第一章辐射换热的基本概念和定律
参考书：
1,E.M.Sparrow,R.D.Cess,
Radiation Heat Transfer
（ 中译本：顾传保，张学学译：
辐射换热，高等教育出版社）
2，梅飞鸣，王兴安：辐射传热，
高等教育出版社热辐射是物体因本身的温度而向外以电磁波的形式发射能量的现象，是热量传递的三种基本方式之一。
只要物体温度高于绝对零度，任何物体都随时向周围空间发射电磁波，即热辐射。
通常，将波长为 0.1 ~ 100 μ m 的电磁波称为热射线，热射线运载的能量称为辐射热。
热射线包括紫外线，可见光和红外线三个波段。
可见光,0.4 ~ 0.78 μ m
紫外线,10^{-2} ~ 0.4 μ m
红外线,0.8 ~ 50 μ m
这种以热辐射的方式进行物体间的热量传递，称为辐射换热。
在现代科学技术的许多传热过程中，辐射换热起着重要的，甚至是主导的作用，需要进行准确的辐射换热计算。
辐射换热与导热、对流换热有本质的区别。
热辐射所发射的辐射能取决于物体的温度，温度越高，辐射越强；
此外，热辐射不依赖物质的媒介作用，
是不接触的传热方式，因此是真空中唯一的传递热量的方式 。
§ 1.1 热辐射的基本概念
1,辐射强度热辐射在空间的分布或传播，
形成了辐射场，它可以用辐射强度来描述。
图 (1-1) 辐射强度定义如果辐射强度不随位置而变化，则称此辐射场是 均匀的 ；
如果辐射强度与方向无关，则称此辐射场是 各向同性的 ；
如果辐射强度不随时间而变化，则称此辐射场是 稳定的 。
下面只讨论稳定的辐射场。
图 1-2
离开表面的辐射能流密度称为此表面的 有效辐射能流密度 （有效辐射）；
到达表面的辐射能流密度称为此表面的 入射辐射能流密度 （入射辐射）
3,黑体的定义及性质
绝对黑体,又称 黑体,是 一种对任何入射辐射都完全吸收的理想吸收体。
黑体对任意波长、任意方向的入射辐射既不反射，也不透过，而是 完全吸收 。
黑体的概念是研究热辐射的最重要、基本概念。作为理想的吸收体，黑体是实际吸收体的比较标准。
自然界不存在绝对黑体，只有少数物体的表面，如碳黑、碳化硅、
铂黑等表面的吸收能力接近黑体。
黑体模型可以用人工方法制备，
一个开在空腔壁上的小孔就形成了人工黑体 (见图 1-4)。
图 1-4 人工黑体模型黑体的性质：
（ 1），黑体是理想的发射体，在同样的温度下，各个方向上，黑体所发射的各波长的辐射能比任何其它物体都多；
（ 2），等温黑色壳中的辐射场是均匀，且各向同性的；
（ 3），黑体发射的全辐射能只是黑体温度的单调、递增函数。
图 1-5 黑表面单色发射强度证明黑体表面的发射强度与发射方向无关。
从而证明了黑体表面的发射强度与发射方向无关，
即黑体辐射是理想的漫辐射。
(2),黑体的半球发射力
黑体表面的 半球单色发射力 是单位面积的黑体表面在单位时间、
波长 λ 处单位波长间隔、发射的半球范围内的辐射能 (见图 1-7)。
图 1-7 半球发射力与定向发射力之间的关系即黑表面的半球发射力是发射强度的 π 倍，
或黑体表面的半球发射力是法向发射力的 π 倍。
§ 1.2 辐射换热的基本定律
一，黑体的基本定律
1,Lambert 定律
(黑体的定向发射力 )
(1-13)式称为 Lambert定律 。定向发射力服从 Lambert定律的表面称为漫发射表面，或余弦定律表面。
显然，黑表面定向全发射力也服从余弦定律
2,黑体发射能量随波长的分布规律 -Planck 定律
以上讨论过的黑体性质，都可以用经典热力学的原理加以解释，但是，
黑体的另一个基本特性，即黑体发射能量随波长的分布规律,则需要用量子理论来解释。
1901年 Planck根据量子理论推导出黑体辐射的光谱分布公式，并与实验结果符合很好。
Planck公式给出了真空中黑体发射力的光谱分布规律，即单色发射力与黑体温度与辐射波长间的关系，为上式称为 Planck定律，
