辐射是电磁波传递能量的现象。热辐射是由热运动产生的电磁波辐射，是一种以电磁波形式传递热量的传热方式。而辐射热交换具体是指两个温度不同且互不接触的物体之间通过电磁波进行的换热过程，是两个物体间相互辐射和吸收的总效果，辐射热交换是传热学的重要研究内容之一。

辐射换热与导热、对流换热有本质的不同。首先，在辐射换热过程中必定伴随着能量形式的转变。物体发射热辐射是物体的热能转变为辐射能，而物体吸收热辐射则是辐射能转变为热能。导热与对流换热中就没有这种能量形式的转变。第二，导热与对流的热量传递一定要通过物体的直接接触才能进行，而物体间的辐射换热不是这样，物体间可以是真空的。这些特点使得辐射换热系统的温度场不一定像导热、对流换热那样，热源处温度最高，然后逐渐下降，冷源处温度最低，辐射换热时有可能中间温度最低，以太阳与地球的辐射换热为例说明之：太阳的温度很高，地球的温度较低，而它们之间的大部分空间温度比两者都低。另外，有时温度场还可以是不连续的，纯辐射换热系统中，物体边界上会出现温度的跳跃。第三，辐射能有强烈的方向性，一个空间点上各个方向都可能存在辐射换热量，并且数量不同。并且，辐射能与波长有关，它的能量是按波长分布的。从上述几点来看，辐射换热与导热、对流换热有着根本的不同。对流换热实质上是导热加上流体的热对流运动，在能量传递的本质上与导热是相同的。所以从物理本质上看，热交换的基本种类应当分为两类：一类是辐射换热；一类是导热与对流换热。这就决定了这两类热交换在基本概念、基本定律、计算公式、计算方法、实验设备等诸方面有很大的区别。

物体 (包括固体、液体和气体)由于某种原因，例如受热、电子撞击、光的照射以及化学反应等，都会使得物质内部分子、原子或电子振动并产生各种能级的跃迁，因而向外放出辐射能，这种现象叫做辐射。

辐射能是依靠电磁波在真空或介质中传播的。按照波长的不同，电磁波包括无线电波、红外线、可见光紫外线、X射线、Y射线及宇宙射线等。图1-1给出了电磁波谱。

电磁波谱按照频率或波长的不同可分为三段:

1.高频段:包括X射线、丫射线和宇宙射线。这些射线是由于原子中内层电子的跃迁或原子核内部发射高能粒子所产生的辐射。

2.长波段:包括无线电波和雷达波，是由于电磁振荡所产生的。

3.中间段:包括红外线、可见光和紫外线。红外线是由于分子转动和振动能级的跃迁所产生的。可见光和紫外线是由于原子中外层电子的跃迁而产生的。一般习惯上又把紫外线和红外线各分为 “近”、“中”和 “远”三部分。

波长不同的射线产生的方法不同，射线与物质相互作用所产生的效果也不同。我们所讨论的 “辐射”是由于温度即由于物体受热而向外放出辐射能的现象叫做热辐射或叫温度辐射。

例如，金属加热在600C以下时，表面颜色没有变化，但用专门的仪器如热电偶、光敏电阻或光电管测定，可知金属会向外放出不可见的红外线。这时，虽然我们的眼睛无法看到，但皮肤却是很好的感受器。因为红外线被皮肤表面吸收后转化为热能，使我们有热的感觉。如果对金属继续加热，温度进一步升高，则金属表面先变为暗红色，继而出现鲜红色、黄色、甚至白色(白色是各色光的综合)，说明金属已经发光。这时金属向外放出的辐射能除去大部分是不可见的红外线能量外，还有红光、黄光、蓝光等可见光的能量。在实际工作中，常常根据灼热物体的颜色来近似估计物体的温度，如表1-1所示。

热射线一般包括红外线和可见光，甚至包括近紫外线的一部分，其波长范围大约是λ =0.1~100μm。其中红外线部分为0.7~100μm(甚至更长些);可见光范围是0.4~0.7μm;波长在0.4μm以下的属于近紫外线。

热射线除去是由于温度因素所产生外，它与物体的相互作用也表现出热的效应。如前所述，当热射线投射到物体表面时，能够被物体部分或全部吸收，并转化为物体的内能从而提高其温度。

从传热观点看，热辐射也是物体之间能量交换的一种方式，当两物体温度不同时，可以通过热射线的互相放射和吸收而进行能量交换，这种换热方式叫做辐射换热。如果系统内两物体温度相同，每个物体同样要不断地放射和吸收辐射能，这时热辐射的现象仍然存在，只不过每个物体在同一时间内放射和吸收的能量相等，这种辐射过程叫做平衡热辐射。在这种情况下，物体之间没有辐射热流存在。

