例題集

ふく射伝熱(1) ふく射の基本法則

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次の$(\ 1\ )\sim(\ 10\ )$に当てはまる語句を答えよ. 熱ふく射は,電磁場の一部であり,すべての温度ある物体から発散される. 単位表面積から単位時間当たりに放出されるエネルギーを$(\ \ 1\ \ )$$E\rm{ [W/m^2]}$(あるいは放射能)と呼ぶ. ふく射は,さまざまな波長の電磁場からなり,単位波長幅$\rm{d\lambda}$当たりの放射能$E_\lambda\rm{[W/(m^2\cdot\mu m)]}$を$(\ \ 2\ \ )$(あるいは単色放射能)と呼ぶ. したがって,$E$は$E_\lambda$を全波長について積分したものであるので, \[E=(\ \ 3\ \ )\hspace{30px}\cdots(a)\] と表現される. 一般に,$E$あるいは$E_\lambda$は,物体表面の温度$T[\rm{K}]$と性状によって変化する. 放出される最大の放射能を$(\ \ 4\ \ )$$E_b[\rm{W/m^2}]$と呼び,それに対応する$(\ \ 2\ \ )$を$(\ \ 5\ \ )$$E_{b\lambda} [\rm{W/(\rm{m^2}\cdot\rm{\mu}m)}]$と呼ぶ. また,そのような状態にある物体を$(\ \ 6\ \ )$と呼ぶ. $E_{b\lambda}$は,次式で表現される. \[E_{b\lambda}=\frac{c_1}{\lambda ^5\left[\exp\left(\frac{c_2}{\lambda T}\right)-1\right]}\hspace{30px} \cdots(b)\] (ここで,$c_1=2\pi c_0^2/h$ ,$c_2=c_0h/k$ である.[$c_0$:光速度,$h$:プランク定数,$k$:ボルツマン定数]である.) これを$(\ \ 7\ \ )$の法則と呼ぶ. 式$(b)$を全波長にわたって積分し,次のステファン$\cdot$ボルツマンの法則を得る. \[E_b(T)=(\ \ 8\ \ )\hspace{30px}\cdots (c)\] ここで,$\sigma=(\ \ 9\ \ )\rm{[W/(m^2\cdot K^4)]}$をステファン$\cdot$ボルツマン定数と呼ぶ. $(\ \ 5\ \ )$のスペクトル分布曲線において最大値を与える波長$\lambda_{max}$は,物体の温度$T[\rm{K}]$に反比例する. このことは,式$(b)$より \[\frac{dE_{b\lambda}}{d\lambda}=0\] となるように,$E_{b\lambda}$の最大値を見つけることで与えられ,    \[\lambda_{max}T=0.002897\,\rm{mK}\] となる.この関係を$(\ \ 10\ \ )$と呼ぶ.
$(1)$ 全ふく射熱流束 $(2)$ 単色ふく射熱流束 $(3)$ $\int_0^\infty E_{\lambda}d\lambda$ $(4)$ 黒体ふく射熱流束 $(5)$ 単体黒体ふく射熱流束 $(6)$ 黒体 $(7)$ プランク $(8)$ $\sigma T$ $(9)$ $5.67\times10^{-8}$ $(10)$ ウィーンの変位則