4.5 熱輻射(Radiation)

4.5.1 基本概念
1. 輻射：物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的過(guò)程。
2. 熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向
外發(fā)射能量的過(guò)程。
特點(diǎn)：
  能量傳遞的同時(shí)還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換；
  不需要任何介質(zhì)。
輻射線波長(zhǎng)：0.4～20μm 之間
（可見(jiàn)光0.4~0.8μm）
工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.1~100μm。

 

3. 熱輻射對(duì)物體的作用
當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種
現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，
能量守恒定律：Q = QA +QR +QD
式中A——吸收率；R——反射率；D——穿透率。

A,R,D = f(物體性質(zhì)、溫度、表面、輻射波長(zhǎng)）
固體、液體： D=0 R+A=1
氣體： R=0 A+D=1
黑體： A = 1 無(wú)光澤漆面0.96~0.98
白體（鏡體）： R =1 磨光銅板R＝0.97
透熱體： D = 1 單原子，對(duì)稱雙原子
灰體：指能以相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)的輻射能的物體。

4.5.2 物體的輻射能力
1.黑體概念
黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。

2.熱輻射能量的表示方法
輻射力E：
單位時(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)（波長(zhǎng)從0到∞），的能量總和。(W/m2)；
光譜輻射力Eλ：
單位時(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)(包含某一給定波長(zhǎng))，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。(W/m3)；

3、輻射基本定律

式中σ0─黑體輻射常數(shù)，=5.67× 10-8W/(m2 .K4)；
C0─黑體輻射系數(shù)，=5.67W/(m2 .K4)
斯蒂芬-波爾茨曼定律
四次方定律表明，熱輻射對(duì)溫度特別敏感。

4、實(shí)際物體輻射特性
發(fā)射率
前面定義了黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長(zhǎng)；
真實(shí)物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體；
因此，定義了發(fā)射率(也稱為黑度) ε ：相同溫度下，實(shí)際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:

物體的黑度ε：物體的種類、表面溫度、表面狀況、波長(zhǎng)。
是物體輻射能力接近黑體輻射能力的程度。
5、灰體
6、克希霍夫定律
上一節(jié)簡(jiǎn)單介紹了實(shí)際物體的發(fā)射情況，那么當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時(shí)，該物體對(duì)投入輻射吸收的情況又是如何呢？
介紹幾個(gè)概念：
(1).投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能
(2).選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變化，這叫選擇性吸收
(3).吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用α表示，即α =吸收的能量/投入的能量(投入輻射)
(4) 光譜吸收比：物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇性吸收的特性。
灰體：光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體。此時(shí)，不管投入輻射的分布如何，吸收比α都是同一個(gè)常數(shù)。
物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)的溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布有關(guān)。
物體的選擇性吸收特性，即對(duì)有些波長(zhǎng)的投入輻射吸收多，而對(duì)另一些波長(zhǎng)的輻射吸收少發(fā)射輻射與吸收輻射二者之間具有什么樣的聯(lián)系?

結(jié)論：
（1）任何物體的發(fā)射能力與吸收率的比值均相同，且等于同溫度下絕對(duì)黑體的發(fā)射能力。物體的發(fā)射能力越強(qiáng)，其吸收率越大。
（2）A=ε
即同溫度下，物體的吸收率與黑度/發(fā)射率在數(shù)值上相等。
（３）Ａ＜１，Ｅ＜Ｅ０，即在任何溫度下，各種物體中以絕對(duì)黑體的發(fā)射能力為最大。

三、影響輻射傳熱的因素
1. 溫度的影響
Ｑ∝ ΔT4 ， 低溫時(shí)可忽略，高溫時(shí)可能成為主要方式
2. 幾何位置的影響
3. 表面黑度的影響
Ｑ∝ ε，可通過(guò)改變黑度的大小強(qiáng)化或減小輻射傳熱。
4. 輻射表面間介質(zhì)的影響
減小輻射散熱，在兩換熱面加遮熱板（黑度較小的熱屏）。

熱設(shè)計(jì)資料下載：  熱輻射.pdf

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