3𝜇𝑚的輻射能的穿透比很大，從而使大部分太陽能可以進(jìn)入到暖房；暖房中的物體由于溫度較低，其輻射能絕大部分位于波長大于3𝜇𝑚的紅外范圍內(nèi)，而玻璃對于波長大于3𝜇𝑚的輻射能的穿透比很小，從而阻止了輻射能向暖房外的散失，這就是所謂的“溫室效應(yīng)”。焊接工人在焊工件時要戴上一副黑色的眼鏡，就是為了使對人體有害的紫外線能被特種玻璃所吸收

25、。世上萬物呈現(xiàn)不同的顏色的主要原因也在于選擇性的吸收和輻射。當(dāng)陽光照射到一個物體表面上時，如果該物體幾乎全部吸收各種可見光，它就呈黑色；如果幾乎全部反射可見光，它就呈白色；如果幾乎均勻地吸收各色可見光并均勻地反射各色可見光，它就呈灰色；如果只反射了一種波長的可見光而幾乎全部吸收了其他的可見光，則它就呈現(xiàn)被反射的這種輻射線的顏色。,圖3-1 銅和鋁的光譜吸收比與波長關(guān)系,11,熱輻射四大定律,三個層次的基爾霍夫定律：基爾霍夫定律有三個不

26、同層次上的表達(dá)式，其適用條件不同，如表3-1。對大多數(shù)工程計算，主要應(yīng)用“全波段、半球”這一層次上的表達(dá)式。,表4-1 常用材料表面黑度,溫室效應(yīng)：當(dāng)研究物體表面對太陽能的吸收時，一般不能把物體在常溫下的發(fā)射率作為對太陽能的吸收比。因?yàn)樘栞椛渲锌梢姽庹剂私话肽芰?，而大多?shù)物體對可見光波的吸收表現(xiàn)出強(qiáng)烈的選擇性。例如各種顏色（包括白色）的油漆，常溫下的發(fā)射率高達(dá)0.9，但在可見光范圍內(nèi)，白漆的吸收比僅0.1~0.2，而黑漆仍在0.9

27、以上。在夏天，人們喜歡穿白色或淺色衣服的理由也在此。在太陽能集熱器的研究中要求集熱器的涂層具有高的對太陽輻射的吸收比，而又希望減少涂層本身的發(fā)射率以減少散熱損失，目前已開發(fā)出的涂層材料的吸收比與發(fā)射率之比可高達(dá)8~10。位于太陽照耀下被玻璃封閉起來的空間，例如小轎車、培養(yǎng)植物的暖房等，其內(nèi)部溫度明顯地高于外界溫度，就是因?yàn)椴Ａμ栞椛渚哂袕?qiáng)烈的選擇性吸收的緣故。,12,熱輻射四大定律,圖3-1中表示了一種普通玻璃的光譜穿透比與波長的

28、關(guān)系，可見玻璃對于𝜆3𝜇𝑚熱輻射的穿透比甚少。于是大部分太陽輻射能穿透玻璃進(jìn)入有吸熱面的腔內(nèi)，而吸熱面發(fā)出的常溫下的長波輻射卻被玻璃阻擋在腔內(nèi)，從而產(chǎn)生了溫室效應(yīng)。在過去一個多世紀(jì)中由于世界范圍內(nèi)工業(yè)發(fā)展所排放的大量對紅外波段輻射有一定吸收率的氣體，如二氧化碳、多種CFC制冷劑，聚集在地球的外圍，一方面好像給地球罩了一層玻璃，另一方面，CFC中分解出來的氯氣又對臭氧層造成嚴(yán)重破壞

29、。當(dāng)前國際社會已經(jīng)對這些嚴(yán)重的環(huán)境問題引起高度重視，對具有溫室效應(yīng)和破壞臭氧層的氣體的排放作出了限制規(guī)定。例如對臭氧層破壞以及溫室效應(yīng)特別嚴(yán)重的冰箱制冷劑CFC12（R12）已經(jīng)被禁止使用。,圖3-2 玻璃穿透比與波長關(guān)系,13,熱輻射四大定律,普朗克輻射分布定律：人物成就：普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck， 1858-1947），德國物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人。普朗克早期的研究領(lǐng)

