西北大学：《化工原理》课程教学资源（课件讲稿）热辐射

西北大学化工原理课件 第五节热辐射 一、基本概念 一个物体只要它具有一定的温度，就有一定的辐射能 力。以电磁波的形式向外界辐射能量，同时，又不断吸收来 自外界其它物体的辐射能。当它辐射出和吸收的辐射能不相 等时，与外界要产生热传递，这种传热的方式称热辐射。 热辐射可以在真空中传播，不需要任何介质，这是热辐 射与对流传导的主要不同点。 固体和液体的热辐射与气体的不同。固体和液体辐射只 发生在物体的表面层内，而气体辐射则深入气体的内部，因 此一般不讲气体辐射

西北大学化工原理课件 一个物体只要它具有一定的温度，就有一定的辐射能 力。以电磁波的形式向外界辐射能量，同时，又不断吸收来 自外界其它物体的辐射能。当它辐射出和吸收的辐射能不相 等时，与外界要产生热传递，这种传热的方式称热辐射。 第五节 热辐射 一、基本概念 固体和液体的热辐射与气体的不同。固体和液体辐射只 发生在物体的表面层内，而气体辐射则深入气体的内部，因 此一般不讲气体辐射。 热辐射可以在真空中传播，不需要任何介质，这是热辐 射与对流传导的主要不同点

西北大学化工原理课件 二、固体辐射 1.黑体的辐射能力和吸收能力 斯蒂芬-波尔兹曼定律 光辐射所有的性质，热辐射都有。 入射Q 反射Q, 如图，投射在某 一物体上的总辐 射能为Q,其中Q,被吸收，一部分 吸收Q Q,被物体反射，其余部分Qa 穿透物体。那么： 穿透Qa Q=Q+Q+Qd 或 .++ =1

西北大学化工原理课件 如图，投射在某一物体上的总辐 射能为Q，其中Qa被吸收，一部分 Qr 被物体反射，其余部分 Qd 穿透物体。那么： + + =1 Q Q Q Q Q Qa r d 吸收Qa 穿透Qd 入射Q 反射Qr 二、固体辐射 1.黑体的辐射能力和吸收能力———— 斯蒂芬-波尔兹曼定律 光辐射所有的性质，热辐射都有。 或 Q=Qa+Qr+Qd

西北大学化工原理课件 记 =α→物体对投入辐射的吸收率， Q总辐射能 =r→反射率， Q Q吸收 =d→穿透率。 Q 8透射 α=1一黑体（吸收率1的物体称为黑体） r=1一白体（镜体） (反射率=1的物体称为白体) d=1一透热体（双原子气体）（穿透率=的物体称为透热体）。 对固体和液体不允许热辐射通过，d=0, 气体几乎没有反射率，=0， 刚说过吸收率a等于1的物体称黑体，黑体是一种理想化的 物体，绝对的黑体是不存在的

西北大学化工原理课件 记 穿透率。 反射率， 物体对投入辐射的吸收率， = → = → = → d Q Q r Q Q a Q Q d r a 1 1 1 1 1 1 a r d = = = = = —黑体（吸收率= 的物体称为黑体）， —白体（镜体）（反射率 的物体称为白体）， —透热体（双原子气体）（穿透率 的物体称为透热体）。 对固体和液体不允许热辐射通过，d=0， 气体几乎没有反射率，r=0， 刚说过吸收率a等于1的物体称黑体，黑体是一种理想化的 物体，绝对的黑体是不存在的

西北大学化工原理课件 黑体的辐射能力E。：即单位时间单位黑体表面向外界辐 射的全部波长的总能量(Wm2),服从下列斯蒂芬波尔滋曼 定律： B-mc) E.、T一分别为黑体的辐射力(Wm)及表面的绝对温度，K。 o,(或c)一黑体的辐射系数，其值为5.67×10-8（或5.67W/m2.K4) 显然，热辐射与对流或导热遵循完全不同的规则。！ 四次方 定律表明辐射传热对温度异常敏感：低温时热辐射往往可以忽 略，而高温时，热辐射则成为主要的传热方式

