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1、热辐射基础知识,林剑启 编著,2,目录,热辐射定义和特点,黑体、白体和透明体,热辐射四大定律,热辐射换热计算,参考资料,辐射传热的控制（强化与削弱）,3,热辐射定义和特点,4,热辐射定义和特点,5,热辐射定义和特点,图1-1 电磁波的波谱,6,黑体、白体和透明体,图2-1 物体对热辐射的吸收、反射和穿透,7,黑体、白体和透明体,黑体：试验表明物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。在探索热辐射规律的过程中，黑体（black body）这种理想物体的概念具有重大意义。黑体，是一个理想化了的物体，它能够在任何温度下吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射。
2、但黑体不见得就是黑色的，它可以放出电磁波，而这些电磁波的波长和能量则全取决于黑体的温度，不因其他因素而改变。在室温下，黑体辐射的能量集中在长波电磁辐射和远红外波段；当黑体温度到几百摄氏度之后，黑体开始发出可见光。以钢材为例根据温度的升高过程，分别变为红色，橙色，黄色，当温度超过1300摄氏度时开始发白色和蓝色。当黑体变为白色的时候，它同时会放出大量的紫外线。黑体的吸收率=1，这意味着黑体能够全部吸收各种波长的辐射能。尽管在自然界并不存在黑体，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。黑体模型的原理如下：取工程材料（它的吸收率必然小于黑体的吸收率）制造一个球壳形的空腔，使空腔壁面保持均匀的温
3、度，并在空腔上开一个小孔。射入小孔的辐射在空腔内要经过多次的吸收和反射，而每经历一次吸收，辐射能就按照内壁吸收率的大小被减弱一次，最终能离开小孔的能量是微乎其微的，可以认为所投入的辐射完全在空腔内部被吸收。所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。值得指出的是，小孔面积占空腔内壁总面积的比值越小，小孔就越接近黑体。若这个比值小于0.6%，当内壁吸收率为60%时，计算表明，小孔的吸收率可达99.6%。应用这种原理建立的黑体模型，在黑体辐射的实验研究以及为实际物体提供辐射的比较标准等方面都十分有用。,8,黑体、白体和透明体,图2-2 镜面反射,图2-2 漫反射,9,热辐射四大定律,基尔霍夫
4、辐射定律人物成就：基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff,1824-1887），德国物理学家。电路设计：1845年，提出基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL），解决了电器设计中电路方面的难题。被称为“电路求解大师”。热辐射：1859年，基尔霍夫做了用灯焰烧灼食盐的实验。在研究过程中，得出了关于热辐射的定律，后被称为基尔霍夫定律（Kirchoffs law）。1862年他又进一步得出绝对黑体的概念。他的热辐射定律和绝对黑体概念是开辟20世纪物理学新纪元的关键之一。1900年M.普朗克的量子论就发轫于此。化学：在海德堡大学期间制成光谱仪，与化学家本生合作创立了光谱
5、化学分析法（把各种元素放在本生灯上烧灼，发出波长一定的一些明线光谱，由此可以极灵敏地判断这种元素的存在），从而发现了元素铯和铷。科学家利用光谱化学分析法，还发现了铊、碘等许多种元素。光学理论：给出了惠更斯-菲涅耳原理的更严格的数学形式，对德国的理论物理学的发展有重大影响。著有数学物理学讲义4卷。他还讨论了电报信号沿圆形截面导线的扰动。薄板直法线理论：1850年，在柏林大学执教的基尔霍夫发表了他关于板的重要论文弹性圆板的平衡与运动（Ueber das Gleichgewicht und die elastischen Scheibe：Credles Journal，Bd.40,S.51-88）。
