辐射技术在工业方面的应用.docx

1、辐射技术在工业方面的应用 在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。太阳对大地的照射是最常见的辐射现象。高炉中灼热的火焰会烘烤得人们难以忍受太阳对人造卫星的辐射，会使卫星的朝阳面的温度明显地高于卫星背阳面的温度；高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构与强度设计，等等。特别是近年来，人类对太阳能的利用，都大大地促进了人们对辐射换热的研究。本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律；然后重点讨论物体之间的辐射换热规律；最后对气体辐射换热的特点作扼要的介绍。第一节 基本概念11 热辐射的本质和特征由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电

2、磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。人们根据电磁波不同效应把电磁波分成若干波段。波长0.38一0.76m的电磁波段称为可见光波段0.761000 m的电磁波段称为红外波段(一般将红外波段范围又分为近红外波段和远红外波段，近红外波段为0.725m，远红外波段为251000m)；波长大于1000m的电磁波段称为无线电波段(根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段)；波长小于0.4m的电磁波依次分为紫外线、x射线和Y射线等。可见光和红外线以及紫外线的一部分被物体

3、吸收后产生热效应，即波长0.11000 m范围内的电磁技能被物体吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热射线。因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范围，所以本课程所感兴趣的将是热射线，下面将专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。一、热辐射的本质和特点1、发射辐射能是各类物质的固有特性。当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。由于自身温度或热运动的原因面激发产生的电磁波传播，就称热辐射。显然，热辐射是电磁波，电磁波的波长范围可从几万分之一微米到数千米，它们的名称和分类如图所示。通常把0.1100m范围的电磁波称

4、热射线，其中包括可见光线、部分紫外线和红外线具有波动和量子特性。2、特点热辐射的本质决定了热辐射过程有如下三个特点：辐射换热与导热、对流换热不同、它不依赖物体的接触而进行热量传递，而导热和对流换热都必须由冷、热物体直接接触或通过中间介质相接触才能进行。辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体的部分内能转化为电磁波能发射出去，当此波能射及另一物体表面而被吸收时，电磁波能又转化为内能。一切物体只要其温度T0K，都会不断地发射热射线。当物体间有温差时，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量，因此总的结果是高温物体把能量传给低温物体。即使各个物体的温度相同，辐射换热仍在不断进

5、行，只是每一物体辐射出去的能量，等于吸收的能量，从而处于动平衡的状态。二、物体的热辐射特性-吸收、反射和透射当热射线投射到物件上时，遵循着可见光的规律，其中部分被物体吸收，部分被反射，其余则透过物体。如图所示，其中反射存在漫反射和镜反射两种情况。在物体表面对射线的吸收、反射和透射的过程中，能量平衡关系为：由此可定义吸收率、反射率和透射率：物体吸收率： ；物体反射率： ；物体透射率 。其中 ；对于单色吸收率、单色反射率、单色透射率： 。为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型：黑体：=1 =0 =0；白体：=0 =1 =0；透明体：=0 =0 =1自然界和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白体和透

6、明体虽然并不存在，但和它们根相象的物体却是有的。例如，煤炭的吸收比达到0.96，磨光的金子反射比几乎等于0.98，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。但是，在分析实际物体表面的吸收、反射和透过特性的时候，必须非常谨慎地对待波长，尤其要注意不能以肉眼的直观感觉来判断某物体吸收比的高低。对于1的物体、说明它能允许投射来的辐射能全部透射过去、因此，称为透明体。这种极限状况在自然界中并不存在，只能有近似的透明体，如双原子气体(氧气、氮气)可视为?1的透明体；干燥的空气也可以近似视为透休，但当空气中掺有水蒸气和二氧化碳气时，它就不再能作为透明体来处理，因为这两种气体的吸收率不等于零。有些物体的透射性能与

