热辐射基础知识

热辐射基础知识1林剑启编著目录一．热辐射定义和特点二．黑体、白体和透明体三．热辐射四大定律四．热辐射换热计算六．参考资料五．辐射传热的控制（强化与削弱）2热辐射定义和特点1.定义：热辐射（thermalradiation）是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热量传递的3种方式之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射；当温度为300℃时热辐射中最强的波长在红外区；当物体的温度在500℃至800℃时，热辐射中最强的波长成分在可见光区。关于热辐射，其重要规律有4个：基尔霍夫辐射定律、普朗克辐射分布定律、斯蒂藩-玻耳兹曼定律、维恩位移定律。这4个定律统称为热辐射定律。2.特点：热射线的本质决定了热辐射过程有如下特点：①它是依靠电磁波向物体传输热量，而不是依靠物质的接触来传递热量。②辐射换热过程中伴随着能量的两次转换：发射时，物体的内能转换成辐射能；接受时，辐射能转换成内能。③一切物体只要其温度T0K，都在不断发生热辐射。3热辐射定义和特点3.电磁波与热辐射：①传播速率与波长、频率间的关系各种电磁波都以光速在真空中转播，这是电磁辐射的共性，热辐射也不例外。电磁波的速率、波长和频率有以下关系：𝑐=𝑓𝜆⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯公式1−1式中：c−表示电磁波的传播速率，在真空中c=3×108𝑚/𝑠，在大气中略低于此值f−频率，𝑠−1；𝜆−波长，单位m，常用单位为𝜇𝑚，1𝜇𝑚=10−6𝑚②电磁波的波谱电磁波的波长包括从零到无穷大的范围（如图1-1所示）。理论上物体热辐射的电磁波波长可以包括整个波谱，然而在工业上所遇到的温度范围内，即2000K以下，有实际意义的热辐射波长位于0.8~100𝜇𝑚之间，且大部分能量位于红外线区段的0.76~20𝜇𝑚范围内，而在可见光区段，即波长为0.38~0.76𝜇𝑚的区段，热辐射能量的比重不大。显然，当热辐射的波长大于0.76𝜇𝑚时，人们的眼睛将看不见。如果我们把温度范围扩大到太阳辐射，情况就会有变化。太阳是温度约为5800K的热源，其温度比一般工业上遇到的温度高出很多。对于太阳辐射，主要能量集中在0.2~2𝜇𝑚的波长范围，其中可见光区段占有很大比重。所以如果把太阳辐射包括在内，热辐射的波长区段为0.1~100𝜇𝑚。4热辐射定义和特点③电磁波的应用：各种波长的电磁波在生产、科研与日常生活中有着广泛的应用。对于红外辐射（infraredradiation），它又有近红外与远红外之分，大体上以25𝜇𝑚为界（国际照明委员会定的界限），25𝜇𝑚以下的称为近红外线。波长在1mm~1m之间的电磁波称为微波（microwave），微波可以穿透塑料、玻璃以及陶瓷制品，但却会被像水那样具有极性分子的物体吸收，在物体内部产生内热源，从而使物体能比较均匀的得到加热。各类食品的主要成分是水，因而微波加热食物是一种比较理想的加热手段，微波炉就是利用这一原理来加热的。波长大于1m的电磁波则广泛用于无线电技术中。图1-1电磁波的波谱5黑体、白体和透明体1.定义：热辐射是物体以电磁波的方式向外传递热量过程，而电磁波与光的特性相同，具有波粒二象性，所以对电磁波来说，透射、反射，折射规律同样适用。根据能量守恒定律，有以下公式𝑄=𝑄𝑟+𝑄𝑎+𝑄𝑑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯公式2−1𝑄𝑟𝑄+𝑄𝑎𝑄+𝑄𝑑𝑄=𝑟+𝑎+𝑑=1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯公式2−2式中：𝑟−反射率；𝑎−吸收率；𝑑−透过率当反射率𝑟=1时，表明物体能将投射到它表面的电磁波全部反射，称为绝对白体，简称白体；当吸收率𝑎=1时，表明物体能将投射到它表面的电磁波全部吸收，称为绝对黑体，简称黑体；当透射率𝑑=1时，表明物体能将投射到它表面的电磁波全部透过，称为绝对透明，简称透明体。注意：上面所说的黑体、白体、透明体均是对电磁波而言，而不是对可见光，而且它们都是理论中的理想物体，实际并不存在。图2-1物体对热辐射的吸收、反射和穿透6黑体、白体和透明体2.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（blackbody）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。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α=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。7黑体、白体和透明体2.