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熱放射と表面状態

レスリー·キューブから放射される熱量を測定する


ひんめい:画像

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公費でのご注文について

セット番号
UE2020200

加熱された物体からの熱放射は,物体の温度とその表面の性質に依存します。キルヒホッフの法則によれば,放射率と吸収率との比は同じ温度のすべての物体で同一であり,これはこの温度における黒体の放射率ESBに一致します。本実験では100℃まで熱した水で満たすことによってレスリー·キューブを加熱し,モル型熱電対列を用いた相対測定で放射強度を確認します。

実験に必要な機器
品番 品名 価格(税込) 数量
U8442835 熱輻射実験器(Leslie's Cube) 53,892円 1
U8557350 回転テーブル 7,128円 1
U8441301 モル型熱電対列 73,440円 1
U8531401-115 測定値増幅器 346,680円 1
U118091 デジタルマルチメーター・P3340 18,252円 1
U11853 デジタル携帯高速温度計 39,960円 1
U11854 KタイプNiCr-Ni浸漬センサー・-65℃~550℃ 16,740円 1
U13812 プラグ付き安全リード線・75cm・2本セット 3,348円 1
U11257 BNC-4mmプラグ変換ケーブル 10,152円 1
U13265 支柱用台座 8,208円 1
U10073 ポケット巻尺・2m 3,456円 1

上記一式を買物かごに入れる

※各製品ページから,それぞれ単品でもご購入いただけます。

実験解説書 ダウンロード(PDF)

基本原理

加熱された物体は,それを取り巻く環境との間で放射熱の放出と吸収の過程を通じて,熱の交換をします。熱放射が物体の温度とその表面の性質に依存することを,レスリー·キューブを使った実験で確認します。

放射熱の強さは,物体の放射率Eによって決まります。物体の吸収率 Aは,物体に吸収される放射量と物体の表面に入射する放射量との比で与えられます。キルヒホッフの法則によれば,放射率と吸収率との比は同じ温度のすべての物体で同一であり,さらにこれは,この温度における黒体の放射率ESBに一致します。

(1)数式

吸収率の温度への依存性は一般には無視できるほど小さいので,物体の放射率は以下のように表されます。

(2)数式

物体がそれを取り巻く環境と同一の温度 T0 を有する場合,物体から環境への放射熱の強さは物体が環境から吸収する放射熱の強さと等しくなります。

(3)数式

物体の温度がその環境の温度よりも高い場合には,環境の温度が一定である限り,物体が環境から吸収する放射熱の強さは変化しません。したがって,物体の単位面積から単位時間当たりに放射される放射検出器で測定可能なエネルギーは,以下のように表されます。

(4)数式

本実験では,白い面,黒い面,マットな面と光沢のある面を持つレスリー·キューブに,100℃に沸騰させた湯を満たして加熱します。その後,モル型熱電対列を使った相対値測定により,放射強度を確認します。4つの異なる面からの放射強度の測定値を,室温に至るまでの全冷却過程を通じて計測を続けます。

評価

モル型熱電対列の読み取り値を, x = T4 – T04 に対してグラフにプロットすると,その結果は,原点を通り,勾配が各面の吸収率に対応する,4本の直線になります。 白と黒の表面や,マットな面と光沢のある面との間では,見た目の違いが明らかであるにもかかわらず,実験を行う摂氏100℃までの温度範囲では,測定結果に大きな差は見られません。赤外線の波長領域では,これらの表面の間に大きな違いはありません。

参考資料

参考グラフ

図1:レスリー·キューブからの放射強度と x=T4 - T04 の関係

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