不同顏色物體對低溫熱輻射的阻礙研究

摘 要：熱輻射是一種電磁波，低溫物體的熱輻射主要靠不可見光傳播。利用PASCO熱輻射實驗系統研究了不同顏色物體對低溫熱輻射的阻礙影響。

關鍵詞：熱輻射 阻礙 PASCO熱輻射實驗系統

中圖分類號：TK121 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0080-01

1 研究背景

如今內衣的顏色各異，但是不同顏色、相同材質的內衣的保溫效果是不一樣的。目前保暖內衣主要分為兩種：保溫織物—— 單向溫度調節保溫材料、調溫織物—— 雙向溫度調節保溫材料。保暖內衣是通過阻隔人體熱量散發從而起到保溫作用。研究不同顏色的物體對熱傳遞的阻礙作用，對保暖內衣保溫效果的研究有重要意義。

2 熱輻射理論與研究條件的確定

熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象，是熱量傳遞的三種方式之一。一切溫度高于絕對零度的物體都能產生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多。熱輻射的光譜是連續譜，波長覆蓋范圍理論上可從0直至∞，一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播。溫度較低時，主要以不可見的紅外光進行輻射，當溫度為300 ℃時熱輻射中最強的波長在紅外區。當物體的溫度在500 ℃以上至800 ℃時，熱輻射中最強的波長成分在可見光區。物體在向外輻射的同時，還吸收從其他物體輻射來的能量。物體輻射或吸收的能量與它的溫度、表面積、黑度等因素有關。

一個物體在某環境里最終都會達到熱平衡，那么這時它接受環境的熱輻射率也就與它的放射熱輻射的速度是相同的，這樣它的熱量才會平衡。所以，接受輻射的能量越強，它的輻射能力也就越強，而黑顏色的面是最容易吸收熱輻射的。

本實驗利用PASCO熱輻射實驗系統[1，2]進行研究：由于黑色的熱輻射能力最強，實驗中紅外輻射源選取該系統中加熱立方體中黑色面為基準面，采取控制變量法，控制溫度和所測研究對象的熱輻射面積，在溫度較低的情況下，研究不同顏色物體對研究的熱輻射體發出熱輻射的阻礙程度。實驗中所提到的熱輻射均為低溫熱輻射，溫度范圍大致為37 °C～100 °C。本實驗材料選取3種不同顏色的卡紙作為阻擋物，每種卡紙有兩種厚度，其中對應卡紙的厚度相同。實驗中將卡紙剪裁成腔體大小，并且將卡紙與熱輻射立方體的黑色面完全貼合，在距離卡紙2 cm處放置紅外光傳感器，對預熱后立方體進行熱輻射的測定。

3 實驗數據與分析

本實驗材料選取3種不同顏色（分別為藍色，綠色，橙色）的卡紙作為阻擋物，每種顏色的卡紙有兩種厚度。根據顏色和厚度不同分為6塊，并將卡紙剪裁成腔體大小，折疊邊緣使之能與熱輻射立方體的黑色面完全貼合，如圖1所示右邊一列為厚紙片（平均厚度為0.230 mm）左邊一列為薄紙片（平均厚度為0.111 mm）。

（1）研究厚度不同的相同顏色的紙片對紅外輻射的阻隔影響。

如圖2所示，圖中橫坐標表示紅外光傳感器掃描過整個加熱的立方體黑色側面時運動的距離；縱坐標表示紅外光傳感器探測到的紅外光的強度大小。圖中三條曲線從上到下分別為無阻隔紙片，阻隔綠色薄紙片，阻隔綠色厚紙片的實驗結果。從無阻隔紙片的空白曲線可以看出，這個曲線形狀稱呈現類似正態分布的形式，中間正對熱源時輻射量大，越往兩邊輻射量越少。紙片厚度阻隔不會影響紅外曲線的分布形式，只是不同厚度的紙片阻擋效果大小不同，在原有的空白曲線的基礎上輻射量有所衰減。由此可見，阻隔輻射能力厚卡紙強于薄卡紙。

（2）研究厚度相同的不同顏色的紙片對紅外輻射的阻隔影響。

如圖3所示，圖中四條曲線從上到下分別為無阻隔紙片，阻隔藍色、綠色、橙色紙片的實驗結果。從無阻隔紙片的空白曲線可以看出，這個曲線形狀稱呈現類似正態分布的形式，中間正對熱源時輻射量大，越往兩邊輻射量越少。紙片阻隔不會影響紅外曲線的分布形式，只是不同顏色的紙片阻擋效果大小不同，在原有的空白曲線的基礎上輻射量有所衰減。由此可見，阻隔輻射能力橙色卡紙>綠色卡紙>藍色卡紙。

4 實驗結論與探討

本實驗利用PASCO熱輻射實驗系統研究了不同顏色物體對低溫熱輻射的阻礙影響。實驗中的紅外光傳感器測量時會受到環境溫度和外界光線的影響，實驗條件盡量控制環境溫度和外界光線保持相同，熱源控制在80 °C的熱穩定情況下測量。

實驗中可能由于以下原因產生的誤差：（1）不同顏色紙片的厚度不一定完全一樣；（2）實驗中為了控制室溫使用空調，空調風向可能造成影響；（3）由于實驗過程中，紙片與加熱立方體的貼合程度不同，可能造成影響（4）由于所選的顏色對照不夠鮮明，色差較小，卡紙的顏色不夠純正對于區分數據差異、得到結論可能產生影響。

根據目前實驗情況，得到波長越長的可見光對應顏色的材料阻礙低溫輻射的能力強，可以推斷，相同材料、相同溫度、相同輻射面積時，各色材料的保溫能力由橙、綠、藍依次減弱。因此從阻礙低溫熱輻射方面考慮，對熱量散發的阻礙更為顯著的顏色更為適合作為保暖內衣的顏色。

參考文獻

[1]熊永紅，李偉斌.熱輻射基礎實驗[J].物理實驗，2003（1）：9-17.

[2]高宏，郭文閣，李蘭，等.PASCO實驗儀在物理探究性實驗中的應用[C].//應用光學，2008（12），29：240-242.