实验四 固体表面黑度的 测定

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.ii i b i nk 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： 32.123.1133)(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 ε4341f 3b3b1f 33--=-=σαα－（5）式中σb 称为斯蒂芬—玻尔茨曼常数，其值为5.67×10-8w/（m 2·k 4）。

西安交通大学实验报告课程： 实验日期 专业班号 组别 交报告日期 年 月 日 姓名学号报告退发 （订正、重做） 同组者教室审批签字8.5 固体表面法线方向黑度测定实验一、实验目的(1) 测定固体表面法线方向黑度，进而推算出半球平均黑度 (2) 了解实验原理及实验装置，掌握误差分析方法 二、实验装置与原理法向黑度定义：材料在一定温度下沿法线方向的定向辐射强度与黑体在相同温度下沿法线方向的定向辐射强度的比值。

实验装置可近似看作由待测面1、恒温壁腔2和接收器吸热面3组成的封闭系统。

假定2、3为黑体，利用能量“差额”发，物体3的将辐射换热量为 Φnet,3=Φin,3−Φeff,3 (1) =ε1E b1A 1X 13+ρ1E b2A 2X 21X 13+ρ1E b3A 3X 31X 13+E b2A 2X 23−E b3A 3假设，T 1,T 2相差不是很大，择优ΔT =T 2−T 3≪1，利用角系数的相对性、完整性公式和考虑到X 13≪1，可将式(1)简化为Φnet,3=ε1A 1X 13σ0(T 14−T 24)−σ0A 3(4T 24ΔT) (2)稳态条件下，接收器吸热面3的净辐射热能与热损相等，即Φnet,3=ℎΔT 接收器的输出电势ϕ=KΔT （K 为比例常数），那么输出电势可写为：ϕ=ε1M(T 14−T 24)(3)实验名称式中M =KA 1X 13σ0ℎ+4σ0A 3T 23同理，若在待测面上放置人工黑体，则输出电势为：ϕst =εst M(T 14−T 24) (4)结合(3)式与(4)式，可得：ε1=ϕϕstεst ，令εst =1，则ε1=ϕϕst三、误差分析由于εn =ϕϕst εst，因此εn 的测量误差为：Δεn =√(ðεn ðϕ)2Δϕ2+(ðεn ðϕst )2Δϕst 2+(ðεn ðεst)2Δεst 2 =√(εst ϕst)2Δϕ2+(ϕεn ϕst2)2Δϕst 2+(ϕϕst1)2Δεst 2 (5)Δεst ——所取人工黑体的有效黑度与其真实黑度的绝对差值，人工黑体的高径比1.92，设筒内壁ε=0.8，则Δεst =0.028Δϕst =Δϕst1+Δϕst2Δϕst1——人工黑体与待测试温度不同而引起的误差，假定温度相差1℃，由实验测得ϕst 、ϕst1，可求得Δϕst1Δϕst2、Δϕ——仪表误差，此电压表的量程200mV ，因此误差等于“测量读数×0.005%+1.0μV ” 四、附录 1. 实验数据2. 实验结果εn =ϕϕst =14.018.07=0.775 3. 误差分析Δϕ=14.0μV ×0.005%+1.0μV =1.0007μV Δϕst2=18.07μV ×0.005%+1.0μV =1.0009μV Δϕst1=ϕst1−ϕst T 1′−T 1×1℃=21.0μV −18.07μV 60.4℃−55.87℃×1℃=0.6468μVΔϕst =Δϕst1+Δϕst2=0.6468μV +1.0009μV =1.6477μV根据误差公式(5)Δεn=√(εstϕst)2Δϕ2+(ϕεnϕst2)2Δϕst2+(ϕϕst1)2Δεst2其中εst=1,ϕst=18.07μV,Δϕ=1.0007μV,ϕ=14.0μV,ϕst=18.07μV,Δϕst=1.6477μV,ϕ=14.0μV,ϕst1=21.0μV,Δεst=0.028可得Δεn=√(118.07)2×1.00072+(14.0×0.77518.072)2×1.64772+(14.021.0)2×0.0282=0.08008所以，相对误差δ=Δεnεn×100%=10.33%4. 思考题能否认为法向黑度εn近似等于半球平均黑度ε？可以，虽然半球各个方向的定向发射率并不相等，但在法线两侧很大一部分角度，定向发射率与法线方向几乎相等，故可以认为近似相等。