30、域主要是熱力學(xué)，他的博士論文就是《論熱力學(xué)的第二定律》。他的偉大成就是創(chuàng)立了量子理論，1900年12月14日他在德國物理學(xué)會上，宣讀了以《關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論》為題的論文，他說，為了從理論上得出正確的輻射公式，必須假定物質(zhì)輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地、而是一份一份地進(jìn)行的，只能取某個最小數(shù)值的整數(shù)倍。這個最小數(shù)值就叫能量子。這是物理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。勞厄稱這一天為“量子論的誕生

31、日”。1918年普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得了諾貝爾獎金。普朗克的墓在哥庭根市公墓內(nèi)，其標(biāo)志是一塊簡單的矩形石碑，他的墓志銘就是一行字： ?=6.626× 10 ?34 𝐽?𝑠 ，這也是對他畢生最大貢獻(xiàn)：提出量子假說的肯定。普朗克的另一個鮮為人知偉大的貢獻(xiàn)是推導(dǎo)出波爾茲曼常數(shù)k。他沿著波爾茲曼的思路進(jìn)行更深入的研究得出波爾茲曼常數(shù)后，為了向他一直尊崇的波爾茲曼教授表示尊重，建議將k命名為波爾

32、茲曼常數(shù)。普朗克的一生推導(dǎo)出現(xiàn)代物理學(xué)最重要的兩個常數(shù)k和h，是當(dāng)之無愧的偉大物理學(xué)家。,14,熱輻射四大定律,普朗克能量子假說：輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。振子在輻射或吸收能量時，從一個狀態(tài)躍遷到另一個狀態(tài)。諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值，只能取一些分立的值，這些分立值是最小能量 𝜀 0 的整數(shù)倍，即 𝜀

33、; 0 ，2 𝜀 0 ，3 𝜀 0 ，?，n 𝜀 0 ，稱為諧振子的能級，最小能量 𝜀 0 =?𝑣，式中 ?=6.626× 10 ?34 𝐽?𝑠，稱為普朗克常數(shù)，𝑣是諧振子的振動頻率。普朗克假說不僅圓滿地解釋了絕對黑體的輻射問題，還解釋了固體的比熱問題等。它成為現(xiàn)代理論的重要組成部分。普朗克公式：

34、以普朗克能量子假說為前提，根據(jù)熱力學(xué)定律，普朗克得出黑體輻射公式（普朗克公式）： 𝐸 ?𝜆 = 𝑐 1 𝜆 ?5 𝑒 𝑐 2 𝜆𝑇 ?1 ??????????????(公式3?2)式中， 𝐸 ?𝜆 ?黑體光譜輻射力，W/ 𝑚 3 ， x

35、582;?波長m， 𝑇?黑體熱力學(xué)溫度K， 𝑒?自然對數(shù)的底，2.718281…（無量綱） 𝑐 1 ?第一輻射常量，3.7419× 10 ?16 𝑊 𝑚 2 𝑐 2 ?第二輻射常量，1.4388× 10 ?2 

36、9898;𝐾,圖3-3 普朗克溫度分布,15,熱輻射四大定律,斯蒂藩-玻耳茲曼定律：人物介紹：斯忒藩（ Josef Stefan，1835-1893） 澳大利亞物理學(xué)家。斯忒藩是斯洛文尼亞人，1879年，他發(fā)現(xiàn)熱體的總輻射和它的絕對溫度的四次方成正比。若溫度提高一倍，輻射率則增加到16倍。這就是斯忒藩的四次方定律，現(xiàn)已證明它在星體演化的研究上具有重大的意義。 1884年，玻耳茲曼指出這條定律可以根據(jù)熱力學(xué)原理

37、推導(dǎo)出來，因此有時稱之為斯忒藩 – 玻耳茲曼定律。玻爾茲曼（Ludwig Edward Boltzmann，1844-1906），奧地利物理學(xué)家，和哲學(xué)家，是熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)的奠基人之一。作為一名物理學(xué)家，他最偉大的功績是發(fā)展了通過原子的性質(zhì)（例如，原子量，電荷量，結(jié)構(gòu)等等）來解釋和預(yù)測物質(zhì)的物理性質(zhì)（例如，粘性，熱傳導(dǎo)，擴(kuò)散等等）的統(tǒng)計力學(xué)，并且從統(tǒng)計意義對熱力學(xué)第二定律進(jìn)行了闡釋。,16,熱輻射四大定律,定律的由來：