西北大学化工原理课件 黑体的辐射能力 ：即单位时间单位黑体表面向外界辐 射的全部波长的总能量（W/m2），服从下列斯蒂芬-波尔兹曼 定律： 4 0 4 0 100 ⎟⎠⎞ ⎜⎝⎛ = = T E b σ T C c 5.67 10 ( 5.67 / ) W/m K 8 2 4 0 2 W m K E T o b × ⋅ （或 ）—黑体的辐射系数，其值 为 − 或 、 — 分别为黑体的辐射力（ ）及表面的绝对温度， 。 σ Eb 显然，热辐射与对流或导热遵循完全不同的规则。四次方 定律表明辐射传热对温度异常敏感：低温时热辐射往往可以忽 略，而高温时，热辐射则成为主要的传热方式

西北大学化工原理课件 2、实际物体的辐射能力和吸收能力 同一温度下，实际物体（α<1）的辐射能力E恒小于黑体 的辐射能力E,。把实际物体的E与同温度下黑体的E。之比称 为该物体的黑度，以￡表示： E E b 显然，实际物体的黑度表征了其辐射能力的大小，或接近 黑体的程度，且￡<1，黑体不单纯是颜色的概念，也可将实际 物体的辐射能力表示为： B=sEFo☑

西北大学化工原理课件 4 0 100 ⎟⎠⎞ ⎜⎝⎛ = = T E E c b ε ε E b E ε = 显然，实际物体的黑度表征了其辐射能力的大小，或接近 黑体的程度，且 ，黑体不单纯是颜色的概念，也可将实际 物体的辐射能力表示为： ε <1 同一温度下，实际物体（ ）的辐射能力E恒小于黑体 的辐射能力 。把实际物体的E与同温度下黑体的 之比称 为该物体的黑度，以 表示： a <1 Eb Eb ε 2、实际物体的辐射能力和吸收能力

西北大学化工原理课件 实验表明，物体的黑度只与辐射物体本身的情况（物体 的种类、表面温度、表面状况)有关，是物体一种性质，而 与外界无关。P266页表6-4列出了一些常见材料的黑度值。 由表6-4可以看出，金属表面的粗糙程度对￡影响很大，非金 属材料的￡值都很高，一般在0.850.95之间，在缺乏资料 时，可近似取作0.90。 实际物体对投入的辐射能的吸收率不仅取决于物体本身的 情况（物体种类、表面温度、表面状况等），而且还与辐射物 体的情况（即所辐射的波长）有关。因此，实际物体的吸收率 a比其黑度￡更为复杂。（见P266图6-25） 物体的吸收率愈大，其辐射能力也愈大

西北大学化工原理课件 实际物体对投入的辐射能的吸收率不仅取决于物体本身的 情况（物体种类、表面温度、表面状况等），而且还与辐射物 体的情况（即所辐射的波长）有关。因此，实际物体的吸收率 a 比其黑度 更为复杂。（见P266图6-25） 实验表明，物体的黑度只与辐射物体本身的情况（物体 的种类、表面温度、表面状况）有关，是物体一种性质，而 与外界无关。P266页表6-4列出了一些常见材料的黑度值。 由表6-4可以看出，金属表面的粗糙程度对 影响很大，非金 属材料的 值都很高，一般在0.85~0.95之间，在缺乏资料 时，可近似取作0.90。 物体的吸收率愈大，其辐射能力也愈大