物体表面对电磁波的作用：①吸收比、反射比与穿透比之间的一般关系当辐射能进入固体或液体表面后，在一个极短的距离内就被吸收完了。对应金属导体，这一距离只有1𝜇𝑚的数量级；对于大多数非导电体材料，这一距离小于1mm。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。气体对辐射能几乎没有反射能力，吸收性大的气体，其穿透性就小。据上所述，固体和液体对投入辐射所呈现的吸收和反射特性，都具有在物体表面上进行的特点，而不涉及物体的内部，因此物体表面状况对这些辐射特性的影响是至关重要的。而对气体，辐射和吸收在整个其他容积中进行，表面状况则是无关紧要的。②固体表面的两种反射辐射能投射到物体表面后，有镜面发射和漫反射的区分，这取决于物体的表面粗糙度。这里所指的粗糙度是相对于热辐射的波长而言的，当表面粗糙度小于投入辐射的波长时，形成镜面反射（图2-2）。当表面粗糙度大于投入辐射的波长时，形成漫反射（图2-3）。图2-2镜面反射图2-2漫反射8热辐射四大定律1.基尔霍夫辐射定律①人物成就：基尔霍夫（GustavRobertKirchhoff,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（Kirchoff‘slaw）。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》（UeberdasGleichgewichtunddieelastischenScheibe：CredlesJournal，Bd.40,S.51-88）。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。9热辐射四大定律②基尔霍夫辐射定律：基尔霍夫辐射定律指出：在热平衡条件下，所有物体在一定温度下的辐射功率密度（M）和辐射吸收比（𝛼）的比值都相同，并等于一个黑体在同一温度下的辐射功率密度（𝑀0）。与物体性质无关，与物体温度、电磁波的频率有关。该定律的核心是，物体对电磁辐射的发射率与吸收比成正比。对全辐射而言，可用下式表示：𝑀𝛼=𝑀1𝛼1=𝑀2𝛼2=⋯=𝑀0𝛼0=𝑀0=𝑓𝑇⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(公式3−1)式中：𝑀,𝑀1,𝑀2⋯−表示几个普通物体（非黑体）在温度为T时的辐射功率密度α,𝛼1,𝛼2⋯−表示几个普通物体（非黑体）在温度为T时的辐射吸收比𝑀0，𝛼0−表示黑体在同一温度下的辐射功率密度和辐射吸收比，𝛼0=1基尔霍夫辐射定律还可用一句话表达：好的吸收体也是好的发射体。基氏定律从数学上将材料处于热平衡时，热辐射的一些性质联系起来，总结了所有材料在热平衡条件下的辐射规律，内涵很丰富。10热辐射四大定律③物体的吸收比：单位时间内从外界投入到物体单位表面积上的辐射能称为投入辐射。物体对投入辐射所吸收的百分数称为该物体的吸收比。实际物体的吸收比𝛼的大小取决于吸收物体本身的情况和投入辐射的特性。物体吸收某一特定波长辐射能的百分数称为光谱吸收比。一般来说物体的光谱吸收比与波长有关。有些材料的光谱吸收比随波长的变化不大。但另一些材料随波长的变化很大。物体的光谱吸收比随波长而异的这种特性称为物体的吸收具有选择性。比如植物与蔬菜栽培过程中使用的暖房就利用了玻璃对辐射能吸收的选择性：当太阳光照射到玻璃上时，由于玻璃对波长小于3𝜇𝑚的辐射能的穿透比很大，从而使大部分太阳能可以进入到暖房；暖房中的物体由于温度较低，其辐射能绝大部分位于波长大于3𝜇𝑚的红外范围内，而玻璃对于波长大于3𝜇𝑚的辐射能的穿透比很小，从而阻止了辐射能向暖房外的散失，这就是所谓的“温室效应”。焊接工人在焊工件时要戴上一副黑色的眼镜，就是为了使对人体有害的紫外线能被特种玻璃所吸收。世上万物呈现不同的颜色的主要原因也在于选择性的吸收和辐射。当阳光照射到一个物体表面上时，如果该物体几乎全部吸收各种可见光，它就呈黑色；如果几乎全部反射可见光，它就呈白色；如果几乎均匀地吸收各色可见光并均匀地反射各色可见光，它就呈灰色；如果只反射了一种波长的可见光而几乎全部吸收了其他的可见光，则它就呈现被反射的这种辐射线的颜色。图3-1铜和铝的光谱吸收比与波长关系11热辐射四大定律④三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。层次数学表达式成立条件光谱，定向𝜀𝜆,𝜑,𝜃,𝑇=𝛼𝜆,𝜑,𝜃,𝑇无条件，𝜃为纬度角光谱，半球𝜀𝜆,𝑇=𝛼𝜆,𝑇漫射表面全波段，半球𝜀𝑇=𝛼𝑇与黑体辐射处于热平衡或对漫灰表面表4-1常用材料表面黑度⑤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，但在可见光范围内，白漆的吸收比仅0.1~0.2，而黑漆仍在0.9以上。