38、本定律由斯洛文尼亞物理學(xué)家約瑟夫·斯特藩（Jo?ef Stefan）和奧地利物理學(xué)家路德維希·玻爾茲曼分別于1879年和1884年各自獨(dú)立提出。提出過程中斯特藩通過的是對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸納總結(jié)，玻爾茲曼則是從熱力學(xué)理論出發(fā)，通過假設(shè)用光（電磁波輻射）代替氣體作為熱機(jī)的工作介質(zhì)，最終推導(dǎo)出與斯特藩的歸納結(jié)果相同的結(jié)論。本定律最早由斯特藩于1879年3月20日以《Über die Beziehu

39、ng zwischen der Wärmestrahlung und der Temperatur》（《論熱輻射與溫度的關(guān)系》）為論文題目發(fā)表在維也納科學(xué)院的大會報告上，這是唯一以斯洛文尼亞人的名字命名的物理學(xué)定律。斯特藩-玻爾茲曼定律 :一個黑體表面單位面積在單位時間內(nèi)輻射出的總能量j（稱為物體的輻射度或能量通量密度）與黑體本身的熱力學(xué)溫度T（又稱絕對溫度）的四

40、次方成正比，即?=𝜎 𝑇 4 ??????????????(公式3?3)式中：𝑇 ? 黑體的熱力學(xué)溫度，K 𝜎 ? 斯忒藩 – 玻耳茲曼常量，即黑體輻射常數(shù)，其值為 5.67× 10 ?8 𝑊/( 𝑚 2 ? 𝐾 4 )但一切實(shí)際物體的輻射能力都小于同溫度下的黑體。實(shí)際物體輻射流量的計算

41、采用以下修正公式：?=𝜀𝐴𝜎 𝑇 4 ??????????????(公式3?4)式中：𝜀稱為物體的發(fā)射率，又稱黑度（emissivity），0<𝜀<1，它與物體表面狀態(tài)有關(guān)。 𝐴 ? 輻射表面積， 𝑚 2,17,熱輻射四大定律,應(yīng)當(dāng)指出，公式（3-3）、（3-4）中的?是物

42、體自身向外輻射的熱流量，而不是輻射傳熱量。要計算輻射傳熱量還必須考慮投射到物體上的輻射熱量的吸收過程，即要算收支的總賬。維恩位移定律：個人資料：維恩（Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien，1864－1928年)德國物理學(xué)家，研究領(lǐng)域?yàn)闊彷椛渑c電磁學(xué)等。1893年，維恩經(jīng)由熱力學(xué)、光譜學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)等理論支援，發(fā)現(xiàn)了維恩位移定律，并應(yīng)用于黑體等學(xué)術(shù)理論，揭開量子力學(xué)新領(lǐng)域。19

43、11年，他因?qū)τ跓彷椛涞任锢矸▌t貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。維恩是柏林、格丁根、維也納、斯德哥爾摩、奧斯陸和華盛頓等科學(xué)學(xué)會的會員，法蘭克福物理學(xué)會的榮譽(yù)會員?；鹦巧嫌幸粋€隕石坑以他的名字命名。,18,熱輻射四大定律,維恩位移定律：維恩位移定律（Wien‘s displacement law）是物理學(xué)上描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度之間反比關(guān)系的定律。公式如下： 𝜆 𝑚w

44、886;𝑥 = 𝑏 𝑇 ???????????????(公式3?5)式中， 𝜆 𝑚𝑎𝑥 ?輻射的峰值波長（m）， 𝑇?黑體的絕對溫度（K） 𝑏?比例常數(shù)，常稱維恩位移常數(shù)，2.8977685(51)× 10 ?3 （mK），2002年國際科技

45、數(shù)據(jù)委員會(CODATA)推薦值，括號中為68.27%置信度下的不確定尾數(shù)。可見，對應(yīng)輻射場密度極大值的波長（最可幾波長） 𝜆 𝑚 同熱力學(xué)溫度 T的乘積為恒量。最可幾波長同溫度成反比。溫度升高， 𝜆 𝑚 向短波方向移動；溫度愈高，能量愈集中在高頻區(qū)。這就是維恩位移定律（見圖）。 由于輻射通量密度同輻射能量密度之比為с/4,這樣，測出對應(yīng)輻射通量密度極大值的 &

