不同颜色物体对低温热辐射的阻碍研究

摘 要：热辐射是一种电磁波，低温物体的热辐射主要靠不可见光传播。利用PASCO热辐射实验系统研究了不同颜色物体对低温热辐射的阻碍影响。

关键词：热辐射 阻碍 PASCO热辐射实验系统

中图分类号：TK121 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（a）-0080-01

1 研究背景

如今内衣的颜色各异，但是不同颜色、相同材质的内衣的保温效果是不一样的。目前保暖内衣主要分为两种：保温织物—— 单向温度调节保温材料、调温织物—— 双向温度调节保温材料。保暖内衣是通过阻隔人体热量散发从而起到保温作用。研究不同颜色的物体对热传递的阻碍作用，对保暖内衣保温效果的研究有重要意义。

2 热辐射理论与研究条件的确定

热辐射是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，是热量传递的三种方式之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，当温度为300 ℃时热辐射中最强的波长在红外区。当物体的温度在500 ℃以上至800 ℃时，热辐射中最强的波长成分在可见光区。物体在向外辐射的同时，还吸收从其他物体辐射来的能量。物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。

一个物体在某环境里最终都会达到热平衡，那么这时它接受环境的热辐射率也就与它的放射热辐射的速度是相同的，这样它的热量才会平衡。所以，接受辐射的能量越强，它的辐射能力也就越强，而黑颜色的面是最容易吸收热辐射的。

本实验利用PASCO热辐射实验系统[1，2]进行研究：由于黑色的热辐射能力最强，实验中红外辐射源选取该系统中加热立方体中黑色面为基准面，采取控制变量法，控制温度和所测研究对象的热辐射面积，在温度较低的情况下，研究不同颜色物体对研究的热辐射体发出热辐射的阻碍程度。实验中所提到的热辐射均为低温热辐射，温度范围大致为37 °C～100 °C。本实验材料选取3种不同颜色的卡纸作为阻挡物，每种卡纸有两种厚度，其中对应卡纸的厚度相同。实验中将卡纸剪裁成腔体大小，并且将卡纸与热辐射立方体的黑色面完全贴合，在距离卡纸2 cm处放置红外光传感器，对预热后立方体进行热辐射的测定。

3 实验数据与分析

本实验材料选取3种不同颜色（分别为蓝色，绿色，橙色）的卡纸作为阻挡物，每种颜色的卡纸有两种厚度。根据颜色和厚度不同分为6块，并将卡纸剪裁成腔体大小，折叠边缘使之能与热辐射立方体的黑色面完全贴合，如图1所示右边一列为厚纸片（平均厚度为0.230 mm）左边一列为薄纸片（平均厚度为0.111 mm）。

（1）研究厚度不同的相同颜色的纸片对红外辐射的阻隔影响。

如图2所示，图中横坐标表示红外光传感器扫描过整个加热的立方体黑色侧面时运动的距离；纵坐标表示红外光传感器探测到的红外光的强度大小。图中三条曲线从上到下分别为无阻隔纸片，阻隔绿色薄纸片，阻隔绿色厚纸片的实验结果。从无阻隔纸片的空白曲线可以看出，这个曲线形状称呈现类似正态分布的形式，中间正对热源时辐射量大，越往两边辐射量越少。纸片厚度阻隔不会影响红外曲线的分布形式，只是不同厚度的纸片阻挡效果大小不同，在原有的空白曲线的基础上辐射量有所衰减。由此可见，阻隔辐射能力厚卡纸强于薄卡纸。

（2）研究厚度相同的不同颜色的纸片对红外辐射的阻隔影响。

如图3所示，图中四条曲线从上到下分别为无阻隔纸片，阻隔蓝色、绿色、橙色纸片的实验结果。从无阻隔纸片的空白曲线可以看出，这个曲线形状称呈现类似正态分布的形式，中间正对热源时辐射量大，越往两边辐射量越少。纸片阻隔不会影响红外曲线的分布形式，只是不同颜色的纸片阻挡效果大小不同，在原有的空白曲线的基础上辐射量有所衰减。由此可见，阻隔辐射能力橙色卡纸>绿色卡纸>蓝色卡纸。

4 实验结论与探讨

本实验利用PASCO热辐射实验系统研究了不同颜色物体对低温热辐射的阻碍影响。实验中的红外光传感器测量时会受到环境温度和外界光线的影响，实验条件尽量控制环境温度和外界光线保持相同，热源控制在80 °C的热稳定情况下测量。

实验中可能由于以下原因产生的误差：（1）不同颜色纸片的厚度不一定完全一样；（2）实验中为了控制室温使用空调，空调风向可能造成影响；（3）由于实验过程中，纸片与加热立方体的贴合程度不同，可能造成影响（4）由于所选的颜色对照不够鲜明，色差较小，卡纸的颜色不够纯正对于区分数据差异、得到结论可能产生影响。

根据目前实验情况，得到波长越长的可见光对应颜色的材料阻碍低温辐射的能力强，可以推断，相同材料、相同温度、相同辐射面积时，各色材料的保温能力由橙、绿、蓝依次减弱。因此从阻碍低温热辐射方面考虑，对热量散发的阻碍更为显著的颜色更为适合作为保暖内衣的颜色。

参考文献

[1]熊永红，李伟斌.热辐射基础实验[J].物理实验，2003（1）：9-17.

[2]高宏，郭文阁，李兰，等.PASCO实验仪在物理探究性实验中的应用[C].//应用光学，2008（12），29：240-242.