방출량
Emissivity![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/41/Blacksmith_at_work02.jpg/220px-Blacksmith_at_work02.jpg)
물질 표면의 방사율은 열복사로 에너지를 방출하는 효과입니다.열복사는 가시광선(빛)과 적외선을 모두 포함하는 전자기 방사선으로 사람의 눈에는 보이지 않습니다.매우 뜨거운 물체(사진 참조)에서 나오는 열복사의 일부가 눈에 쉽게 보입니다.
표면의 방사율은 화학적 조성과 기하학적 구조에 따라 달라집니다.정량적으로, 이것은 스테판-볼츠만 법칙에 의해 주어진 것과 같은 온도에서 이상적인 검은 표면의 복사에 대한 표면의 열복사의 비율입니다. (열복사의 특정 파장과 관련된 경우 플랑크 법칙과의 비교가 사용됩니다.)비율은 0부터 1까지 다양합니다.
완벽한 블랙 바디(방사율 1)의 표면은 25°C(298K; 77°F)의 상온에서 제곱미터당 약 448와트(W/m2)의 열복사를 방출합니다.
물체는 일반적으로 방출률이 1.0 미만이며,[1] 방사선을 방출하는 속도는 그에 상응하여 더 낮습니다.
그러나, 파장- 및 서브-파장-스케일 입자,[2] 메타물질 [3]및 기타 나노구조는[4] 방사율이 1보다 클 수 있습니다.
실용화
배출성은 다양한 맥락에서 중요합니다.
- 단열창
- 따뜻한 표면은 보통 공기에 의해 직접 냉각되지만, 열복사를 방출함으로써 스스로 냉각되기도 합니다.이 두 번째 냉각 메커니즘은 가능한 최대 값인 1.0에 가까운 방출량을 갖는 간단한 유리 창문에 중요합니다. 투명한 저 방출량 코팅이 있는 "Low-E 윈도우"는 [5]일반 윈도우보다 열 복사량이 적습니다.겨울에 이러한 코팅은 코팅되지 않은 유리 [6]창문에 비해 창문의 열 손실 속도를 절반으로 줄일 수 있습니다.
- 태양열 집열기
- 마찬가지로, 태양열 집열기는 열복사를 방출함으로써 열을 잃습니다.첨단 태양열 집열기는 방사율이 매우 낮은 선택적 표면을 포함합니다.이 수집기들은 열복사 [7]방출을 통해 태양 에너지를 거의 낭비하지 않습니다.
- 차열
- 재사용 가능한 우주선 또는 극초음속 항공기와 같은 높은 표면 온도로부터 구조물을 보호하기 위해, 0.9에 가까운 방출도 값을 갖는 고방출도 코팅(HEC)이 절연 [8]세라믹의 표면에 적용됩니다.이를 통해 방사선 냉각 및 기저 구조물의 보호가 용이하며 1회용 재진입 캡슐에 사용되는 방수 코팅의 대안이 됩니다.
- 패시브 주간 복사냉각
- 주간 패시브 복사 냉각기는 우주 공간의 극한 온도(~2.7K)를 사용하여 열을 방출하고 주변 온도를 낮추는 동시에 에너지 [9]투입이 전혀 필요하지 않습니다.이러한 표면은 LWIR [10]열복사의 방출을 극대화하기 위해 태양 복사의 흡수를 최소화하여 열 이득을 감소시킵니다.그것은 [11]지구 온난화의 해결책으로 제안되어 왔습니다.
- 행성의 온도
- 그 행성들은 대규모의 태양열 집열기입니다.행성 표면의 온도는 햇빛으로부터 행성이 흡수한 열과 중심부에서 방출된 열, 그리고 우주로 다시 방출된 열복사 사이의 균형에 의해 결정됩니다.행성의 방출률은 표면과 [12]대기의 특성에 의해 결정됩니다.
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3b/Emissivity_differences_on_Chopfab_beer_can.png/220px-Emissivity_differences_on_Chopfab_beer_can.png)
- 온도측정
- 파이로미터와 적외선 카메라는 물체의 열복사를 이용하여 물체의 온도를 측정하는 데 사용되는 장비입니다. 물체와의 실제 접촉은 필요하지 않습니다.이 기구들의 교정에는 측정 [13]중인 표면의 방사율이 포함됩니다.