46、#120582; 𝑚 ，就可根據(jù)上式確定輻射體溫度。應(yīng)用這個原理可制成光測高溫計。,圖3-4 維恩位移定律,19,熱輻射四大定律,維恩位移定律意義：維恩位移定律說明了一個物體越熱，其輻射譜的波長越短（或者說其輻射譜的頻率越高）。譬如在宇宙中，不同恒星隨表面溫度的不同會顯示出不同的顏色，溫度較高的顯藍(lán)色，次之顯白色，瀕臨燃盡而膨脹的紅巨星表面溫度只有2000-3000K，因而顯紅色。太陽的表面溫度是5778K，根據(jù)維恩

47、位移定律計算得的峰值輻射波長則為502nm，這近似處于可見光光譜范圍的中點(diǎn)，為黃光。 與太陽表面相比，通電的白熾燈的溫度要低數(shù)千度，所以白熾燈的輻射光譜偏橙。至于處于“紅熱”狀態(tài)的電爐絲等物體，溫度要更低，所以更加顯紅色。溫度再下降，輻射波長便超出了可見光范圍，進(jìn)入紅外區(qū)，譬如人體釋放的輻射就主要是紅外線，軍事上使用的紅外線夜視儀就是通過探測這種紅外線來進(jìn)行“夜視”的。,20,熱輻射換熱計算,熱輻射換熱計算要點(diǎn)：空氣沒有輻射與吸收的

48、能力，輻射換熱是物體表面與周圍其他固體表面間進(jìn)行的。使用斯特藩-玻爾茲曼定律來計算輻射傳熱時，僅適用于物體被包圍于大空腔中時的情形。計算輻射換熱量時，要同時考慮輻射出去的熱量和吸收的熱量，它們的差值就是換熱量。物體的表面黑度一般是通過實(shí)驗(yàn)測得的，與周圍環(huán)境條件無關(guān)。計算輻射換熱時，我們一般假設(shè)在穩(wěn)態(tài)條件下計算。,影響物體表面黑度的因素：物體黑度取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。不同種類物質(zhì)的黑度顯然是各不相同的。例如，常溫下

49、具有光滑氧化層表皮的鋼板黑度為0.82，而鍍鋅鐵皮的黑度只有0.23。同一物體的黑度又隨溫度而變化，例如嚴(yán)重氧化的鋁表面在50℃和500℃的溫度下，其黑度分別是0.2和0.3。表面狀況對黑度有很大影響，同一種金屬材料，高度磨光表面的黑度很小，而粗糙表面和受氧化作用后的表面的黑度常常為磨光表面的數(shù)倍。例如，在常溫下無光澤黃銅的黑度為0.22，而磨光后黃銅的黑度只有0.05。因此在選用金屬表面黑度數(shù)值時應(yīng)對表面狀況給予足夠的關(guān)注。大部分非金

50、屬材料的發(fā)射率值都很高，一般在0.85~0.95之間，且與表面狀況（包括顏色在內(nèi)）的關(guān)系不大。,21,熱輻射換熱計算,表4-1 常用材料表面黑度,22,熱輻射換熱計算,假設(shè)：鋼板表面溫度均勻；表面發(fā)射率均勻。計算：按公式（3-4），鋼板單位面積上所發(fā)出的輻射能為?=𝜀𝜎 𝑇 4 =0.8×5.67× 10 ?8 × 27+273 4 =367.4

51、19882;/ 𝑚 2,討論：計算結(jié)果是鋼板單位面積上輻射出去的能量，而不是輻射傳熱量。如果室內(nèi)環(huán)境溫度也是27℃，那么鋼板的輻射傳熱量是多少呢？,實(shí)例計算：例題1：一塊發(fā)射率𝜀=0.8的鋼板，溫度為27℃，試計算單位時間內(nèi)鋼板單位面積上所發(fā)出的輻射能。,,,,假設(shè)：此人和房間的表面溫度均勻，表面發(fā)射率均勻。計算： 𝑇 1 =30+273=303𝐾, ⻓