辐射换热与导热或对流换热相比较，有其特殊之处，在能量交换的机理上也有本质的差别。对于导热或对流换热来说，必须有中间介质存在，导热是依靠微观粒子 (分子、原子或自由电子)的运动来传递能量，对流则是依靠宏观流体微团的相对运动来传递能量。而辐射换热是依赖于电磁波或光子来传递能量，它不需要中间介质。因此两物体进行辐射换热时，不需要直接接触，这是辐射换热与导热及对流换热的重要区别之一。人造卫星、宇宙飞船在太空中运行时，辐射换热将是十分重要的换热方式。

其次，物体在辐射换热过程中，不但有能量的传递，即高温物体的能量传向低温物体，而且还有能量形式的转化，即

辐射换热与导热和对流换热相比还有一个不同点，就是导热热流或对流热流都只和两物体温度的一次方之差成正比，即 QK(或Qc) ∝ (T1一T2)

而辐射热流是与两物体绝对温度的三次方至五次方之差成正比。对于黑体之间的辐射热流是严格遵循与两黑体绝对温度的四次方之差成正比的关系，即

Qr∝（ - ）

因而对于导热热流或对流热流来说，无论在高温或低温下，只要两物体的温度差相同，则低温和高温时的热 流就一样(略去导热系数和其它物理性质随温度的变化)。但对于辐射热流来说，则情况不同，例如，一对平行放置的平壁，其温度分别为300K和500K;另外有一对平行平壁，其温度为1000 K和1200K。这时第一对平壁的温度四次方之差为(T1 /100)4一(T2/100)4=544K4，而第二对平壁则为10736K4。如果两对平壁的系统黑度相同，面积也都一样，虽然两对平壁之间的温差均为 200度，但在高温情况下的辐射热流要比低温下几乎大20倍。这就说明了只有在高温下，辐射热流才占有重要地位，例如发动机燃烧室、火箭喷管以及核爆炸等传热过程中辐射换热是十分重要的。

辐射换热问题的复杂性也正是由于上述特点所造成的。在数学处理上，辐射换热问题不是采用微分方程而是积分方程或积分微分方程。

导热或对流换热计算总是从一个微元体上的能量平衡出发来研究的。如果给出微元体附近状态参数变化的条件，例如温度梯度以及介质的物理性质，就可以写出微元体的能量平衡方程。因而描述导热或对流换热的是一个或一组微分方程式。但在辐射换热中，情况往往更为复杂。例如，燃烧室内的辐射换热，如果要对燃烧室内任意一个微元气体写出能量平衡时，它不但和邻近气体有辐射能交换，而且和距离远处的微元气体以及固体壁之间也有辐射能交换。由于能量平衡不是只和紧靠微元体附近的条件有关，还和与微元体距离较远处的气体以及包围气体的固体壁面的条件有关，因而描述能量平衡就不是一个简单的微分方程式，而是积分微分方程式。如果辐射与传导或对流的作用同时存在时，由于不同温度方次的微分项和积分项都出现，因而得出的是非线性积分微分方程，这种方程一般来说求解十分困难。因此实际工程计算中都采用了某些简化假设。

造成辐射换热比较复杂的另一个因素是工程上各种材料的辐射性质比导热计算中所用到的物质属性(例如导热系数)更难于准确地确定。例如，固体的辐射性质就和很多因素有关，如表面粗糙度、磨光程度、材料纯度、表面覆盖层的厚度、物体的温度以及辐射的波长和辐射方向等。而且表面状态对辐射性质的影响只能一般地给出而无法准确地规定。至于气体辐射性质的确定则更为复杂。因而准确地计算辐射热流比计算导热热流或对流热流要更困难得多。