7、波长有关。也就是说，它对于某波长范围的辐射线表现出良好的透射性能，而对另一些波长范围则表现为非透明体性能，这就是物体对波长的选择性。例如普通玻璃对可见光来说是良好的透明体，但对紫外线和红外线来说就不是透明体。因此人们在普通玻璃的室内进行日光浴的效果就与室外显著不同。对大多数的固体和液体来说，热射线都是不能透射的，即o。这时，十1由上式可以看到，对于o的物体，吸收能力越强，它的反射能力就越弱；或者说反射能力越强的非透体，其吸收能力就越弱。这一知识早巳被人们的日常生活所验证。例如夏天人们总是喜欢穿白色衣服，这就是利用白色对可见光反射能力强这一特点，便衣服吸收的可见光减少，达到凉爽的目的。又如在防原

8、子辐射的设施上涂成白色也是这个道理。但是应该注意，颜色对可见光的特性并不能概括为额色对全部热射线的特性，上面已经提及普通玻璃对可见光是透体而对紫外线和红外线却不是进体。而白色涤对可见光具有很高的反射串，但对于红外线的反射率却很低；白族和黑漆对红外线的反射率和吸收牢几乎没有什么差别。可见，对热射线的吸收与反射并不取决于颜色，实际上在很大程度上取决于物体表面的状况、粗糙度等因素。对于物体P1的极限情况，说明物体能将投射来的辐射能全部反射掉。这种物体称为白体。物体对投射来的射线的反射可分为镜反射和漫反射。镜反射时射线入射角等于射线的反射角，而漫反射则比较地元规律。表面粗糙度对射线的反射有决定性的影响

9、。注意，这里所指的表面扭糙度是相对于辐射线的波长而言的。当表面不平整度(粗极度)小于投射射线的波长时，即为光滑表面，这时形成镜反射，如高度抛光的金属表面。一般的：t程材料表面对热射线来说均可视力粗糙表面，所以形成漫反射。在本课程所涉及的范围内都只限十漫射表面。 对于。1的物体，意味着它能全部吸收投射来的各种波长的辐射能，可见它是物体吸收能力最强的一种物体，因此称之为绝对黑体或黑体。在自然界中并不存在绝对黑体。人们可以制造出近似的黑体。例如在高吸收率不透明材料构成的等壁温空腔上开一小扎，就可以把该小孔视为该温度下的黑体。由于投射到小7L上的射线进入空腔后，经过反复吸收、反射，而最后从小孔反射出去

10、的能量可以忽略。可以认为能量全部被小孔吸收。在理解上述基本概念时，应注意以下几个问题：镜反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。物体的颜色。关键在于是物体本身发射可见光还是物体反射可见光。理想辐射模型均是对全波长而言的。三、辐射强度和辐射力所有的固体和液体表面都随时向其上方的整个空间(称为半球空间)发射不同波长的辐射能量。为了进行辐射换热的工程计算，必须研究物体辐射能量随波长的分布特性，以及在半球空间各个方向亡的分布规律。一辐射强度1、立体角：是一个空间角度。定义为：单位为立体弧度Sr其中的变化范围是0-900，的变化范围则是0-3600。2、辐射强度：是物体给定辐射方向上，物体在与发射方向垂

11、直的方向上的单位投影面积，在单位时间和单位立体角内所发射全波长的能量，符号为I，单位为W/(m2Sr)。，其中 3、单色辐射强度如果辐射强度是指在波长附近的单位波长间隔内所发射的能量，称为单色辐射强度，符号为I，单位为W/(m2m Sr)。二辐射力1、辐射力：发射物体每单位表面积在单位时间内向半球空间所发射的全波长能量，称为辐射力，符号为E，单位为W/m2。E与I的关系为： ；E与I的关系为： 2、单色辐射力：如果辐射力是指在波长附近的单位波长间隔内所发射的能量，称为单色辐射力，符号为E，单位为W/(m2m)。3、定向辐射力：如果辐射力是指在某规定方向上的单位面积上所发射的能量，称为定向辐射力