수학적 정의
방사율은 가장 일반적인 형태로 특정 파장, 방향 및 편광에 대해 지정될 수 있습니다.
그러나, 가장 일반적으로 사용되는 방사율의 형태는 반구형의 총 방사율로서, 특정 [14]: 60 온도가 주어진 경우, 모든 파장, 방향 및 편광에 걸쳐 방출량을 총계로 간주합니다.
방출량의 몇 가지 구체적인 형태가 아래에 상세히 설명되어 있습니다.
반구형 방사율
θ로 표시된 표면의 반구형 방출율은 다음과 같이 정의됩니다[15].
어디에
- M은e 해당 표면의 복사 출구입니다.
- Me°는 검은 물체가 표면과 같은 온도에서 복사되는 출구입니다.
분광 반구형 방사율
주파수의 스펙트럼ν 반구형 방출율과 표면의 파장의 스펙트럼 반구형 방출율, 각각 λ와λ λ로 표시된 다음과 같이[15] 정의됩니다.
어디에
- M은e,ν 해당 표면의 주파수에서 스펙트럼 복사 출구입니다.
- Me,ν°는 해당 표면과 동일한 온도에서 흑체의 주파수에서 스펙트럼 복사 출구입니다.
- M은e,λ 해당 표면의 파장에서 스펙트럼 복사 출구입니다.
- Me,λ°는 표면과 동일한 온도에서 흑체의 파장에서 나타나는 스펙트럼 복사 출구입니다.
지향 방사율
θ로Ω 표시된 표면의 방향 방출률은 다음과 같이 정의됩니다[15].
어디에
- L은e,Ω 해당 표면의 광도입니다.
- Le,Ω°는 표면과 동일한 온도에서 검은색 물체의 복사광입니다.
분광 방향 방사율
주파수의 스펙트럼ν,Ω 방향 방사율과λ,Ω 표면 파장의 스펙트럼 방향 방사율은 다음과 같이 정의됩니다[15].
어디에
- L은e,Ω,ν 해당 표면의 주파수에서 스펙트럼 복사도입니다.
- Le,Ω,ν°는 해당 표면과 동일한 온도에서 흑체의 주파수에서 스펙트럼 복사도입니다.
- L은e,Ω,λ 해당 표면의 파장에서 스펙트럼 복사도입니다.
- Le,Ω,λ°는 표면과 동일한 온도에서 검은색 물체의 파장에서 나타나는 스펙트럼 복사입니다.
반구형 방사율은 "방사열 전달"[13] 교과서에 설명된 방향성 스펙트럼 방사율의 가중 평균으로도 나타낼 수 있습니다.
공통 표면의 방출률
방출도 δ는 레슬리 큐브와 같은 간단한 장치와 열전사 또는 볼로미터와 같은 열복사 검출기를 함께 사용하여 측정할 수 있습니다.이 장치는 시험할 표면의 열복사와 거의 이상적인 검은색 샘플의 열복사를 비교합니다.디텍터는 기본적으로 매우 민감한 온도계를 가진 검은색 흡수체로 열 방사선에 노출되었을 때 디텍터의 온도 상승을 기록합니다.실온 방출량을 측정하려면 디텍터가 10×[16]10m−6 근처의 적외선 파장에서 열복사를 완전히 흡수해야 합니다.가시광선의 파장 범위는 보라색에서 짙은 빨간색까지 약 0.4~0−6.7×10 미터입니다.
많은 표면에 대한 방출도 측정값은 많은 핸드북과 텍스트에 정리되어 있습니다.이 중 일부는 다음 [17][18]표에 나열되어 있습니다.
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7f/LesliesCube.png/220px-LesliesCube.png)
재료. | 방출량 |
---|---|
알루미늄박 | 0.03 |
양극산화 알루미늄 | 0.9[19] |
알루미늄, 매끄럽고 광택이 나는 | 0.04 |
알루미늄, 거칠고 산화됨 | 0.2 |
아스팔트 | 0.88 |
벽돌 | 0.90 |
콘크리트, 러프 | 0.91 |
구리, 광택 있음 | 0.04 |
산화구리 | 0.87 |
유리, 코팅되지 않은 매끄러운 유리 | 0.95 |
얼음 | 0.97-0.99 |
철, 광택이 나는 | 0.06 |
석회석 | 0.92 |
대리석, 광택이 나는 | 0.89–0.92 |
질소 또는 산소 가스층, 순수 | ~0[20][21] |
흰색을 포함한 페인트 | 0.9 |
용지, 지붕 또는 흰색 | 0.88–0.86 |
플라스터, 러프 | 0.89 |
광택이 나는 실버 | 0.02 |
은, 산화됨 | 0.04 |
피부, 사람 | 0.97–0.999 |
눈 | 0.8–0.9 |
폴리테트라플루오로에틸렌(테프론) | 0.85 |
전이금속 이산화물(예2: MoSi 또는 WSi2) | 0.86–0.93[8] |
식생 | 0.92-0.96 |
물,순수 | 0.96 |
주의:
- 이러한 방출량은 표면에서 발생하는 총 반구형 방출량입니다.