52、9; 2 =25+273=298𝐾按公式（3-4），此人所發(fā)出的輻射能 ? 1 和總輻射換熱量 ? 2 分別為 ? 1 =𝜀𝐴𝜎 𝑇 1 4 =0.9×1.4×5.67× 10 ?8 × 303 4 =602𝑊 ? 2 =𝜀𝐴𝜎 𝑇

53、 1 4 ? 𝑇 2 4 =0.9×1.4×5.67× 10 ?8 × 303 4 ? 298 4 =38.8𝑊,討論：處于室溫的房間墻面也會輻射換熱。到底是獲取還是散發(fā)輻射熱量主要取決于人體皮膚溫度和墻面溫度。,例題2：一個體表溫度為30℃的人站在墻面溫度為25℃的房間里，此人的身體表面積為1.4 𝑚 2 ，發(fā)射率𝜀=0.9，

54、試計算單位時間內(nèi)此人所發(fā)出的輻射能以及輻射換熱量。,23,熱輻射換熱計算,假設(shè)：所謂熱平衡就是指黑體表面溫度與環(huán)境溫度相同。計算： 𝑇 1 =27℃=27+273=300𝐾， 𝑇 2 =327℃=327+273=600𝐾按公式（3-3），黑體的輻射力為 ? 1 =𝜎 𝑇 1 4 =5.67× 10 ?8 × 300

55、4 =459𝑊/ 𝑚 2 ? 2 =𝜎 𝑇 2 4 =5.67× 10 ?8 × 600 4 =7350𝑊/ 𝑚 2,討論：因?yàn)檩椛淞εc熱力學(xué)溫度的四次方成正比，所以隨著溫度的升高輻射力急劇增大。雖然溫度 𝑇 2 僅為 𝑇 1 的兩倍，輻射力之比卻高達(dá)16倍。,例題3：一黑體放置在

56、室溫為27℃的廠房中。試求在熱平衡條件下黑體表面的輻射力。如將黑體加熱到327℃，它的輻射力又是多少？,24,熱輻射換熱計算,分析：本題中的熱交換包括①人體與空氣間的對流（夏天和冬天是相同的）；②人體與四周墻面的輻射傳熱；③人與地板間的熱傳導(dǎo)；④人體與空氣間對流換熱量約為18.5W假設(shè)：①將人體簡化為直徑25cm，高1.75m的圓柱體；②過程是穩(wěn)態(tài)的；③忽略人體與地板間的導(dǎo)熱。計算：換熱面積: 𝐴=3.14×

57、;0.25×1.75+3.14× (0.25÷2) 2 =1.42 𝑚 2 冬天輻射換熱： ? 𝑤 =𝜀𝐴𝜎( 𝑇 𝑊1 4 ? 𝑇 𝑊2 4 )=0.95×1.42×5.67× 10 ?8 × 303 4 ? 283 4

58、 =154𝑊夏天輻射換熱： ? 𝑠 =𝜀𝐴𝜎( 𝑇 𝑠1 4 ? 𝑇 𝑠2 4 )=0.95×1.42×5.67× 10 ?8 × 303 4 ? 299 4 =33.4𝑊總換熱差異：(154+18.5)÷(33.4+1

59、8.5)=3.3,討論：①同一室溫下，冬天的人體散熱量是夏天的3倍多，所以冬天會覺得冷，而夏天由于不能及時散熱而感到熱。②一般人體與地板間的導(dǎo)熱量僅占總散熱量的百分之幾，略去不計是可以的。③夏天如果人體通過皮膚出汗散熱，其數(shù)量是可觀的，這里沒有考慮這種散熱方式。,人們都有這樣的經(jīng)歷，對于相同的室溫，夏天在該室溫的房間里可能仍然覺得熱，而冬天在這樣的房間內(nèi)則還有冷的感覺，這是什么原因呢？例題4：計算夏天與冬天站立在室溫同為25℃的房間內(nèi)

60、的人體與環(huán)境的換熱量差異。人體衣著與皮膚的表面溫度為30℃，表面發(fā)射率為0.95。夏天室內(nèi)墻面溫度為26℃，冬天為10℃。,25,熱輻射換熱計算,分析：衛(wèi)星與太陽間的輻射作用是衛(wèi)星最主要的換熱過程，因此可假設(shè)不考慮衛(wèi)星與地球間的輻射換熱；宇宙空間按0K的物體處理，則衛(wèi)星表面得到的是太陽的輻射和內(nèi)部電子器件的散熱量，傳遞到宇宙空間的是其自身輻射，根據(jù)熱平衡有：𝛼 𝐺 𝑠 𝐴

