中温辐射时物体黑度的测定实验

中温辐射时物体⿊度的测定实验
中温辐射时物体⿊度的测定实验
⼀、实验⽬的
⽤⽐较法定性地测量中温辐射时物体的⿊度ε。

⼆、实验原理
由n 个物体组成的辐射换热系统中，利⽤净辐射法，可以求物体i ⾯的纯辐射换热量Q net.i
i i b i n
k F k i k eff i i e i abs i net F E dF dk E Q Q Q k
.1
,...)(εα-ψ=-=∑?=
（1）
式中：
Q net.i 为i ⾯的净辐射换热量；Q abs.i 为i ⾯从其他表⾯的吸热量；Q e.i 为i ⾯本⾝的辐射热量；εi 为i ⾯的⿊度；ψi (dk)为k ⾯对i ⾯的⾓系数；E eff.k 为k ⾯有效的辐射⼒；E b.i 为i ⾯的辐射⼒；
i α为 i
⾯的吸收率；F i 为i ⾯的⾯积。

根据本实验的设备情况，可以认为： 1、传导圆筒2为⿊体。

2、热源1、传导圆筒2、待测物体（受体）3，它们表⾯上的温度均匀。

图1 辐射传热简图
1-热源；2-传导圆筒；3-待测物体（受体）
因此，公式（1）可写成：
Q net.3=α3(E b.1 F 1ψ1.3+ E b.2 F 2ψ2.3－ε3E b.3 F 3)
因为F 1= F 3；α3=ε3；ψ3.2=ψ1.2，⼜根据⾓系数的互换性F 2ψ2.3= F 3ψ3.2 ，则：
q 3=Q net.3/F 3=ε3(E b.1ψ1.3+ E b.2ψ1.2)－ε3E b.3
=ε3(E b.1ψ1.3+ E b.2ψ1.2－E b.3)
（2）
由于受体3与环境主要以⾃然对流⽅式换热，因此：
q 3=d α(t 3－t f )
（3）
式中：d α为换热系数；t 3为待测物体（受体）温度；t f 为环境温度。

由（2）、（3）式得： 3
2.12
3.1133)
(b b b f d E E E t t -ψ+ψ-=
αε
（4）
当热源1和⿊体圆筒2的表⾯温度⼀致时，E b1=E b2，并考虑到体系1、2、3为封闭系统，则：
ψ1.3+ψ1.2=1
由此，（4）式可写成： )
T (T )
t (t E E )
t (t ε4
341f 3b3b1f 33--=-=
σαα－（5）
式中σb 称为斯蒂芬—玻尔茨曼常数，其值为5.67×10-8
w/（m 2
·k 4
）。

对不同待测物体（受体）a 、b 的⿊度ε为：
4
341a f 3a a a (T )
(T εa
T T --=
σα )(T )
(T ε4
341b f 3b b b b
T T --=σα设b a αα=, 则：
4341434
143b f 3a a T T a
a b
b f b T T T T T T --?--=εε（6）
当b 为⿊体时，εb ≈1，（6）式可写成：
4341434
13b f 3a a
T T a
a b b f T T T T T T --?--=ε（7）三、实验装置
实验装置简图如图2所⽰：
图2 实验装置简图
热源腔体具有⼀个测温电阻，传导腔体有⼆个热电阻，受体有⼀个热电阻，它们都可通过控温仪表来显⽰。

四、实验⽅法和步骤
本实验仪器⽤⽐较法测定物体的⿊度，具体⽅法是通过对三组加热器电压的调整（热源⼀组，传导体⼆组），使热源和传导体的测量点恒定在同⼀温度上，然后分别将“待测体”（受体为待测物体，具有原来的表⾯状态）和“⿊体”（受体仍为待测物体，但表⾯薰⿊）两种状态的受体在恒温条件下，测出受到辐射后的温度，就可按公式计算出待测物体的⿊度。

具体步骤如下：
1、将热源腔体和受体腔体（使⽤具有原来表⾯状态的物体作为受体）靠紧传导体。

2、接通电源，调整热源、传导左、传导右的调温旋钮，使热源温度在50℃⾄150℃范围内某⼀温度，受热约40分钟左右，通过测温转换开关及测温仪表测试热源、传导左、传导右的温度，并使控温表设定值⼀致，使三点温度尽量⼀致。

3、系统进⼊恒温后（各测温点基本接近，且在五分钟内各点温度波动⼩于3℃），开始测试受体温度，当受体温度五分钟内的变化⼩于3℃时，记下⼀组数据，“待测”受体实验结束。

4、取下受体，将受体冷却后，⽤松脂或蜡烛将受体薰⿊，然后重复以上实验，测得第⼆组数据（本实验台备⽤有⼀只薰⿊好的受体，换上即可）。

将两组数据代⼊公式即可得出待测物体的⿊度ε受。

五、实验注意事项
1、热源及传导体的温度不可超过150℃。

2、每次做原始状态实验时，建议⽤汽油或酒精将待测物体（受体）表⾯擦净，否则，试验结果将有较⼤出⼊。

六、试验所⽤计算公式
根据（6）式本实验所⽤计算公式为：
）
）
受源源受受4
40404
0((T T T T T T -'?-?=εε（8）
式中：ε0为相对⿊体（熏⿊时）的⿊度，该值可假设为1；ε受为待测物体（受体，光⾯时）的⿊度；T ?受为受体与环境的温差；T ?0为⿊体与环境的温差；T
源
为受体为相对⿊体时热源的绝对温度；T '
源为受体为待测物体时的热源绝对温
度；T 0为相对⿊体的绝对温度；T 受为待测物体的绝对温度。

七、实验数据处理（举例） 1、实验数据（表7-1）
表7-1 物体⿊度测量数据记录表
由实验数据得：
ΔT 受=74K T 0=（135+273）K
ΔT 0=110K T /源=（259+273）K T 源=（261+273）K T 受=（99+273）K
将以上数据代⼊（8）式得：
58.0273992732592731352732601107404
44
40?=+-++-+??=εεε）
（）（）（）（受
在假定紫铜（薰⿊状态）ε0=1时，受体紫铜（光⾯状态）的⿊度ε受即为0.58。

⼋、思考题
1.在计算物体⿊度的公式中，代⼊的是物体的绝对温度⽽不是摄⽒温度，计算的结果有什么区别？为什么？
2.为确保实验过程中传导体的温度与热源温度尽可能⼀致，采取了哪些办法？。