从图 ( 1-9 ) 中发现两个特点：
一是，任意波长的单色发射力以及全发射力都随黑体的温度的增加而增加；
二是单色发射力峰值所对应的波长随黑体温度增加而减小。
如图 (1-9)虚线所示。
3,Wien位移定律该式表明黑体的半球单色发射力为最大值时对应的波长 与黑体温度的乘积是一个常数，
此即 Wien位移定律。
该定律表明,随黑体温度的升高向短波方向移动 。
4,Stefan-Boltzmann 定律黑体的半球全发射力为该式称为 Stefan-Boltzmann定律，是热辐射四次方定律的表达式二，基尔霍夫定律 (实际物体的辐射特性和吸收特性的关系 )
实际物体的黑度（发射率）－实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值。
实际物体的吸收率 α 取决于吸收物体的种类、表面温度和表面状况和投射辐射的特性。
物体对某一波长的辐射能所吸收的百分数被定义为单色吸收率,
灰体也是一种假定的理想物体。在红外线范围内，可把实际物体近似看作灰体，给工程计算带来方便。
图 1-10 推导基尔霍夫定律的简图基尔霍夫定律的证明：
由 (1-21)式和 (1-22)式相除，可得这就是基尔霍夫定律。
一个物体的辐射能与同温度下黑体的辐射能之比等于它的吸收率。
(这一比值正是该物体发射率的定义 )，
即
(1-23)式称为基尔霍夫恒等式。
基尔霍夫定律的表述：
在热平衡的条件下，任何物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收率的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。
由此得出的结论：
1，在同温度下，物体的辐射力越大，
吸收率也越大；
2，所有实际物体的吸收率均小于 1，
所以，在同温度下，黑体的辐射力最大。
小结
The End
参考书：
1,E.M.Sparrow,R.D.Cess,
Radiation Heat Transfer
（ 中译本：顾传保，张学学译：
辐射换热，高等教育出版社）
2，梅飞鸣，王兴安：辐射传热，
高等教育出版社热辐射是物体因本身的温度而向外以电磁波的形式发射能量的现象，是热量传递的三种基本方式之一。
只要物体温度高于绝对零度，任何物体都随时向周围空间发射电磁波，即热辐射。
通常，将波长为 0.1 ~ 100 μ m 的电磁波称为热射线，热射线运载的能量称为辐射热。
热射线包括紫外线，可见光和红外线三个波段。
可见光,0.4 ~ 0.78 μ m
紫外线,10^{-2} ~ 0.4 μ m
红外线,0.8 ~ 50 μ m
这种以热辐射的方式进行物体间的热量传递，称为辐射换热。
在现代科学技术的许多传热过程中，辐射换热起着重要的，甚至是主导的作用，需要进行准确的辐射换热计算。
辐射换热与导热、对流换热有本质的区别。
热辐射所发射的辐射能取决于物体的温度，温度越高，辐射越强；
此外，热辐射不依赖物质的媒介作用，
是不接触的传热方式，因此是真空中唯一的传递热量的方式 。
§ 1.1 热辐射的基本概念
1,辐射强度热辐射在空间的分布或传播，
形成了辐射场，它可以用辐射强度来描述。
图 (1-1) 辐射强度定义如果辐射强度不随位置而变化，则称此辐射场是 均匀的 ；
如果辐射强度与方向无关，则称此辐射场是 各向同性的 ；
如果辐射强度不随时间而变化，则称此辐射场是 稳定的 。
下面只讨论稳定的辐射场。
图 1-2
离开表面的辐射能流密度称为此表面的 有效辐射能流密度 （有效辐射）；
到达表面的辐射能流密度称为此表面的 入射辐射能流密度 （入射辐射）
3,黑体的定义及性质
绝对黑体,又称 黑体,是 一种对任何入射辐射都完全吸收的理想吸收体。
黑体对任意波长、任意方向的入射辐射既不反射，也不透过，而是 完全吸收 。