61、; 𝑟 + ? 𝑒 =𝜀 𝐴 𝑠 𝜎 𝑇 4 其中𝛼是衛(wèi)星表面的吸收率， 𝐺 𝑠 是太陽輻射常數(shù)， 𝐴 𝑟 是衛(wèi)星接收太陽輻射的面積， ? 𝑒 是電子器件散熱功率， 𝐴 𝑠 是衛(wèi)星發(fā)射輻射的表面積

62、，則𝛼= 4𝜋 𝑅 2 𝜀𝜎 𝑇 4 ? ? 𝑒 𝜋 𝑅 2 𝐺 𝑠 計算：衛(wèi)星需要維持外表面溫度在265~305K，因此最小和最大吸收率分別為 𝛼 𝑚𝑖𝑛 = 4𝜋

63、15;0.75×5.67× 10 ?8 × 265 4 ?1250 𝜋×1367 =0.323 𝛼 𝑚𝑎𝑥 = 4𝜋×0.75×5.67× 10 ?8 × 305 4 ?1250 𝜋×1367 =0.786,例題5：如右圖所示，一個研究

64、衛(wèi)星繞地球的近極點(diǎn)的軌道運(yùn)行，使得衛(wèi)星可以總是受到太陽的直接輻射。為了姿勢控制，衛(wèi)星繞與軌道相一致的軸旋轉(zhuǎn)。衛(wèi)星呈球形，外徑1m，其內(nèi)的各種電子器件的散熱量為1250W。衛(wèi)星的外殼需要維持在265~305K的溫度。已知?dú)んw的發(fā)射率為0.75，其溫度均勻。試估算能允許的衛(wèi)星表面對太陽能輻射的吸收率。,討論：為使衛(wèi)星表面對太陽輻射的吸收率達(dá)到所需的值，可對表面材料敷設(shè)專門的涂層。在太空飛行的物體，輻射是其散熱的唯一方式，所以航天事業(yè)是促進(jìn)輻

65、射傳熱研究發(fā)展的主要動力之一,26,輻射傳熱的控制（強(qiáng)化與削弱）,控制物體表面間輻射傳熱的方法：在一定的冷、熱表面溫度下控制（增強(qiáng)或削弱）表面間輻射傳熱量的方法，可以從計算輻射傳熱的網(wǎng)絡(luò)法得到啟示：控制表面熱阻以及空間熱阻?？刂票砻鏌嶙瑁焊鶕?jù)表面熱阻的定義 1?𝜀 𝐴𝜀 ，改變表面熱阻可以通過改變表面積A或改變發(fā)射率來實(shí)現(xiàn)。采用改變表面發(fā)射率方法來控制輻射傳熱量時首先應(yīng)該改變對換熱

66、量影響最大的那個表面的發(fā)射率。當(dāng)物體的輻射傳熱涉及溫度較低的紅外輻射與太陽輻射時，強(qiáng)化或削弱輻射換熱需要從控制紅外輻射的發(fā)射率與對太陽輻射吸收的吸收比同時入手。以平板型太陽能集熱器為例，吸熱板對太陽能的吸收比要盡可能地大，而自身的發(fā)射率則要盡量小。因?yàn)樘栞椛涞闹饕芰考性?.3~3𝜇𝑚波長之間，而常溫下物體的紅外輻射主要能量在波長大于3𝜇𝑚的范圍，所以在太陽能利用中吸

67、熱面材料的理想輻射特征是：在0.3~3𝜇𝑚的波長范圍內(nèi)光譜吸收比接近1，而在大于3𝜇𝑚的波長范圍內(nèi)光譜吸收比接近于0。因此𝛼/𝜀比值是評價材料吸熱性能的重要數(shù)據(jù)。光譜選擇性涂層是提高𝛼/𝜀值的有效手段。如下表所示的黑鎳鍍層材料。,表5-1 黑鎳鍍層厚度對輻射特性的影響,27,輻射傳熱的控制（強(qiáng)化與削弱）,此外，

