关于辐射传热的学习体会

辐射传热作为传热学中重要的一块内容，在实际工程中和日常生活中都有广泛的应用。针对辐射，如果要深究其理，恐怕又将被知识海洋的博大与深邃所折服。因为辐射本身就是一个宽泛且前沿的范畴，无论从经典物理的电磁场理论出发研究，还是从量子力学角度分析，关于辐射都会带给您足够的震撼。

我们在这里仅从热传递的角度出发，考虑电磁波谱内的热射线，也就是0.1um到100um波长的电磁波；谈一下传热学里关于辐射换热的相关内容的学习体会。相关内容包括：黑体辐射定律、实际物体辐射特性，实际物体选择性吸收特性，辐射传热的强化和弱化，以及“温室效应”的解释等等。

首先，坦率地说，感觉这块内容，概念繁多，定理抽象，涉及的解析方程也大多为积分方程。无论从知识体系的整体认识，还是定量分析来看，学习起来是有些挑战的，并不容易。为了让大家在纷繁的内容中提炼出主要的精神实质，于是我做了以下尝试，希望大家能从复杂的数学公式中跳出来，对辐射传热有一个定性的大致了解。

整体来看，传热学中，辐射传热整体知识框架分为两个部分，一个是基本定律和辐射与吸收特性的介绍，另一个部分是辐射传热的定量计算。前者是后者推导计算的理论基础，后者为辐射传热提供了可以量化传热量的具体方法。

针对第一个部分的内容，各类教科书都会向我们提供一个简单的脉络，那就是从“理想”到“现实”的一个过程。首先学习理想物体某个状态下（如温度）的特性，然后再根据理想物体的特性逐步进行修正，通过合理的假设与验证，最终给出实际物体的特性和基本规律。

从理想到现实的研究方法，是我们从小学习过程中，经常遇到的一种方法，这是方法论的范畴。

首先，我先提出几个问题供大家思考：

为什么我们学习实际气体性质时，先要学习“理想”气体？

为什么我们学习实际流体运动时，先要学习“理想”流体？

为什么我们学习实际物体辐射时，先要学习“黑体”辐射？

个人愚见：科学家也是普通人，都是从简到难，不可能一下子就提出很多高深的定理、公式以及实验关联式。研究伊始，也都是从特例到普适，从极端到一般的思路。都要经历先假设，再实验证明以及不断试错的过程。

如果我们把理想的问题研究通透了，针对理想问题，所得到的规律、定理、公式和相关的实验关联式就可以通过赋予必要的修正系数，或者说，将理想的问题修正一下，那么不就可以完全适用于我们的实际场景下的工程问题了吗？

我们其实需要掌握的是一种将问题 “合理简化”、“科学抽象”的能力和思维方式。

其实在我们学习和研究热工学科甚至任何学科的过程中，最为重要的，也是真正要学习和掌握的精华，并不是如何快速地背会和应用定理，也不是能够快速地解题。我们真正需要掌握和理解的是前人如何认识客观事物，如何去研究未知问题的思维方式和方法论。这一点其实真的应该如明灯般被始终高悬于心，时刻警醒。

在辐射传热这块内容里，我们也是先会遇到一个理想的物体，那就是“黑体”。我们需要先研究这个单纯、朴实且简单的“黑体”，然后再拓展到实际物体，包括固体、液体和气体的辐射与吸收相关问题。图1向我们展示了辐射章节第一部分的大致脉络。

从上图我可以了解到，我们首先研究了黑体的三大定律，即斯蒂芬玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann’s Law）、普朗克定律（Planck’s Law），以及兰贝特定律（Lambert’s Law）。这三个定律分别从不同角度描述了一定温度下黑体辐射的基本规律。我们发现实际物体的辐射特性大致与黑体的趋势一致，于是我们再合理假设一个便于我们分析计算的模型，也就是灰体，灰体的发射与吸收特性更加简单，与实际物体在既定温度下，特定波长范围内的辐射与吸收特性具有较高的相似性，于是我们就使用灰体来分析实际物体，如假设实际物体的表面为漫灰表面；其分析结果也在实际工程误差允许范围之内，这就大大简化了我们的计算。

再唠叨一下，感觉我们在学习过程中，其实最应该体会的是，如何通过合理的假设，并结合实验结论，将复杂的问题，进行科学地简化的一种处理实际工程问题的思路。比如先提出黑体，又为了工程实际应用，提出了灰体的假设。通过这一系列处理，包括将将大部分工程上的物体看成灰体，而大部分的工程材料的表面都可以看成是漫灰表面，通过这样的思路，最终在某一条件下，可以处理和解决绝大部分生活和工程场景下的实际问题。

辐射传热部分的理论已经广泛应用于生活和工程实际。比如：生活上，我们的防晒霜、汽车贴膜以及低辐射玻璃（LOW-E玻璃）。工程上我们可以采用热屏来增加空间和表面辐射热阻，来降低辐射强度；也可以通过增加辐射热阻，来提高热电偶的测量精准性；还有通过“黑化”或涂层技术改变绝热表面（窑炉内壁）的发射率，强化传热等等。

从应用的角度，作为企业的热工技术人员，可以通过对辐射传热的学习，了解和掌握窑炉、锅炉以及其他形式的加热炉的热传递规律，毕竟当加热温度大约高于750℃时，辐射传热将占据主导地位。而低温时，热传导和热对流则是主要的传热方式。这有助于我们分析热工设备中能量传递的规律，深入了解设备的运行情况；为后续工艺参数的优化、节能技改、技术评价以及产品的质量控制，提供理论支撑。

另外，在很多行业，比如冶金、建材、钢铁、石化以及机械等等行业中，热工设备都有热辐射涂料应用的案例，并取得了较好的节能效果。作为企业的技术人员，可能真的得对该项技术有个较为深入的了解，否则，如何选择和验证商家提供的产品和服务呢？在应用之前是否可以对其宣称的节能效果进行技术上评估？应用一段时间后，如何评价其应用的节能效果？这些问题其实很现实。如果采用合同能源管理的模式，如果没有前期科学的节能量评估，可能连合同的签订都无法进行，因为无法科学判断实际可以产生的节能量，无法将效益分配的方式和比例落实在合同中。

还得插一句，其实“你说的黑不是黑，你所说的白也不一定是白”，请不要停留在一个人类的能感知的可见光的范畴，要考虑热辐射的热射线的范畴。学习这一部分内容，需要占到“上帝”视角来看问题。在可见光范围内，白天和黑夜，黑色和白色对太阳光的吸收确实不一样，但是在黑夜，热射线的吸收和反射，完全取决于材料本身的特性，而与颜色无关。

感觉辐射传热这块内容，在学习过程中，不仅仅是对一套知识体系的吸收理解，更应该学习的是这块内容中，无时无刻不在呈现的一套科学研究向工程应用转化的方法论。

大家感兴趣的话，真的可以研究一下这部分内容，来体会科学研究向工程实际应用转化过程中所采用的科学方法；这非常有趣，也非常实用，对我们的学习、研究和工作都大有帮助。

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