12、，符号为E，单位为W/(m2m)。第二节 热辐射的基本定律 重点内容：热辐射的基本定律及实际物体的热辐射特性简化方法一、黑体黑体具有最大的吸收力(=1)，同时亦具有最大的辐射力(=1)。在实际物体中不存在绝对黑体，为此引出人工黑体，如图所示。具有一个小孔的等温空腔表面，若有外部投射辐射从小孔进入空腔内，必将在其内表面经历无数次的吸收和反射，最后能够从小孔重新选出去的辐射能量必定微乎其微。于是有理由认为，几乎全部入射能量都被空腔吸收殆尽。从这个意义上讲，小孔非常接近黑体的性质。另外，腔内空间的辐射场系由腔内表面的发射和反射叠加而成，是各向同性的，而且必定和从小孔选出的辐射具有相同的性质，也等于腔

13、壁温度所对应的黑体辐射力。二、普朗克(M.Planck)定律1、表达式，其中C1、C2分别称为普朗克第一常数和第二常数。该规律描述了黑体单色辐射力随波长及温度的变化规律，如图所示。2分析在一定温度下，黑体在不同波长范围内辐射能量各不相同。维恩位移定律：随着温度T增高，最大单色辐射力Eb,max所对应的峰值波长max逐渐向短波方向移动。maxT=2897.6K。黑体T1400K，辐射大部分能量集中在=0.76-10 内，从而可以忽略可见光。常温下，实际物体的辐射主要是红外辐射。三、斯蒂芬-玻尔兹曼定律Eb=bT4W/m2；b=5.67*10-8W/(m2K4)描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律

14、。也可以计算某一波长范围内的辐射力。其中 称为黑体辐射系数。四、兰贝特(Lambert)余弦定律包括三个方面的内容：1、半球空间上，黑体的辐射强度与方向无关。即：，而各朝向辐射同性的表面称为漫辐射表面。2、漫辐射表面定向辐射力与辐射强度间满足：3、漫辐射表面的辐射力是辐射强度的倍。 该定律描述了黑体及漫辐射表面定向辐射力按空间方向的分布变化规律。7-3、实际固体何液体的辐射特性黑体是所有物体当中吸收能力最大，同时发射能力也最大的理想化表面，这个特点使它很自然地成了描述实际表面的吸收和发射能力大小的最佳基准。通常实际表面(固体或液体)的光谱辐射力比同温度的黑体小，而且表现出不像黑体那么有规律。一

15、般对实际物体表面辐射特性进行一定程度的简化，再用辐射率和吸收率进行修正。引入辐射率是为了定量描述实际物体在发射辐射方面与黑体的差别，而引入吸收率是为了定量描述实际物体在吸收辐射方面与黑体的差别。一辐射率(全波长)辐射率 ；定向辐射率 ；单色辐射率 单色辐射率在图中，是两段线段长度之比；辐射率则是阴影面积（即实际物体辐射力）与实线下的面积（即黑体辐射力）之比；实际物体用灰体近似替代，在图上就意味着，虚线下的面积与阴影面积相同。二单色辐射率与灰体实际材料表面的光谱辐射力不遵守普朗克定律，或者说不同波长下光谱发射率随波长的变化比较大，并且不规则。某一温度下，实际物体的单色辐射力随波长的变化是不规则的

16、。但工程上，实际物体一般可用灰体近似替代。灰体：是指物体单色辐射力与同温度黑体单色辐射力随波长的变化曲线相似，或它的单色发射率不随波长变化，即：f()；f()辐射是连续的光谱：E=Eb,辐射力符合四次方定律：E=Eb=Eb一般实际物体表面在红外线波长范围内，可以近似作为灰体处理。三定向辐射率与漫射表面某一温度下，实际物体的定向辐射强度在各方向上的变化是不规则的。但从图中可以看出，金属在=0-400、非金属在=0-600的单色辐射率基本为常数，所以较为粗糙的实际物体表面可作为漫射表面处理，但其辐射率应做如下修正： （非金属）； （磨光金属表面）。漫射表面：各朝向辐射同性的表面称为漫辐射表面，f(