68、人造地球衛(wèi)星為了減少迎陽面與背陽面之間的溫差，采用對太陽能吸收比小的材料作表面涂層；置于室外的發(fā)熱設(shè)備（如變壓器），為了防止夏天溫升過高而用淺色油漆作為涂層。這些都是用減小發(fā)射率（吸收比）的方法來削弱傳熱的例子?？刂票砻婵臻g熱阻：空間熱阻的定義 1 𝐴 𝑖 𝑋 𝑖,𝑗 中面積A一般取決于工藝條件，所以改變空間熱阻需要調(diào)整物體的輻射角系數(shù)。要增加

69、一個發(fā)熱表面的散熱量，應(yīng)增加該表面與溫度較低的表面間的輻射角系數(shù)。如圖5-1所示的送風(fēng)式電子器件機(jī)箱中元件布置的一個一般原則，對溫度特別敏感的元件應(yīng)放置于冷風(fēng)入口處：此時從對流傳熱的角度，該處流體溫度最低，換熱溫差大；從輻射的角度該處電子元件對冷表面的角系數(shù)遠(yuǎn)大于將元件置于印刷板中間位置時的數(shù)值，因此也增加了輻射傳熱。為了削弱兩個表面間的輻射傳熱，采用遮熱板是一種非常有效的方法，它能夠使兩種輻射熱阻同時得到大幅度的增加。遮

70、熱板一般采用發(fā)射率低的金屬薄板為材料制作。例如在發(fā)射率為0.8的兩個平行表面之間插入一塊發(fā)射率為0.05的遮熱板，可使輻射熱量減小到原來的1/27。,圖5-1 電子機(jī)箱布置示意圖,28,輻射傳熱的控制（強(qiáng)化與削弱）,遮熱板的應(yīng)用：汽輪機(jī)中用于減少內(nèi)、外套管間輻射傳熱。國產(chǎn)300MW（30萬千瓦）汽輪機(jī)高中壓氣缸進(jìn)汽連接管的大致結(jié)構(gòu)如圖5-2所示。其內(nèi)套管與內(nèi)缸連接，外套管與外缸連接。高溫蒸汽經(jīng)內(nèi)套管流入內(nèi)缸，內(nèi)套管的壁溫較高。為減

71、少內(nèi)外套管間的輻射傳熱，在其間安置了一個用不銹鋼制成的圓筒形遮熱罩。另外，300MW汽輪機(jī)高壓主汽門、中壓聯(lián)合汽門的閥桿上都有遮熱板，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣部分有遮熱襯套等都是應(yīng)用實(shí)例。,圖5-2 進(jìn)汽連接管處的遮熱罩,29,輻射傳熱的控制（強(qiáng)化與削弱）,遮熱板用于儲存液態(tài)氣體的低溫容器。儲存液氮、液氧的容器示意圖見圖5-3。為了提高保溫效果，這里采用多層遮熱板并抽真空的方法。遮熱板用塑料薄膜制成，其上涂以反射比很大的金屬箔層。箔層厚約0.01~

72、0.05mm，箔間嵌以質(zhì)輕且導(dǎo)熱系數(shù)小的材料作分隔層，絕熱層中抽成高度真空。據(jù)實(shí)測，當(dāng)冷面（內(nèi)壁）溫度為20~80K，熱面（容器外壁）溫度為300K時，在垂直于遮熱板方向上的導(dǎo)熱系數(shù)可低達(dá)5~10× 10 ?5 𝑊/(𝑚?𝐾)。可見其當(dāng)量導(dǎo)熱阻力是常溫下空氣的幾百倍，故有超級絕熱材料之稱。,圖5-3 多層遮熱板保溫容器示意圖,30,輻射傳熱的控制（強(qiáng)化與削弱）,遮熱板用于超級隔熱

73、油管。世界上有不少石油埋藏于地層下千米乃至數(shù)千米處，粘度很大，開采時需注射高溫高壓蒸汽以使石油稀釋。在將蒸汽輸送到地面下數(shù)千米處的過程中，減少散熱損失是件重要的工作。超級隔熱油管就是采用了類似低溫保溫容器的多層遮熱板并抽真空的方式制造而成的，其截面圖如圖5-4所示。目前世界上研制成功的這類油管，半徑方向的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)可降低到0.003𝑊/(𝑚?𝐾)。,圖5-4 多層遮熱板超級隔熱油管,31