- 방출량 값은 광학적으로 두꺼운 재료에 적용됩니다.이는 일반적인 열복사 파장에서의 흡수율이 물질의 두께에 따라 달라지지 않는다는 것을 의미합니다.매우 얇은 물질은 두꺼운 물질보다 열복사량이 적습니다.
- 위 차트에서 대부분의 방출량은 실온 300K(27°C; 80°F)에서 기록되었습니다.
흡수율
표면의 방사율과 입사 복사 흡수(표면의 "흡수율")를 동일시하는 기본적인 관계(Gustav Kirchhoff의 1859년 열복사 법칙)가 있습니다.키르히호프의 법칙은 방사율과 흡수율의 스펙트럼 방향 정의와 관련하여 엄격하게 적용될 수 있습니다.이 관계는 방출량이 1을 초과할 수 없는 이유를 설명해 줍니다. 진짜 검은 물체에 의한 입사광의 완전한 흡수에 해당하는 가장 큰 흡수율도 [13]1이기 때문입니다.따라서 빛을 반사하는 거울과 같은 금속 표면은 반사광이 흡수되지 않기 때문에 방출율이 낮습니다.광택이 나는 은 표면은 실온 근처에서 약 0.02의 방출량을 가집니다.검은색 그을음은 열복사를 매우 잘 흡수합니다. 방출률이 0.97에 달하기 때문에 그을음은 이상적인 검은색 [22][23]차체에 상당히 가깝습니다.
광택이 나는 금속을 제외하고, 표면에서 눈으로 보이는 것은 실온 근처의 배기 가스 방출에 대한 좋은 지침이 아닙니다.예를 들어, 흰색 페인트는 가시광선을 거의 흡수하지 않습니다.그러나 적외선 파장이 10×10미터일−6 때 페인트는 빛을 매우 잘 흡수하고 방사율이 높습니다.마찬가지로, 순수한 물은 가시광선을 거의 흡수하지 않지만, 그럼에도 불구하고 물은 강력한 적외선 흡수제이고, 그에 상응하는 높은 방사율을 가지고 있습니다.
송금
방출량(emitance) 또는 방출량(emission power)은 모든 가능한 파장에 대해 단위 시간당 단위 면적당 방출되는 열 에너지의 총 양입니다.주어진 온도에서 물체의 방출량은 물체의 총 방출량과 그 온도에서 완벽하게 검은 물체의 총 방출량의 비율입니다.플랑크의 법칙에 따라 방사되는 총 에너지는 온도에 따라 증가하는 반면 방출 스펙트럼의 피크는 더 짧은 파장으로 이동합니다.더 짧은 파장에서 방출되는 에너지는 온도에 따라 더 빠르게 증가합니다.예를 들어 1,273 K(1,000 °C; 1,832 °F)의 열평형에 있는 이상적인 흑체는 에너지의 97%를 14 μm [8]이하의 파장에서 방출합니다.
방출률이라는 용어는 일반적으로 은과 같은 단순하고 균일한 표면을 설명하는 데 사용됩니다.유사한 용어인 이미턴스 및 열 이미턴스는 절연 [24][25][26]제품과 같은 복잡한 표면에서의 열 복사 측정을 설명하는 데 사용됩니다.
방출량 측정
표면의 방출량은 해당 표면에서 방출된 에너지로부터 직접 또는 간접적으로 측정할 수 있습니다.직접 방사선 측정법에서는 FTIR([27]Fourier Transform 적외선 분광법)과 같은 분광기를 이용하여 시료에서 방출되는 에너지를 직접 측정합니다.간접열량법에서는 시료에서 방출되는 에너지를 열량계를 이용하여 간접적으로 측정합니다.일반적으로 적용되는 이 두 가지 방법 외에, 2색 [28]파이로메트리 원리를 기반으로 한 저렴한 방출량 측정 기법.
