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第十一章 辐射换热 第一节 热辐射的基本概念 一、热辐射的本质和特点 图1 电磁波谱 1.热辐射概念 因热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射，不同的电磁波位于一定的波长区段内。 2.热辐射中的现象 吸收、反射和穿透现象 按能量守恒定律有： Q= Qa+ Qρ+ Qτ ……….（1） 各能量百分比分别称为物体的吸收率、反射率和穿透率，记为a、ρ、τ，则（1）式可写为：a+ρ+τ=1…………..（2） 实用工程材料的固体和液体不允许热辐射穿透，即τ=0。于是，对于固体，式(2)简化为：a+ρ=1…………….（3） 就固体和液体而言，吸收能力大的物体其反射本领就小；反之，吸收能力小的物体其反射本领就大。 3.辐射分类：镜面反射和漫反射 气体对投射来的热辐射几乎没有反射能力，可认为反射率ρ=0，式(2)简化成：a+τ=1…………………. (4) 4.黑体、镜体与透明体 不同物体的吸收率、反射率和穿透率因具体条件不同而干差万别，通常把吸收率为1的物体叫做绝对黑体，简称黑体； 把反射率为l的物体叫做镜体（当反射为漫反射时称绝对白体）；把穿透率为1的物体叫做透明体。 二、黑体的辐射 (一)黑体的模型 (二)黑体的辐射 辐射力：是物体在单位时间内单位 表面积向表面上半球空间所有方向 发射的全部波长的总辐射能量，记 为E，单位是W/m2。 在热辐射的整个波谱内，不同波长 发射出的辐射能是不同的。黑体的 辐射能如右图所示。图上上每条 曲线下的总面积表示相应温度下黑 体的辐射力。 黑体的辐射能 图的纵坐标置Ebλ称为单色辐射力，它与辐射力之间存在着如下的关系： ………..（5） 第二节 热辐射的基本定律 一、普朗克定律 根据量子理论导得的普朗克定律有如下数学表达式： ……………………..（6） 对应于单色辐射力峰值的波长λ m与热力学温度T之间存在着如下的关系（维恩位移定律） ： ……………..（7） 二、斯蒂芬——玻尔兹曼定律 将普朗克定律式（6)代入式(5)，积分的结果就得到著名的斯蒂芬——玻尔兹曼定律： …………………….（8） 例：试分别计算2000K和5800K时黑体的最大单色辐射力所对应的波长。 解：直接利用维恩偏移定律； T =2000K时，?max·T ≈2.9 ×10-3 m·K ?max=2.9 ×10-3 /2000=1.45 μm T=5800时 ?max=2.9 ×10-3 /5800=0.5 μm T=290K: ?max=2.9 ×10-3 /290=10 μm 结果表明，工业高温范围内黑体辐射的最大单色辐射力对应的波长位于红外线区段，太阳表面温度时则位于可见光区段。 此外，还可利用该定律粗略估算物体的温度，如利用光学仪器测得太阳的?max为0.5 μm， 得出太阳的表面温度为5800K,因为太阳不是黑体，故此值偏高。 可据钢坯的颜色来判断其温度，钢坯在加热过程中当： 无变化：低于500℃、 暗红：600℃左右、 鲜红：800--850℃左右、 桔黄：1000℃左右 白炽：1300℃左右 为了高温时计算上的方便，通常把式(8)改写成如下形式： ………………………….（9） 三、基尔霍夫定律 基尔霍夫定律提示了物体的辐射力与吸收率之间的理论关系。 基尔霍夫定律的数学表达式： 其物理意义：任何物体的辐射力与它 对来自同温度黑体辐射的吸收率的比 值，与物性无关而仅取决于温度，恒 等于同温度下黑体的辐射力。 基尔霍夫定律示意图 从基尔霍夫定律可以得出如下的重要推论： 1)在相同温度下，一切物体的辐射力以黑体