热辐射的基本概念
任何物体在发出辐射能的同时,也不断吸收周围物体发来的辐射能。一物体辐射出的能量与吸收的能量之差,就是它传递出去的净能量。
物体的辐射能力(即单位时间内单位表面向外辐射的能量),随温度的升高增加很快。一般说来,当一物体受到其他物体投来的辐射(能量为Q)时,其中被吸收转为热能的部分为QA,被反射的部分为QR,透过物体的部分为QD,显然这些部分与总能量之间有下式所示的关系:QA+QR+QD=Q
如果把A=QA/Q称为
吸收率,R=QR/Q称为
反射率,D=QD/Q称为穿透率,则有:A+R+D=1
若物体的A=1,R=D=0,即到达该物体表面的
热辐射的能量完全被吸收,此物体称为
绝对黑体,简称黑体。若R=1,A=D=0,即到达该物体表面的热辐射的能量全部被反射;当这种反射是规则的,此物体称为镜体;如果是乱反射,则称为
绝对白体。若D=1,A=R=0,即到达物体表面的热辐射的能量全部透过物体,此物体称为透热体。
实际上没有
绝对黑体和
绝对白体,仅有些物体接近绝对黑体或绝对白体。例如:没有光泽的黑漆表面接近于黑体,其
吸收率为0.97~0.98;磨光的铜表面接近于白体,其反射率可达0.97。影响固体表面的吸收和反射性质的,主要是表面状况和颜色,表面状况的影响往往比颜色更大。固体和液体一般是不透热的。热辐射的能量穿过固体或液体的表面后只经过很短的距离(一般小于1mm,穿过金属表面后只经过1μm),就被完全吸收。气体对热辐射能几乎没有反射能力,在一般温度下的单原子和对称双
原子气体(如 Ar、He、H2、N2、O2等),可视为透热体,多原子气体(如CO2、H2O、SO2、NH3、CH4等)在特定波长范围内具有相当大的吸收能力。
辐射能力和吸收能力
理论研究证明,黑体的辐射能力E0为:
E0=σ·Tˇ4
此式称为斯忒藩-波耳兹曼定律。式中T为绝对温度;σ0为黑体的辐射常数(或称斯忒藩-波耳兹曼常数),其值为5.669×10-8 W/(m2·K4)。为应用方便,此式可改写为:
式中C0为黑体的辐射系数,其值为5.669W/(m2·K4)。此式表明,温度对
热辐射的影响极大。低温时
热辐射常可忽略(如普通换热器中);
高温时(如炉膛内),则成为传热的主要方式。
波长分布规律
实际物体的辐射能的波长分布规律,随物体和温度而异。设实际物体辐射任一波λ的辐射能力为Eλ,在同温度下的
黑体辐射相同波长的能力为E0λ;若Eλ/E0λ=常数,即物体的辐射能力与波长无关,则这种物体称为
灰体。大多数工程材料在热辐射波长范围内接近于
灰体。
灰体的辐射能力E可表示为:
式中C(<C0)为
灰体的辐射系数,其数值与物体的表面状况及温度有关。
物体的辐射能力与同一温度下黑体的辐射能力之比ε,等于各自的辐射系数之比,即ε=E/E0=C/C0。ε称为黑度,它代表物体的相对辐射能力。G.R.基尔霍夫发现,任何物体的辐射能力与
吸收率A的比值都相同,且恒等于同温度下
绝对黑体的辐射能力,即:
此式称为
基尔霍夫定律。它表明物体的吸收率与黑度在数值上相等,即物体的辐射能力越大,吸收能力也越大。
两固体间的辐射传热
两物体间辐射传热的速率Q12可表示为式中T1、T2分别为两物体的表面温度;F1为一物体的表面面积;φ12为以F1为基准的角系数,代表一物体辐射出去的能量投射到表面F2的分率,它取决于两物体的形状、大小和相对位置;C12为总辐射系数,其值与两物体的黑度、大小、形状和相对位置有关。