6、基尔霍夫的论文指出泊松的错误。这就是力学界著名的基尔霍夫薄板假设。,10,热辐射四大定律,11,热辐射四大定律,图3-1 铜和铝的光谱吸收比与波长关系,12,热辐射四大定律,三个层次的基尔霍夫定律：基尔霍夫定律有三个不同层次上的表达式，其适用条件不同，如表3-1。对大多数工程计算，主要应用“全波段、半球”这一层次上的表达式。,表4-1 常用材料表面黑度,温室效应：当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体在常温下的发射率作为对太阳能的吸收比。因为太阳辐射中可见光占了近一半能量，而大多数物体对可见光波的吸收表现出强烈的选择性。例如各种颜色（包括白色）的油漆，常温下的发射率高达0.9，但在可见
7、光范围内，白漆的吸收比仅0.10.2，而黑漆仍在0.9以上。在夏天，人们喜欢穿白色或浅色衣服的理由也在此。在太阳能集热器的研究中要求集热器的涂层具有高的对太阳辐射的吸收比，而又希望减少涂层本身的发射率以减少散热损失，目前已开发出的涂层材料的吸收比与发射率之比可高达810。位于太阳照耀下被玻璃封闭起来的空间，例如小轿车、培养植物的暖房等，其内部温度明显地高于外界温度，就是因为玻璃对太阳辐射具有强烈的选择性吸收的缘故。,13,热辐射四大定律,图3-2 玻璃穿透比与波长关系,14,热辐射四大定律,15,热辐射四大定律,图3-3 普朗克温度分布,16,热辐射四大定律,斯蒂藩-玻耳兹曼定律：人物介绍：斯
8、忒藩（Josef Stefan，1835-1893）澳大利亚物理学家。斯忒藩是斯洛文尼亚人，1879年，他发现热体的总辐射和它的绝对温度的四次方成正比。若温度提高一倍，辐射率则增加到16倍。这就是斯忒藩的四次方定律，现已证明它在星体演化的研究上具有重大的意义。1884年，玻耳兹曼指出这条定律可以根据热力学原理推导出来，因此有时称之为斯忒藩 玻耳兹曼定律。玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann，1844-1906），奥地利物理学家，和哲学家，是热力学和统计物理学的奠基人之一。作为一名物理学家，他最伟大的功绩是发展了通过原子的性质（例如，原子量，电荷量，结构等等）来解释和预测物质
9、的物理性质（例如，粘性，热传导，扩散等等）的统计力学，并且从统计意义对热力学第二定律进行了阐释。,17,热辐射四大定律,18,热辐射四大定律,19,热辐射四大定律,图3-4 维恩位移定律,20,热辐射四大定律,维恩位移定律意义：维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）。譬如在宇宙中，不同恒星随表面温度的不同会显示出不同的颜色，温度较高的显蓝色，次之显白色，濒临燃尽而膨胀的红巨星表面温度只有2000-3000K，因而显红色。太阳的表面温度是5778K，根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为502nm，这近似处于可见光光谱范围的中点，为黄光。与太阳表面相比，
10、通电的白炽灯的温度要低数千度，所以白炽灯的辐射光谱偏橙。至于处于“红热”状态的电炉丝等物体，温度要更低，所以更加显红色。温度再下降，辐射波长便超出了可见光范围，进入红外区，譬如人体释放的辐射就主要是红外线，军事上使用的红外线夜视仪就是通过探测这种红外线来进行“夜视”的。,21,热辐射换热计算,热辐射换热计算要点：空气没有辐射与吸收的能力，辐射换热是物体表面与周围其他固体表面间进行的。使用斯特藩-玻尔兹曼定律来计算辐射传热时，仅适用于物体被包围于大空腔中时的情形。计算辐射换热量时，要同时考虑辐射出去的热量和吸收的热量，它们的差值就是换热量。物体的表面黑度一般是通过实验测得的，与周围环境条件无关。
