第7章-热辐射的基本定律1..pdf

第七章 热辐射的基本定律 在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。太阳对大地的照射是最常见的辐 射现象。高炉中灼热的火焰会烘烤得人们难以忍受‘太阳对人造卫星的辐射，会使卫星的朝阳面的 温度明显地高于卫星背阳面的温度； 高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机 的结构与强度设计，等等。特别是近年来，人类对太阳能的利用，都大大地促进了人们对辐射换热 的研究。 本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律； 然后重点讨论物体之间的辐射换热规律； 最后对气 体辐射换热的特点作扼要的介绍。 第一节 基本概念 1－1 热辐射的本质和特征 由于不同的原因， 物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波； 不同波长的电磁波具 有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。比如，人们可以利用无线电 波传送信息，利用 x 射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。人们根据电 磁波不同效应把电磁波分成若干波段。波长 λ＝0.38 一 0.76 μm 的电磁波段称为可见光波段 λ＝0.76 — 1000 μm 的电磁波段称为红外波段 (一般将红外波段范围又分为近红外波段和远红外波段， 近红外 波段为 λ＝0.7—25 μm，远红外波段为 λ＝25— 1000 μm) ；波长大于 1000 μm 的电磁波段称为无线电 波段 (根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段 )；波长小于 0.4 μm 的电磁波依次分为 紫外线、 x 射线和 Y 射线等。可见光和红外线以及紫外线的一部分被物体吸收后产生热效应，即波 长 λ＝0.1— 1000 μm 范围内的电磁技能被物体吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热 射线。因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范围，所以本课程所感兴趣的将是 热射线，下面将专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。 一、热辐射的本质和特点 1、发射辐射能是各类物质的固有特性。当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电 场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。由于自身温度或热运动的原因面激发产生的电磁 波传播，就称热辐射。显然，热辐射是电磁波，电磁波的波长范围可从几万分之一微米到数千米， 它们的名称和分类如图所示。通常把 λ＝0.1— 100 μm范围的电磁波称热射线，其中包括可见光线、 部分紫外线和红外线具有波动和量子特性。 2、特点 热辐射的本质决定了热辐射过程有如下三个特点： ⑴辐射换热与导热、对流换热不同、它不依赖物体的接触而进行热量传递，而导热和对流换热 都必须由冷、热物体直接接触或通过中间介质相接触才能进行。 ⑵辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化， 即物体的部分内能转化为电磁波能发射出去， 当 此波能射及另一物体表面而被吸收时，电磁波能又转化为内能。 ⑶一切物体只要其温度 T ＞0K ，都会不断地发射热射线。当物体间有温差时，高温物体辐射给 低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量， 因此总的结果是高温物体把能量传给低温物 体。即使各个物体的温度相同，辐射换热仍在不断进行，只是每一物体辐射出去的能量，等于吸收 的能量，从而处于动平衡的状态。 二、物体的热辐射特性 - 吸收、反射和透射 当热射线投射到物件上时，遵循着可见光的规律，其中部分被物体吸收，部分被反射，其余则 透过物体。如图所示，其中反射存在漫反射和镜反射两种情况。 在物体表面对射线的吸收、反射和透射的过程中，能量平衡关系为： 由此可定义吸收率、反射率和透射率： 物体吸收率： ；物体反射率： ；物体透射率 。 其中 ；对于单色吸收率、单色反射率、单色透射率： 。