辐射传热

1. 辐射传热的定义

在炎热的夏天穿黑色衣服,或者白天运动时感觉如何?和穿白色衣服相比又如何?白天穿黑色衣服会感觉很热。这是为什么呢?早晨太阳到地球的距离与白天和傍晚太阳到地球的距离几乎相同。那么为什么早晨和傍晚更凉爽,白天更热呢?这些问题的答案与辐射传热有关。

辐射传热是指以电磁波形式进行的传热。例如,人体靠近炉子时感受到的温暖以及太阳向地球的热量传递都是辐射传热的例子。太阳的温度较高(约6000开尔文),而地球的温度较低。太阳和地球之间的温差使得热量从太阳(温度较高)传递到地球(温度较低)。如果热量从太阳传递到地球需要中间介质,例如通过传导和对流进行传热,那么热量就无法到达地球;热量必须穿过真空(或几乎真空的环境)。如果没有太阳的热量,地球上就不会有生命,因为生命需要来自太阳的能量。

辐射传热的另一个例子是我们靠近火焰时感受到的热量。我们感受到的热量并非来自火焰导致的空气过热。如前所述,热空气会膨胀,密度降低。因此,密度降低的空气会向上垂直运动,而不是水平地向我们运动。当我们靠近火焰时,身体会感到温暖或炎热,这是因为热量通过辐射从火焰(温度较高)传递到我们的身体(温度较低)。

参见  温度标度转换

辐射传热与传导和对流传热略有不同。传导和对流传热发生在温差较大的物体相互接触时。而辐射传热则无需接触即可发生。

2.辐射传热方程

辐射传热速率与物体的表面积和物体的绝对温度(开尔文温度)成正比。表面积较大的物体比表面积较小的物体具有更高的传热速率。

同样,例如,温度为 2000 开尔文的物体的热传递速率为 24 比温度为 1000 开尔文的物体高 16 倍。这一结果由约瑟夫·斯特凡于 1879 年发现,路德维希·玻尔兹曼大约五年后从理论上推导出来。

热传递辐射 1

Q = 热量,t = 时间,A = 物体表面积(平方米)。2其中,T = 物体的绝对温度(K),e = 发射率(无量纲数,取值范围为 0 到 1),σ = 5.67 x 10-8 瓦/米2.K4 (普适常数,也称为斯特藩-玻尔兹曼常数),Q/t = 辐射传热速率

表面颜色较深(黑色)的物体的发射率接近于 1,而颜色较浅的物体的发射率接近于 0。物体的发射率越大(e 越接近 1),其散发的热量就越多;反之,物体的发射率越小(e 越接近 0),其散发的热量就越少。因此,我们可以说,深色物体(黑色)通常比浅色物体(白色)散发更多的热量。

参见  保守力所做的功 势能

发射率不仅决定了物体散发热量的能力,也决定了物体吸收其他物体散发热量的能力。发射率接近 1 的物体(深色物体)几乎吸收了所有散发的热量,只有一小部分被反射。相反,发射率接近 0 的物体(浅色物体)只吸收少量散发的热量,大部分热量被反射。能够吸收所有散发热量的物体,其发射率等于 1。这类物体被称为“黑色物体”。“黑色物体”这个术语并非指物体本身是黑色的,而是指物体能够吸收所有散发的热量。

3. 太阳辐射热量的速率

根据计算(符合实际情况),发现太阳向地球传递的热量为每平方米每秒1350焦耳。晴朗无云的日子里,到达地球表面的热量为每平方米每秒1000焦耳。在多云的晴天,大约70%的热量被地球大气层吸收,只有30%的热量到达地球表面。大气层吸收的热量大小取决于云量。每平方米每秒1350焦耳的热量被称为太阳辐射量。 太阳常数因为焦耳每秒 (J/s) 等于瓦特,所以我们可以重写…… 太阳常数 每平方米1350瓦 = 1350 W/m2

当太阳辐射的热量到达地球表面时,地球及其表面的物体会吸收这些热量。热吸收率取决于物体的发射率(ε)、物体的表面积以及太阳光与垂直于物体表面的直线所形成的角度。

参见  凸面镜

热传递辐射 2

信息:
Q/t = 热吸收率,1000 W/m
2 = 太阳常数,e = 物体的发射率,A = 物体的表面积,θ = 阳光与垂直于物体表面的直线所形成的夹角,

A cos θ = 有效面积(物体垂直于阳光照射的表面积)


白天,太阳光线与垂直于地球表面的直线平行或重合(形成的角度 = 0)。

下部形成 = 0o因此,吸热率为:

热传递辐射 3

当太阳光与垂直于地球表面的直线所成的角度为 0 时,热吸收率 (Q/t) 最大。o (cos θ = 1)。通常,这种情况发生在白天,此时太阳垂直于地球表面。因此,如果白天的光线比早晨或傍晚更强烈,也不必感到惊讶。早晨和傍晚,太阳与地面的夹角接近 90 度。o.

如果所形成的角是 80 度o那么,吸热率为:

热传递辐射 4

早晨和傍晚的吸热率(Q/t)最小,因为此时cos θ接近于零。cos θ越小,吸热率越小。

当夕阳西下或旭日东升时,所形成的角度为 90 度。o.

因为所形成的角是90度。o,其吸热率为:

热传递辐射 5

日落或日出时的热吸收率(Q/t)= 0。

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