2020.4
吉村洋介
化学実験法II 問題集 輸送現象 解説

問 6

6.下記の無能の昭和老人Yの妄想には、どの点に問題があるだろうか?Y にも分かるように説明せよ。

半径 R の黒体の球 A の内部に半径rの黒体の球 B を置いたものとしよう。 Aの温度を TA 、Bの温度を TBとする。 この時 A から B へ放射熱は単位時間当たり 4 πR2σTA4 であり、 B から A への放射熱は単位時間当たり 4 πR2σTB4 になる。 ここで σ はステファン-ボルツマン定数。 したがって平衡状態において A と B の温度の間にはTA2/TB2 = r/R の関係が成立する。


解答例

B からの輻射はすべて A に到達するが、A からの輻射 X はすべてが B に到達するわけではない。 A から B に到達する輻射 ΔX は A 上の一点から眺めて

\[ \Delta X = \int_{\theta_0}^{\pi/2} 2\pi a \cos \theta a \sin \theta \rmd \theta = \pi a^2 \left[ -\cos^2 \theta \right]_{\theta_0}^{\pi/2} \\ = \pi a^2 \cos^2 \theta_0 \]

ここで\(\cos \theta_0 = r/R\) なので

\[ \Delta X/X = \pi a^2 (r^2/R^2) /\pi a^2 = r^2/R^2 \]

だけである。 つまり A から B への輻射熱は 4πR2 σ TA4 (r2/R2) = 4πr2 σ TA4 であり、 B から A への輻射熱と釣り合う条件は、熱力学法則から予想されるように TA = TB である。


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