17、)；f()符合兰贝特余弦定律定向吸收率与空间方向无关。辐射力符合四次方定律：E=Eb=Eb一般较为粗糙的实际物体表面可作为漫射表面处理。7-4、实际物体的吸收比与基尔霍夫定律掌握辐射的基本定律、漫射表面及灰体表面的辐射和吸收特性、实际物体的热辐射特性及其简化方法。一、实际物体的吸收特性实际物体的辐射换热比较复杂，在表面间将形成多次反射、吸收的现象。因此，确定其辐射和吸收特性也是极其重要的。实际物体吸收率不仅与本身性质和状况有关，还取决于投射辐射的特性。日常生活中也有明显例子：红光投射到红玻璃上时，玻璃背面有红光透出，说明红玻璃对红光的吸收率不大：但当绿光投射到红玻璃上时玻璃背面无光透出，说明红

18、玻璃对绿光的吸收率很大。可见，投射光的波长对红玻璃的吸收率有很大的影响。实际物体辐射率的计算方法：实际物体吸收率的计算方法：二、基尔霍夫定律描述了物体发射辐射的能力和吸收投射辐射的能力之间的关系。在热平衡条件下， ,T=,T1、对于实际物体表面: ,=,2、对于灰体: =3、对于漫射表面: =4、对于漫-灰表面(及黑体): =例题例题1、=与=的区别是什么？答：区别在于=的适用条件为漫射表面，而=的适用条件为灰体表面。例题2、应用维恩定律解释金属加热过程的颜色变化。答：维恩定律maxT=2897.6 mK表明，物体随着温度T的升高，max向波长减小的方向移动。金属发射的能谱中可见光部分的份额越

19、来越多，其可见光中的短波部分也越来越多，因而感觉到金属加热过程随着T升高颜色由黑逐渐变为暗红、橘红、鲜红，甚至白亮色。例题3、试从热辐射观点分析，用电炉来烘烤某一工件，把工件放在电炉的正上方热得快还是放在电炉的边沿热得快？为什么？答：虽然不论是放在上方，还是放在边沿，工件被辐射照射面积相同，所张立体角也相同，但一个是法向，一个是成角的偏向，而E=Encos，所以工件放在电炉正上方(即法向)得到的辐射热多，热得快。例题4、实际物体表面的发射率和吸收率主要受哪些因素影响？答：发射率与物体本身的性质(种类)、表面状况、温度及方向有关。吸收率与物体的种类、表面状况及温度有关，而且与入射的波长有关。例题

20、5、何谓“漫灰表面”？ 有何实际意义？答：“漫灰表面”是研究实际物体表面时建立的理想体模型。漫辐射、漫反射指物体表面在辐射、反射时各方向相同。灰表面是指在同一温度下表面的辐射光谱与黑体辐射光谱相似，吸收率也取定值。“漫灰表面”的实际意义在于将物体的辐射、反射、吸收等性质理想化，可应用热辐射的基本定律了。大部分工程材料可作为漫辐射表面，并在红外线波长范围内近似看作灰体。从而可将基尔霍夫定律应用于辐射换热计算中。光的量子性人类遭遇物质的量子性质，一个地点就是热辐射。在电磁理论比较成熟以后，人们把对电磁现象的研究领域扩展到了一般电流与可见光的范围之外，由于工业上的金属冶炼的需要，物质因热而发光乃至发

21、射辐射能，开始成为人们研究的对象。恰好是在分析一些热辐射规律的产生原因时，人们被迫引入了辐射或光的量子性质。热辐射。物质在原子层次的电磁结构以及不停息的分子热运动，导致物质总是在发射电磁辐射，这种辐射的强度和频率分布是随物体温度而发生变化的，因此称为热辐射。热辐射的一个重要特征就是按照频率或波长存在一定的分布，而实验表明，这种分布与温度，物质的材料，甚至物质的表面情况都有关系。为了更具体地研究热辐射在不同波长时的辐射强度分布，我们引入物理量单色辐出度，用来表示从物体表面单位面积发出的，波长在一个确定小范围内的辐射的功率。而在物体表面，用单色辐出度对辐射所涉及的整个波长范围进行积分，就得到物体表

