25

—

1000

μ

m)

；波长大于

1000

< br>μ

m

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

0.4

μ

m

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吸收后产生热效应，即波

长

< br>λ

＝

0.1

—

< br>1000

μ

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

λ

＝

0.1

—100μm

范围 的电磁波称热射线，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：

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。

⑵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。

⑶一切物体只要其温度

T

＞

0K

，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

< br>

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：

其中

；物体反射率：

； 物体透射率

。

。

；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：

α=1 ρ=0 τ=0

；

白体：

α=0 ρ=1 τ=0

；

透明体：

α=0 ρ=0 τ=1

< /p>

自然界和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白体和透明体虽然并不存在，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

τ

< br>＝

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

τ

＝

o

。这时，

α

十

＝

1

由上式可以

看到，对于

τ

＝

o< /p>

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，

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< /p>

P

＝

1

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

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

7 L

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：

⑴镜反射和漫反射。一般工程材料均形成漫反射。

⑶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。

㈠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