热辐射是辐射现象的一种。人类对辐射本质的认识经历了很长过程。初期，它和人类对可见光的认识紧密地结合在一起。17世纪末，就有牛顿(1．Newton，英国人，1642—1727)的微粒说及惠更斯(C．Huygens，荷兰人，1629—1695)的波动说。微粒说认为：光是一种完全弹性的球形微粒流，粒子不连续，直线传播。波动说认为：光是在弹性媒介中传递的一种连续的弹性机械波。18世纪微粒说占统治地位。19世纪发现光的干涉、衍射和偏振等现象，这些现象是波动的特征，从而波动说占了上风。1865年麦克斯韦(J．C．Maxwell，英国人，1831—1879)提出了电磁理论，指出可见光是电磁辐射的一种形式，更明确了光是一种波动，于是产生了辐射的波动说定义——物体以电磁波向外传递能量的过程称为辐射。可见，此定义在19世纪已奠定了基础。但是，有一些光、热辐射现象不能用波动说解释，如：光电效应，黑体辐射的光谱性质等。1900年普朗克(M．Planck，英国人，1858—1947)提出量子假设，认为存在能量的最小单元，物体发射或吸收的能量是不连续的，只能是这最小单位的整倍数，重新提出了能量发射与吸收的粒子性。这一假设圆满地解释了黑体辐射能量随波长的分布规律。1905年爱因斯坦(A．Einstein，德国人，1879—1955)提出量子理论，认为光是一束以光速运动的能量子流，这种能量子称为光子，其能量正比于它的频率。这就产生了辐射粒子说的新定义——辐射是物体向外发射光子的能量传递过程。后来爱因斯坦进一步指出，光子具有波粒两相性——即有粒子性，又有波动性。从光子能量的频率与电磁波的波长两者的关系就可看出粒子性与波动性的关联。

由辐射的两种定义，可以引出热辐射的两种定义：一、由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量，也可以指这种能量的传递过程。二、由热的原因，物体以光子的形式传递的能量，也可以指这种能量的传递过程。

与热辐射的两个定义类似，辐射换热基本上有两类研究方法：

一、以量子力学为基础的微观方法。一般应用于描述物体的发射、吸收特性。例如：热辐射的基本定律——普朗克定律的推导，物体发射及吸收光谱的解释，气体发射率及吸收率的计算等。

二、基于能量守衡原理的输运理论，这是宏观方法，多用于辐射能量的传递。绝大多数的辐射换热计算方法都是这种方法。它包括电磁理论和几何光学，几何光学是电磁理论的一种特殊情况。但也有将它用于描述物体辐射特性的，如：描述微粒辐射特性的米氏电磁理论，用电磁理论求固体表面的辐射特性等。

于红外区内的近、中、远红外线的分界就更不统一了。此处仅介绍国际照明委员会的分类，0．76—1．4/μm为近红外，1．4—3μm为中红外，3—1 000μm为远红外。

只要温度高于绝对零度，物体就会不断地把热能转变为辐射能，向外发出热射线；同时，该物体也不断地吸收周围物体投射来的热射线，并把吸收的辐射能转变成热能。辐射换热(辐射传热)就是指这些能量转换引起的热量交换。

对辐射的认识虽然经过这么多年的研究，但目前还不能用一种统一的理论来描述所有的热辐射现象，其有关理论还在继续发展。目前，在解释热辐射现象及工程应用中，有时用电磁理论，有时用量子理论，所以上述两个辐射定义目前都有实用意义。

与热辐射的两个定义类似，辐射换热基本上有两类研究方法：

一、以量子力学为基础的微观方法。一般应用于描述物体的发射、吸收特性。例如：热辐射的基本定律——普朗克定律的推导，物体发射及吸收光谱的解释，气体发射率及吸收率的计算等。

二、基于能量守衡原理的输运理论，这是宏观方法，多用于辐射能量的传递。绝大多数的辐射换热计算方法都是这种方法。它包括电磁理论和几何光学，几何光学是电磁理论的一种特殊情况。但也有将它用于描述物体辐射特性的，如：描述微粒辐射特性的米氏电磁理论，用电磁理论求固体表面的辐射特性等。

辐射换热属技术基础学科，是传热传质学的一个分支。它是随着工程技术的需要而诞生、成熟与发展的。它诞生的年代可追溯到1900年，至今已有百年历史了。

在十九世纪初，通过对太阳辐射的观察，发现了红外线。随后，出现多种测量热辐射能量的仪器，开始对热辐射进行定量的研究。十九世纪下半叶，西欧的钢铁、化工等重工业有很大的发展。很多高温辐射现象引起实验物理与理论物理界的注意，出现了比较精密的测量热辐射与高温的仪器，为热辐射的实验研究提供了有力的武器。同时，经典物理学中的热力学、光谱学、电磁学有了足够的进展。这些都为热辐射的理论与实验研究作了很好的准备。热辐射的几个基本定律都是在这个时期提出的。如1860年基尔霍夫(G．R．Kirchhoff，德国人，1824—1887)在光谱试验的基础上，用热力学方法，提出了在热平衡条件下，物体的发射光谱与吸收光谱的关系，即基尔霍夫定律。1879年斯蒂芬—(J．Stefan，澳大利亚人，1835—1893)总结了大量实验结果，提出黑体辐射总能量与其绝对温度四次方成正比的经验公式。1884年玻耳兹曼(1．E．Boltzmann，澳大利亚人，1844—1906)用热力学理论与电磁理论证明了此公式，后称此定理为斯蒂芬-玻耳兹曼定理。1893年维恩(W．Wien，德国人，1864—1928)用实验数据与热力学原理提出辐射能量随温度和波长分布的公式，后称作维恩分布定律。此定律在长波波段与实验数据偏差较大，但从此公式可得出峰值波长与绝对温度的关系，即维恩位移定律。1900年普朗克将维恩分布定律与长波方向的实验数据综合在一起，得出一个新的辐射能量随温度和波长分布的经验公式。此公式与众多的实验数据符合的很好。为了探求这公式的理论推导，他提出了能量不连续假设，即辐射量子假设，得到了黑体辐射能量与发射波长、黑体温度关系的规律——普朗克定律Il，2l。到此为止，描写热力学平衡状态下热辐射的基本定律全部出齐。所以可将1900年标志为辐射换热的诞生年代。