22、面单位面积的所有波长的总辐射功率。称为物体的辐射出射度。显然辐射出射度是比单色辐出度更为粗略的概念，它只与温度有关。但它表达的也还是材料的已知属性。基于同样的理由，外界的电磁辐射也能对物质的电磁结构发生作用，也就是说物质在发射电磁辐射的同时，也能吸收和反射电磁辐射。最简单的描述物质的对电磁辐射的吸收与反射的方式就是直接定义吸收的辐射的能量占总入射的能量的比例为物体的吸收比。反射的电磁辐射的能量占总入射辐射能量的比例为物体的反射比。这样在没有透射的情况下，在一定的情况下这两个比值的和为1。更精细地分析这两个比值，通过实验发现它们都和物体的温度与入射辐射能的波长有关系，因此更精细地使用这两个概念的

23、方式是把它们看成温度与入射辐射能的波长的函数。绝对黑体。为了更进一步地研究物质与辐射的相互作用，有必要构造一种比较简单的理想模型，那就是由于辐射的反射，并不是有太大的研究价值，因此我们希望首先研究一种物质，在和辐射发生相互作用时，可以完全不考虑它对辐射的反射作用，从而能比较单纯地分析物质与辐射的相互作用，这样的理想模型就是绝对黑体。根据我们的要求，显然它的吸收比在任何温度以及对任何波长的辐射都是1。这样的物质在自然界显然是不存在的，但是还是能找到在一定条件下与绝对黑体近似的真实物质系统。最常用的系统就是有绝热壁构成的一个空心容器，器壁上有一个小孔，小孔的尺度远小于容器的尺度。因此所谓这个黑体吸

24、收辐射，就是有辐射从这个小孔进入容器内部，注意，容器是由绝热壁构成，因此热辐射无法直接通过照射在器壁上被容器吸收。那么尽管容器的内壁的吸收比无法作到是1，但辐射进入容器后，不能被吸收的部分继续被容器内壁反射，而每反射一次，就会根据吸收比被吸收一部分，这样如果容器内壁的吸收比为，入射的总能量为1，则经过n次反射以后，剩下未被吸收的能量就只有（1-）n了。反过来考虑这个绝对黑体所发射的辐射，显然也只有从小孔射出的辐射才是这个绝对黑体的在小孔的大小那样的面积上所发射的辐射。基尔霍夫定律。从直观上看，物质处在一定的辐射环境中时，同时在吸收辐射能与发射辐射能，只要物质是处于一种平衡状态，它吸收与发射的辐

25、射能应该保持一种平衡，否则不是物质内部所含的能量不断增加，就是不断减少，显然这不符合我们的日常观察。基尔霍夫从理论上给出了我们的以上直观认识，就是发现物质的单色辐出度与吸收比的比值是一个常数。这个常数与物质性质无关，而只和温度与辐射能的波长有关。进一步，考虑到绝对黑体的吸收比为1，既然这个常数与物质的具体性质无关，那么它代表了一般的辐射相互作用的性质，因此我们可以把这个常数，归结到绝对黑体上来，以便于进一步研究，这就表叙为基尔霍夫定律：在一定温度下，任何物质的单色辐出度和单色吸收比的比值，等于同样温度下的绝对黑体的单色辐出度。注意，这个定律所涉及到的物理量都是纯数。绝对黑体的辐射定律。从上面我

26、们对基尔霍夫定律的分析可以知道，现在我们需要首先研究的是绝对黑体的单色辐出度。显然这只有通过实验来进行。利用我们上面给出的绝对黑体的实际模型，就可以通过实际测量来得到单色辐出度，并进而测量得到单色辐出度按照波长的分布情况。历史上所应用的实验装置是利用棱镜分解由上述绝对黑体的小孔在一定温度下所发射的辐射，不同波长的射线聚焦照射在热电偶上，得到不同波长射线的功率，从而得到单色辐出度按照波长的分布情况。普朗克量子假设。通过实验得到具体的绝对黑体的单色辐出度与波长和温度的关系后，就面临如何从一定的理论模型来解释实验数据的问题。按照经典电磁理论的观点，这个问题完全可以通过对大量原子和分子的电磁运动进行统

