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热辐射

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4.5 热辐射(Radiation)

4.5.1 基本概念
1. 辐射:物体通过电磁波来传递能量的过程。
2. 热辐射:物体由于热的原因以电磁波的形式向
外发射能量的过程。
特点:
  能量传递的同时还伴随着能量形式的转换;
  不需要任何介质。
辐射线波长:0.4~20μm 之间
(可见光0.4~0.8μm)
工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1~100μm。

 


3. 热辐射对物体的作用
当热辐射投射到物体表面上时,一般会发生三种
现象,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(物体性质、温度、表面、辐射波长)
固体、液体: D=0 R+A=1
气体: R=0 A+D=1
黑体: A = 1 无光泽漆面0.96~0.98
白体(镜体): R =1 磨光铜板R=0.97
透热体: D = 1 单原子,对称双原子
灰体:指能以相同的吸收率吸收所有波长的辐射能的物体。


4.5.2 物体的辐射能力
1.黑体概念
黑体:是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体,是一种科学假想的物体,现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。

2.热辐射能量的表示方法
辐射力E:
单位时间内,物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长(波长从0到∞),的能量总和。(W/m2);
光谱辐射力Eλ:
单位时间内,单位波长范围内(包含某一给定波长),物体的单位表面积向半球空间发射的能量。(W/m3);


3、辐射基本定律

式中σ0─黑体辐射常数,=5.67× 10-8W/(m2 .K4);
C0─黑体辐射系数,=5.67W/(m2 .K4)
斯蒂芬-波尔茨曼定律
四次方定律表明,热辐射对温度特别敏感。


4、实际物体辐射特性
发射率
前面定义了黑体的发射特性:同温度下,黑体发射热辐射的能力最强,包括所有方向和所有波长;
真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体;
因此,定义了发射率(也称为黑度) ε :相同温度下,实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:

物体的黑度ε:物体的种类、表面温度、表面状况、波长。
是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度。
5、灰体
6、克希霍夫定律
上一节简单介绍了实际物体的发射情况,那么当外界的辐射投入到物体表面上时,该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢?
介绍几个概念:
(1).投入辐射:单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能
(2).选择性吸收:投入辐射本身具有光谱特性,因此,实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化,这叫选择性吸收
(3).吸收比:物体对投入辐射所吸收的百分数,通常用α表示,即α =吸收的能量/投入的能量(投入辐射)
(4) 光谱吸收比:物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数,也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。
灰体:光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时,不管投入辐射的分布如何,吸收比α都是同一个常数。
物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外,还与投入辐射按波长的能量分布有关。
物体的选择性吸收特性,即对有些波长的投入辐射吸收多,而对另一些波长的辐射吸收少发射辐射与吸收辐射二者之间具有什么样的联系?

结论:
(1)任何物体的发射能力与吸收率的比值均相同,且等于同温度下绝对黑体的发射能力。物体的发射能力越强,其吸收率越大。
(2)A=ε
即同温度下,物体的吸收率与黑度/发射率在数值上相等。
(3)A<1,E<E0,即在任何温度下,各种物体中以绝对黑体的发射能力为最大。

三、影响辐射传热的因素
1. 温度的影响
Q∝ ΔT4 , 低温时可忽略,高温时可能成为主要方式
2. 几何位置的影响
3. 表面黑度的影响
Q∝ ε,可通过改变黑度的大小强化或减小辐射传热。
4. 辐射表面间介质的影响
减小辐射散热,在两换热面加遮热板(黑度较小的热屏)。

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