20世纪前半叶，由于工业的进步，特别是各种高温工业炉的出现与发展，为了计算其中的热辐射，极大地促进了辐射换热的发展。但这时出现的基本概念、参数与计算方法，主要基于实验与几何光学，与量子理论无关。这说明，虽然辐射换热与量子力学是同时诞生的，辐射换热的诞生就有近代物理的支撑，但这先进的理论还没有成熟，不能立即在工程技术中得到应用。这个时期在辐射换热中得到广泛应用的许多概念、方法与一些理论都出现了。概念方面如：灰体、发射率(黑度)、角系数、有效辐射、吸收系数、平均射线行程长度等。计算方法方面如：角系数的代数分析法、积分法、图解法，计算辐射换热量的净热量法、射线踪迹法、区域法等。理论方面如：估计固体表面辐射特性的电磁理论，结合某些工程需要的专门问题，如：炉内换热，热辐射在通道中的传递，空腔热辐射，肋片热辐射等。这时期还开发了多种实验设备、仪器，并进行了大量实验，如：求固体表面和气体的发射率、吸收率、表面反射率等实验，积累了大量热辐射物性数据；某些工业设备的辐射换热实验，得出不少满足工程需要的经验公式、经验系数、计算图表和计算方法等。这时期是辐射换热的成长期，结合工程需要，利用经典物理学的基本理论，辐射换热从物理学中走出来成为传热学的一部分。

20世纪60年代是辐射换热的成熟期。这时出现的航天技术要求更精确的辐射换热计算。同时，动力、化工、仪表、机械加工等工业也对辐射换热提出更高的要求。成熟的标志是出现求气体发射率的光谱法。发送航天器上天的大型火箭尾部会喷出大量的高温气体，正确的预计它的辐射特性对火箭的设计有重要的作用。由于实验设备的限制，气体的高温辐射特性只能从低温的实验数据向高温外推。过去的解决方法是凭科学家的经验，有一定的主观性，显然误差很大。这时美国的阿波罗航天计划吸引了很多传热学专家进行气体辐射的研究，采用了基于量子力学原理的光谱学，从理论上指导了这一外推，科学地解决了这一问题。这表明近代的辐射基础理论开始直接应用于辐射换热，这标志着它成熟了。它的成熟，还表现在60年代开始出现了论述辐射换热的专著，它不仅作为传热学的一部分，并成为传热学中的一个独立分支。

60年代至今，辐射换热有很大的发展，表现在以下几方面：一是应用面更宽广。除动力、机械制造、建筑等传统工业外，还进入了航空航天、军事、信息、生物工程等工业与技术部门，如红外信息传输，生物组织内的辐射传递及空间环境等。过去不少人以为，辐射换热只有在高温时才需要考虑，事实上有时在常温和低温时也不能忽视。例如：无导热与对流的太空环境中只有辐射；常温环境下物体向平静空气散热，由于自由对流很小，辐射换热往往不能忽略不计。辐射换热的研究已扩散到所有温度领域。二是研究内容扩大、深入。如：粒子热辐射中的多次独立散射，浓相粒子群的非独立散射，各向异性散射，热辐射与湍流的相互作用，半透明体复合换热，辐射反问题，非平衡态气体热辐射，微尺度辐射，多种可容纳多种物理过程、多维的辐射换热数值计算方法等。三是与其他学科的交叉越来越多。较突出的是光学，其他还有电磁学、大气科学、燃烧学、信息科学等。从发表辐射换热文章的杂志中就可看出，例如一本重要的有关辐射换热的国际杂志，名字就叫定量光谱学与辐射换热(Journal Of Quantitative Spectroscopy and RadiativeTransfer)。美国有些光学杂志每年发表有关热辐射文章的筛数，与传热学杂志发表的篇数相当，有些年度甚至还要多。