热辐射的特点及应用领域

物体因为热而以电磁波的形式向外发射能量的过程，称为热辐射。热辐射过程具有以下特点：

（1）热辐射是物体的固有属性。只要温度高于绝对零度（0K），物体就会发射辐射能，温度越高，辐射强度越大。

（2）辐射可以在真空中以光速传播，而无须媒介。

（3）热辐射过程中伴随着能量形式的转化。当物体发射辐射时，热能转化为辐射能；当物体吸收辐射时，辐射能又重新转化为热能。

当热辐射投射到物体表面时，将发生透过、反射和吸收现象。每一部分占总辐射能的比例分别称为透过率D、反射率R和吸收率A。只有被吸收的热辐射会引起加热。能全部吸收辐射能的物体称为黑体，黑体的吸收率为100%，反射率和透过率都为0。在一定温度下，黑体能发射最大量的热辐射，其辐射能力仅为温度的函数。黑体的辐射能力E_b与其表面的绝对温度T之间的定量关系可由斯蒂芬—波尔茨曼（Stefan-Boltzmann）定律给出：

式中 E_b——黑体的辐射能力，W/m²；

σ——斯蒂芬常数，5.67×10^-8W/（m²·K⁴）；

T——黑体表面的绝对温度，K。

灰体（Gray Body）是指能够以相同的速率部分吸收0~∞波长范围内辐射能的物体。灰体是不透热体（A+R=1，D=0），也是理想物体，一般工业上遇到的多数物体，如常见的工程材料、建筑材料等均能部分吸收所有波长的辐射能，且吸收率相差不多，故可近似视作灰体。斯蒂芬—波尔茨曼定律也可推广到灰体，此时式（5-57）可表示为：

式中 E_g——灰体的辐射能力，W/m²；

ε——物体的黑度。

通常将灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比定义为物体的黑度，记为ε，其值恒小于1。表5-8列出了某些工业材料的黑度值。真实物体表面的辐射能力取决于波长。

表5-8 常见工业材料的黑度值(www.xing528.com)

续表

在由辐射导致的表面之间的净热交换过程中，辐射体之间的净热交换率取决于两种变量：辐射表面的性质和状态，即温度、发射率和吸收率；表面间的相对空间位置。

两固体间的辐射传热计算通式可用下式：

式中 q_1-2——净辐射传热速率，W；

C_1-2——总辐射系数，W/（m²·K⁴）；

φ_1-2——几何因子或角系数；

S——辐射面积，m²；

T₁——高温物体表面的热力学温度，K；

T₂——低温物体表面的热力学温度，K。

其中，总辐射系数C_1-2和角系数φ_1-2的数值与物体黑度、形状、大小、两物体间的距离及相互位置等有关。

在实践中，传热通常涉及多种机制。通过对流和辐射联合进行的热传递非常普遍。例如，在烤炉中，热量通过热空气的对流和热体的辐射传递到产品。因为辐射传递涉及温度的四次幂项，所以难以对两种机制下传递的热量进行直接求和。为了克服这个困难，定义了辐射的“伪”传热系数h_r，以便以温差表示辐射传热，如下：

对于两黑体间的热辐射，对比式（5-59）和式（5-60）得：