热学实验五 前言:
热辐射
所谓的热(heat)是指系统与环境温度不同时所转移的能量,热辐射系指特定温度下的物 体藉由电磁波和环境作能量交换.如果一个物体的温度比外界高,释放能量就会大於吸 收能量,使其温度降低.热平衡时,即表示热的吸收率=放射率.物体的热辐射谱是连续 的,并且和物质本身的种类无关,只和温度有关.所谓的黑体系指,照射在物体上面的 电磁波会被该物体完全吸收.
1.目的: 验证热辐射定律 M e T 4 ,比较不同表面的热辐射,验证平方反比定律.
2.原理: 名词定义: 辐射度(radiance) M e =物体表面温度 T 在单位时间内,单位面积所发射的总能量 辐照度(irradiance)E=在单位时间内,照射在单位面积上的总能量 反射比(reflectance)ρ =反射与辐照功率比 吸收比(absorptance)α =吸收与辐照功率比
足标定义: e:发射率 (emissivity),B:黑体(black body),r :室温 (room temperature), D:侦测器(detector) 物体表面都会发射电磁波 辐射度与表面的温度及性质有关 吸收比α =1 的物体叫黑体, , , 由实验或统计力学计算知黑体的辐射度为
M B T 4
上式称为 Stefan-Boltzmann 定律,T 为绝对温度

2k 4
60c
2 3
5.67 10 8 W
m2 k 4
(k 为 boltzmann 常数, 为 planck 常数除以 2π ,c 为光
速),非黑体的辐射度常用以下近似关系描述:
M e T 4
ε 与表面性质有关,称为辐射比(emissivity),由定义,黑体ε =1. 假设物体不透明,并与环境达到热平衡,吸收和放射的能量相等
E M r M e E M B
当物体为黑体时 E M B (热平衡)
E 为环境之辐射,假设环境表面积远大於辐射体表面积,E 受物体影响极微,将黑体换成
非黑体时 E 不变
1 (1 ) E E M B M B
故任意物体在热平衡时
0 1 0 1 ,黑体也是同温度的物体中,辐射度最高者.
测量热辐射时,除了待测辐射体之外,感测器本身也有热辐射,而其电压正比於吸收与 发射辐射量之差,假设感测器是黑体,待测辐射面之大小远大於感测面之大小及二者间 之距离,辐射面平行於感测面,则由对称性,辐射流垂直於感测器接收面,所测得的辐 射通量 MA 为
MA M e A M D A
A 为感测器接收面面积, M e , M D 及 M 分别为辐射体,感测器及实验所测得的辐射度.
感测器在室温时
M D Tr
故
4
M T 4 Tr
4
在高温时, T Tr , M M e T 4 .
3.仪器: (1) 热辐射立方体,有四个辐射面-黑面,白面,亮铝面及粗铝面,黑面可近似为黑体. (温度与电阻对照表在立方体下缘) (2) Stefan-Boltzmann 灯:钨丝灯,灯丝温度 T 与电阻之关系为
R Rr [1 k (T Tr )] T Tr R Rr kRr
式中 T r 为室温, R r 为灯丝在室温下之电阻,钨的电阻温度系数 k 4.5 10 3 K 1 ,灯 丝容许的最高电压为 13V. (3) 辐射感测器:适用波长 0.5～25μ m,输出为 22mV/mW. (4) 三用电表.
4.步骤: 低温热辐射: (1) 组装系统如图 5-1. (2) 关闭辐射体之电源,测量热平衡时室温的热敏电阻器(Thermistor)电阻. (3) 以遮板隔开辐射体与感测器,反射面朝向辐射体. (4) 开辐射体电源开关,功率调到刻度 10,当热敏电阻显示温度℃开始进行量测,每增 加 4℃读取辐射能量数值,直到温度上升 102℃.再次进行降温量测每下降 4℃读取 辐射能量数值,直到温度下降至 30℃. 注意:1.辐射体加热后温度升高,注意避免烫伤. 2.只有在测量时移开遮板,请务必放回遮板. 3.测量中,辐射体及感测器保持固定位置. 不同面的辐射: (5) 辐射体功率调到刻度 5,达热平衡时热敏电阻在固定值上下跳动. (6) 分别测量辐射体四面的辐射量,测量时让感测器靠近辐射面中央,前端短棒轻触辐
射面,以确保距离相同.

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