文档固体表面黑度的测定报告书课程名称：传热学小组成员：鑫、林银福、谷岩帅、柴英杰、沛哲指导教师：任素波提交时间：2015年11月10日目录1.前言2.实验设备介绍及原理分析2.1实验设备2.2实验原理3. 实验试件的测绘3.1测绘过程3.2主要测绘数据3.3三维图4. 实验步骤介绍5. 实验数据及实验结果5.1原始数据5.2实验数据处理6. 实验数据分析6.1实验结论6.2误差分析7.心得体会及人员分工8.主要参考文献附：实验试件工程图摘要：本实验旨在通过固体表面黑度的测定,分析固体表面黑度随温度的变化规律,从而巩固辐射换热理论。

实验中我们采用真空辐射法测定试件表面黑度，即将一个已知长度和直径的试件放入一密封空腔，且空腔不存在吸收热辐射的介质（如空气），为真空，通过电加热彼此之间以辐射换热方式进行热交换，待温度基本不变后，通过加热器电压调节试件外表面温度，最后处理实验数据得到固体表面黑度随温度的变化规律。

1.前言本项目主要容为利用真空辐射法测量固体表面黑度，并分析温度对黑度的影响。

通过理论学习和项目实践使同学掌握以下能力：（1）熟悉物体表面黑度的测试原理；（2）巩固辐射换热原理：（3）分析固体表面黑度随温度的变化规律：(4)熟练应用三维设计软件对实验试件的设计；(5)分析影响物体表面黑度的因素；(6)了解实验原理，并对实验设备进行拆装，学会使用各种测试仪表进行测试；(7)提高学生的动手能力、理论联系实际能力和团队的协作能力；(8)得到查阅文献、阅读相关技术资料和调查研究能力的训炼；(9)通过研究报告的撰写使学生在科技文献写作方面获得训练；(10)通过PPT讲演稿的撰写和实际答辩过程，使学生在PPT文稿撰写和演讲技术方面获得训练。

2.实验设备介绍及原理分析2.1实验设备实验设备由黑度测定仪本体及三个系统组成，三个系统分别为：（1）加热系统：包括电加热器、电流表、电压表、调压器、稳压集成块。

（2）真空系统：包括真空泵、真空保持阀、真空表、大气阀以及密封装置。

中温辐射时物体黑度的测试一、 实验目的用比较法，定性地测量中温辐射时物体黑度ε。

二、 原理概述由n 个物体组成的辐射换热系统中，利用净辐射法，可以求出物体I 的纯换热量Q net.i∑⎰=-=-=nk F i i b i k i k eff i i e i abs i net kF E dF dk E Q Q Q 1,,,,,)(εψα (1)式中：i net Q , — i 面的净辐射换热量；i abs Q ,— i 面从其他表面吸收的热量； i e Q , — i 面本身的辐射换热量； i ε — i 面的黑度；)(dk i ψ — k 面对i 面的角系数； k eff E , — k 面的有效辐射力； i b E , — i 面的辐射力； i α — i 面的吸收率； i F — 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、传导圆筒2、待测物体（受体）3，它们表面上的温度均匀（图1）。

图—辐射换热简图1— 热源， 2—传热圆筒， 3—待测物体因此，公式（1）可写成：33,33,222,3,111,33,)(F E F E F E Q b b b net εψψα-+=因为F 1=F 3；33εα=；2,12,3ψψ=；又根据角系数的互换性2,333,22ψψF F =，则)( )(3,2,12.3,11.33,32,12.3,11.333,3b b b b b b net E E E E E E F Q q -+=-+==ψψεεψψε (2)由于受3与环境主要以自然对流方程换热，因此：)(33f d T T q -=α (3)式中：d α—换热系数；3T —待测物体（受体）温度； f T —环境温度。

由（2）、（3）式得：3,2,12,3,11,33)(b b b f d E E E T T -+-=ψψαε (4)当热源1与黑体圆筒2的表面温度一致时， ，并考虑到体系1、2、3为封闭系统，则：12,13,1=+ψψ由此，（4）式可写成：)()()(434133,1,33T T T T E E T T f b b f --=--=σααε (5) 式中称为斯蒂芬—玻尔茨曼常数，其值为5.7×10-8w/m 2k 4。