11、计算辐射换热时，我们一般假设在稳态条件下计算。,影响物体表面黑度的因素：物体黑度取决于物质种类、表面温度和表面状况。不同种类物质的黑度显然是各不相同的。例如，常温下具有光滑氧化层表皮的钢板黑度为0.82，而镀锌铁皮的黑度只有0.23。同一物体的黑度又随温度而变化，例如严重氧化的铝表面在50和500的温度下，其黑度分别是0.2和0.3。表面状况对黑度有很大影响，同一种金属材料，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为磨光表面的数倍。例如，在常温下无光泽黄铜的黑度为0.22，而磨光后黄铜的黑度只有0.05。因此在选用金属表面黑度数值时应对表面状况给予足够的关注。大部分非金
12、属材料的发射率值都很高，一般在0.850.95之间，且与表面状况（包括颜色在内）的关系不大。,22,热辐射换热计算,表4-1 常用材料表面黑度,23,热辐射换热计算,讨论：计算结果是钢板单位面积上辐射出去的能量，而不是辐射传热量。如果室内环境温度也是27，那么钢板的辐射传热量是多少呢？,讨论：处于室温的房间墙面也会辐射换热。到底是获取还是散发辐射热量主要取决于人体皮肤温度和墙面温度。,24,热辐射换热计算,例题3：一黑体放置在室温为27的厂房中。试求在热平衡条件下黑体表面的辐射力。如将黑体加热到327，它的辐射力又是多少？,25,热辐射换热计算,讨论：同一室温下，冬天的人体散热量是夏天的3倍多
13、，所以冬天会觉得冷，而夏天由于不能及时散热而感到热。一般人体与地板间的导热量仅占总散热量的百分之几，略去不计是可以的。夏天如果人体通过皮肤出汗散热，其数量是可观的，这里没有考虑这种散热方式。,人们都有这样的经历，对于相同的室温，夏天在该室温的房间里可能仍然觉得热，而冬天在这样的房间内则还有冷的感觉，这是什么原因呢？例题4：计算夏天与冬天站立在室温同为25的房间内的人体与环境的换热量差异。人体衣着与皮肤的表面温度为30，表面发射率为0.95。夏天室内墙面温度为26，冬天为10。,26,热辐射换热计算,例题5：如右图所示，一个研究卫星绕地球的近极点的轨道运行，使得卫星可以总是受到太阳的直接辐射。为
14、了姿势控制，卫星绕与轨道相一致的轴旋转。卫星呈球形，外径1m，其内的各种电子器件的散热量为1250W。卫星的外壳需要维持在265305K的温度。已知壳体的发射率为0.75，其温度均匀。试估算能允许的卫星表面对太阳能辐射的吸收率。,讨论：为使卫星表面对太阳辐射的吸收率达到所需的值，可对表面材料敷设专门的涂层。在太空飞行的物体，辐射是其散热的唯一方式，所以航天事业是促进辐射传热研究发展的主要动力之一,27,辐射传热的控制（强化与削弱）,表5-1 黑镍镀层厚度对辐射特性的影响,28,辐射传热的控制（强化与削弱）,图5-1 电子机箱布置示意图,29,辐射传热的控制（强化与削弱）,遮热板的应用：汽轮机中
15、用于减少内、外套管间辐射传热。国产300MW（30万千瓦）汽轮机高中压气缸进汽连接管的大致结构如图5-2所示。其内套管与内缸连接，外套管与外缸连接。高温蒸汽经内套管流入内缸，内套管的壁温较高。为减少内外套管间的辐射传热，在其间安置了一个用不锈钢制成的圆筒形遮热罩。另外，300MW汽轮机高压主汽门、中压联合汽门的阀杆上都有遮热板，燃气轮机进气部分有遮热衬套等都是应用实例。,图5-2 进汽连接管处的遮热罩,30,辐射传热的控制（强化与削弱）,图5-3 多层遮热板保温容器示意图,31,辐射传热的控制（强化与削弱）,图5-4 多层遮热板超级隔热油管,32,参考资料,传热学（第四版）杨世铭，陶文铨 编著笑谈热设计李波 译百度文库，百度百科,33,