西北大学化工原理课件 3、灰体的辐射能力和吸收能力 克希荷夫定律 实际物体的吸收率与投入辐射能的波长有关，也就是说与 外界情况有关。对不同波长的辐射能有选择的吸收，即对不同 的吸收具有选择性。如果物体对不同波长辐射能的吸收程度相 同，那么，物体对投入辐射的吸收率与外界情况无关。 实验证明，对于波长在0.76~20m范围内的辐射能，（它 也是工业上应用最多的热辐射)，大多数材料的吸收率随波长 变化不大。 根据这一实际情况，把实际物体当成是对不同波长辐射能 的吸收率相同的理想物体，把这种理想物体称为灰体。灰体它 是一个理想化的概念

西北大学化工原理课件 实验证明，对于波长在0.76~20 范围内的辐射能，（它 也是工业上应用最多的热辐射），大多数材料的吸收率随波长 变化不大。 μm 实际物体的吸收率与投入辐射能的波长有关，也就是说与 外界情况有关。对不同波长的辐射能有选择的吸收，即对不同 的吸收具有选择性。如果物体对不同波长辐射能的吸收程度相 同，那么，物体对投入辐射的吸收率与外界情况无关。 3、灰体的辐射能力和吸收能力———— 克希荷夫定律 根据这一实际情况，把实际物体当成是对不同波长辐射能 的吸收率相同的理想物体，把这种理想物体称为灰体。灰体它 是一个理想化的概念

西北大学化工原理课件 ◆灰体有如下特点： 1.灰体的吸收率a不随辐射线的波长而变； 2.它是不透热体（即不允许热辐射透过）。a+r=1 灰体的辐射能力可用黑度来表征，其吸收 能利用a来表征，灰体的a是灰体自身的特点。 克希荷夫从理论上证明：同一灰体的吸收 率a与在这个温度下它的黑度在数值上相等： a=8 此式称为克希荷夫定律。 灰体 黑体

西北大学化工原理课件 灰体的辐射能力可用黑度来表征，其吸收 能利用a来表征，灰体的a是灰体自身的特点。 a = ε ◆灰体有如下特点： 灰体有如下特点 1.灰体的吸收率 a 不随辐射线的波长而变； 2.它是不透热体（即不允许热辐射透过）。a+r=1。 此式称为克希荷夫定律。 克希荷夫从理论上证明：同一灰体的吸收 率a与在这个温度下它的黑度在数值上相等： 灰体 黑体 T T E Eb a Eb Eb (1−a)

西北大学化工原理课件 这样，只要知道实际物体（可近似看作为灰体者）的黑度 (可通过实验测定)，其值也就是它对任何投入辐射的吸收 率。从该定律可知：辐射能力越大， 吸收能力也越大。 根据黑度的定义： E ￡= 三 a E E a 表明灰体在一定温度下的辐射能力和吸收率之比恒等于同 温度下黑体的辐射能力

西北大学化工原理课件 这样，只要知道实际物体（可近似看作为灰体者）的黑度 （可通过实验测定），其值也就是它对任何投入辐射的吸收 率。从该定律可知：辐射能力越大，吸收能力也越大。 b b E a E a E E = ε = = 表明灰体在一定温度下的辐射能力和吸收率之比恒等于同 温度下黑体的辐射能力。 根据黑度的定义：

西北大学化工原理课件 4、黑体间的辐射传热和角系数 下面讨论两理想黑体间的辐射传热。 A, 如左图，黑体1向外辐射的 能量只有一部分Q2」 投射到黑 法线 体2并被全部吸收。同样，黑 体2向外辐射的能量也只有一 部分Q21投射到黑体1上并被 吸收。于是，两黑体间的热流 装 量为： 212=912-Q21 dA

西北大学化工原理课件 4、黑体间的辐射传热和角系数 下面讨论两理想黑体间的辐射传热。 法线 法 线 r A1 A2 2 dA 1 dA α1 α 2 如左图，黑体1向外辐射的 能量只有一部分 投射到黑 体 2 并被全部吸收。同样，黑 体 2 向外辐射的能量也只有一 部分 投射到黑体1上并被 吸收。于是，两黑体间的热流 量为： 1 2 Q1→2 Q2→1 Q12 = Q1→2 −Q2→1