27、计计算来得到这个宏观规律，然而最终都失败了。这样普朗克被迫引入了一个与经典电磁理论完全不同的观念：电磁能量的量子假说。从经典电磁理论的观点来看，物质与辐射的相互作用可以看成是物质中的带电线性谐振子与周围空间的电磁场交换能量的过程。具体到能量是如何交换的，就不能通过经典电磁理论来了解，普朗克的假说就是这些谐振子与外界交换的能量，只能是按照以一个基本能量单位的整数倍的形式来进行，而不能在数值上连续地进行，相应的吸收与发射能量的谐振子本身的能量状态，也就只能离散的，而不是连续的。任意两个能量状态之间的差只能是一个基本能量单位的整数倍。那么谐振子的吸收能量与发射能量的过程就是谐振子在这些能量状态之间的

28、跃迁。普朗克推算出这个基本的能量单位对于谐振子来说是e=hv其中v为谐振子的频率，h为一个普适常数，称为普朗克常数。也就是说，谐振子的能量完全由它的频率决定，在这种情况下，h的量纲由能量与频率决定。请同学们记住h的数值大小：h=6.6310-34Js在我们学习物理学时，尽管总是强调不要死记，但对于一些物理常数，还是希望能够记下来。你可能会说，在作题时，一般都会给出常数的值，为什么还需要记住它们呢？实际上记住重要物理常数的值，对于我们理解物理问题具有很重要的作用，特别是常数的数量级和单位，对于我们定性地分析问题具有以简御繁的功效。而初学者往往不能把握住。Plank公式。对于物质与辐射的相互作用，

29、在经典物理的图象中，只有再加进去上面的那点假说，普朗克就得到了一个完美的黑体辐射公式：其中c为真空中的光速，k是玻耳兹曼常数。这个公式可以推导出其他的相关经验公式，并且和实验数据很好的吻合，但它所依赖的物理图象却具有和经典物理图象根本不同的特征，那就是能量不再是连续的量，而是离散的。而这个特征是经典电磁理论所完全不能解释的。光电效应。人类几乎同时又在另一个完全不同的现象里，遭遇到了电磁场能量的量子性质，这就是光电效应。和热辐射现象不同，在热辐射现象中，辐射与物质的相互作用表现为热能与电磁场能量的转化，光电效应里涉及到的是光能转化为电子的动能，并能形成电流。具体的实现方式就是用紫外光或短波长的可

30、见光照射真空中的某种金属表面，就会有电子克服金属的表面约束，从金属表面逸出，并能在电场作用下形成运流电流，即所谓光电流。通过实验得到以下的规律：（1） 在单位时间内，由于光的照射而释放出来的电子数目与入射光的强度成正比。（2） 释放出来的光电子的初始动能随入射光的频率线性增加，而与入射光的强度没有关系。（3） 对于一种特定的物质，产生光电效应的前提是入射光的频率必须大于等于一个相应的特定值，即所谓的红限，否则无论入射光的强度如何，都无法通过照射这种物质而使得它释放电子出来。（4） 发生光电效应时，只要入射光的频率满足上面的条件，而不管它的强度如何，光照射到物质表面就马上会有电子释放出来，而没有发现有任何的迟滞现象。仔细分析一下光电效应中所表现出来的以上规律，就会发现具有和经典电磁理论关于光的波动图象不可调和的矛盾。（1） 根据经典的电磁波动理论，光的强度对应于光振动的振幅，也就是对应于光的能量，那么入射光作用于金属内部电子，应该是入射光能量与电子动能的转换，那么光电子的初始动能应该与入射光的强度发生关系，但实际上是与入射光的频率发生关系。