黑体的概念是研究热辐射的最重要、基本概念。作为理想的吸收体，黑体是实际吸收体的比较标准。
自然界不存在绝对黑体，只有少数物体的表面，如碳黑、碳化硅、
铂黑等表面的吸收能力接近黑体。
黑体模型可以用人工方法制备，
一个开在空腔壁上的小孔就形成了人工黑体 (见图 1-4)。
图 1-4 人工黑体模型黑体的性质：
（ 1），黑体是理想的发射体，在同样的温度下，各个方向上，黑体所发射的各波长的辐射能比任何其它物体都多；
（ 2），等温黑色壳中的辐射场是均匀，且各向同性的；
（ 3），黑体发射的全辐射能只是黑体温度的单调、递增函数。
图 1-5 黑表面单色发射强度证明黑体表面的发射强度与发射方向无关。
从而证明了黑体表面的发射强度与发射方向无关，
即黑体辐射是理想的漫辐射。
(2),黑体的半球发射力
黑体表面的 半球单色发射力 是单位面积的黑体表面在单位时间、
波长 λ 处单位波长间隔、发射的半球范围内的辐射能 (见图 1-7)。
图 1-7 半球发射力与定向发射力之间的关系即黑表面的半球发射力是发射强度的 π 倍，
或黑体表面的半球发射力是法向发射力的 π 倍。
§ 1.2 辐射换热的基本定律
一，黑体的基本定律
1,Lambert 定律
(黑体的定向发射力 )
(1-13)式称为 Lambert定律 。定向发射力服从 Lambert定律的表面称为漫发射表面，或余弦定律表面。
显然，黑表面定向全发射力也服从余弦定律
2,黑体发射能量随波长的分布规律 -Planck 定律
以上讨论过的黑体性质，都可以用经典热力学的原理加以解释，但是，
黑体的另一个基本特性，即黑体发射能量随波长的分布规律,则需要用量子理论来解释。
1901年 Planck根据量子理论推导出黑体辐射的光谱分布公式，并与实验结果符合很好。
Planck公式给出了真空中黑体发射力的光谱分布规律，即单色发射力与黑体温度与辐射波长间的关系，为上式称为 Planck定律，
从图 ( 1-9 ) 中发现两个特点：
一是，任意波长的单色发射力以及全发射力都随黑体的温度的增加而增加；
二是单色发射力峰值所对应的波长随黑体温度增加而减小。
如图 (1-9)虚线所示。
3,Wien位移定律该式表明黑体的半球单色发射力为最大值时对应的波长 与黑体温度的乘积是一个常数，
此即 Wien位移定律。
该定律表明,随黑体温度的升高向短波方向移动 。
4,Stefan-Boltzmann 定律黑体的半球全发射力为该式称为 Stefan-Boltzmann定律，是热辐射四次方定律的表达式二，基尔霍夫定律 (实际物体的辐射特性和吸收特性的关系 )
实际物体的黑度（发射率）－实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值。
实际物体的吸收率 α 取决于吸收物体的种类、表面温度和表面状况和投射辐射的特性。
物体对某一波长的辐射能所吸收的百分数被定义为单色吸收率,
灰体也是一种假定的理想物体。在红外线范围内，可把实际物体近似看作灰体，给工程计算带来方便。
图 1-10 推导基尔霍夫定律的简图基尔霍夫定律的证明：
由 (1-21)式和 (1-22)式相除，可得这就是基尔霍夫定律。
一个物体的辐射能与同温度下黑体的辐射能之比等于它的吸收率。
(这一比值正是该物体发射率的定义 )，
即
(1-23)式称为基尔霍夫恒等式。
基尔霍夫定律的表述：
在热平衡的条件下，任何物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收率的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。
由此得出的结论：
1，在同温度下，物体的辐射力越大，
吸收率也越大；
2，所有实际物体的吸收率均小于 1，
所以，在同温度下，黑体的辐射力最大。
小结
The End
