热辐射四次方定律(《中国大百科全书（第2版）》读书笔记6586-传热学)

Posted 2023-06-02

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传热学 heat transfer, study of

研究热量传递的学科。

传热现象广泛存在与自然界和工程技术领域。例如提高锅炉效率，减少内燃机气缸内应力，确定换热器面积，防止电子元件过热等，都要应用传热学知识来解决。

传热学的任务通常是控制传递的热量和物体内部的温度分布。

发展简史

传热学作为学科形成于19世纪。英国I.牛顿于1701年为估算烧红铁棒的温度而提出了被后人称为牛顿冷却定律的数学表达式，，但本身没有揭示出对流换热的机理。

法国物理学家J.-B.毕奥最早以平壁导热实验结果的形式表述了导热定律（1804）。

稍后，他的同胞J.傅里叶更准确地把它表述为傅里叶定律的微分形式，一直沿用至今。

德国的L.普朗特的边界层理论（1904）和E.K.W.努塞尔的因次分析（1915）为理论和实验研究对流换热奠定了基础（1904）。

G.R.基尔霍夫用人造空腔模拟绝对黑体，论证了黑体具有最大辐射率，以及物体的辐射率与吸收率相等（1860），被后人称为基尔霍夫定律。J.斯忒潘（1878）和L.玻尔兹曼（1884）分别从实验和理论上建立起热辐射强度与温度成四次方关系的斯忒潘-玻尔兹曼定律。

1900年，M.普朗克的热辐射定律不仅描述了黑体辐射与温度、频率的关系，还论证了W.维恩的黑体能量分布位移定律。

传热方式

传热总是由温差引起，热量由高温自发地传向低温。传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三类。

热传导

发生在固体中（不涉及物质的宏观转移）的传热过程。它的强度遵循傅里叶定律：q=-k·gradT。式中的热导率k是由实验测定的材料属性，gradT为温度梯度。

热对流

发生在流体中的热量交换。传热机理实质上也是传导，只是这时伴有流体宏观运动带来的热量转移。经常遇到的流体与其接触固体壁面之间的换热过程是热传导和热对流的综合过程，称为对流换热。

它的种类很多，按流动起因可分为自然对流和受迫对流；按流动空间可分为大空间和封闭空间自然对流；按流动形态可分为层流和湍流。

但换热强度都可用牛顿冷却定律描述：。式中换热系数h是取决于流体物性、运动状态、壁面几何形状和尺寸等因素的综合参数，和分别为固体表面和流体的温度。

热辐射

物体由热激发向外辐射热量。实际上是波长为0.1～100微米的电磁波辐射。不同于其他传热方式，它可在真空中直接传递，太阳能就是以热辐射方式送达地球的。

热辐射强度遵循斯忒潘-玻尔兹曼定律：。式中σ为黑体辐射常数；ε为黑度，取决于材料物性和表面状况。

任何物体都具有发射和吸收辐射热的能力。发射与吸收热量的综合效果称为辐射换热，它不仅取决于物理表面温度，还与换热物体的表面特性、几何形状、相互位置和间距相关。

研究方法

实际传热过程通常都不是以单一传热方式进行的。如火焰对炉壁的传热就是辐射、对流和传导兼有的复杂过程。对于复杂传热过程，要求完全真实地描述并作出定量计算是不可能的。通常都构思一个简化模型，并借助于近似计算方法予以解决。

传热研究的方法有多种，以相似分析法与测试技术相结合的试验方法的适应性良好，能够解决其他方法难以奏效的复杂问题；但试验方法耗费大，且有时因模化因素太多，仍难以全面解决问题。

利用不同现象之间类同的模拟方法亦常采用，然而应用面较窄。建立在微分方程和积分方程基础上的解析法是一种推理严密、结论明确的经典理论方法，又是相似分析和数值计算的基础。

近年来计算机的应用和计算数学的发展，数值计算方法正在发展成为一条灵活有效、快捷经济的解题新途径。但是它仍然需要实验技术的配合，因为很多基本参数是无法单凭计机算出的。

推荐书目

王补宣. 工程传热传质学. 北京：科学出版社，1982.

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第4册，中国大百科全书出版社，2009年