지구 행성의 방출량
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cc/IR_emission_in_current_greenhouse_levels.png/220px-IR_emission_in_current_greenhouse_levels.png)
행성이나 다른 천체의 방출률은 그것의 외피의 구성과 구조에 의해 결정됩니다.이런 맥락에서, 행성의 "피부"는 일반적으로 반투명한 대기와 비가스 표면을 모두 포함합니다.그 결과 우주로 방출되는 방사선은 일반적으로 이러한 고립된 물체의 주된 냉각 메커니즘으로 기능합니다.유입되는 다른 모든 에너지원과 내부 에너지원 간의 균형과 유출되는 흐름 간의 균형은 행성의 [29]온도를 조절합니다.
지구의 경우 평형 피부 온도는 물의 어는점 근처인 260±50K(-13±50°C, 8±90°F)입니다.따라서 가장 에너지가 강한 방출량은 플랑크의 [30]법칙에 따라 약 4-50 μm에 이르는 대역 내에 있습니다.대기 및 지표 구성요소에 대한 방출량은 종종 별도로 계량되며, 위성 및 지상 기반 관측 및 실험실 측정에 대해 검증됩니다.이러한 방출량은 일부 기상학 및 기후학 모델 내에서 입력 매개변수 역할을 합니다.
표면
지구의 표면 방출률(λs)은 8-13 [31]μm에 이르는 덜 방해 받는 대기 창을 통해 나디르의 표면 열 방출을 직접 관찰함으로써 위성 기반 장비로 추론되었습니다.값의 범위는 약 λ=0.65-0.99이며, 가장 낮은 값은 일반적으로 가장 척박한 사막 지역에 한정됩니다.바다, 육지 식생, 눈/얼음을 포함한 물의 지배적인 영향으로 대부분의 지표면 지역의 배출량은 0.9 이상입니다.지구 표면의 반구 방사율에 대한 전 세계 평균 추정치는 λ=0.95입니다.
대기.
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Atmosfaerisk_spredning.png/220px-Atmosfaerisk_spredning.png)
또한 물은 수증기의 형태로 지구의 대기 방출과 흡수율을 지배합니다.특히 수증기 흡수 스펙트럼에 틈이 있는 경우 구름,[33] 이산화탄소 및 기타 성분이 추가적으로 상당한 기여를 합니다.주요 대기 성분인 질소(N
2)와 산소(O
2)는 적외선 [21]대역의 열복사와 덜 중요하게 상호작용합니다.지구 대기 방출량a(λ)의 직접 측정은 대기의 다층적이고 보다 동적인 구조로 인해 육지 표면보다 더 어려운 문제가 있습니다.
극한적이면서도 현실적인 현지 조건에 따라 δ에a 대해 상한값과 하한값을 측정하여 계산했습니다.상한에서 밀도가 높은 낮은 구름 구조(액체/얼음 에어로졸 및 포화 수증기로 구성됨)는 적외선 투과창을 닫으며 λ1의a [34]흑체 상태에 가깝습니다.하한선에서 맑은 하늘(구름이 없는) 조건은 전송창의 최대 개방을 촉진합니다.수명이 긴 미량 온실가스의 농도가 0.25-20 mbar의 수증기 압력과 함께 더 균일해지면 λ=0.55-0.8 범위의 최소값을 얻을 수 있습니다(모의된 수성 대기의 경우 λ=0.35-0.75 포함).대기 습도가 낮을 때 이산화탄소(CO)와 기타 온실가스는 약 λ=0.2 ~ λ의 기여를 합니다.
연구원들은 또한 다양한 구름 유형이 대기 흡수율과 [37][38][39]방출율에 미치는 영향을 평가했습니다.오늘날 대기를 통한 방사선 수송의 세부적인 과정과 복잡한 특성은 방사선 수송 코드와 MODTRAN/HITRAN과 같은 데이터베이스로 평가되며, 이에 따라 "효과적인" 대기 방출 물질이 다운웰링 및 업웰링 열 방사선에 대해 시뮬레이션됩니다.지상 및 위성 [35]관측에서 얻은 유사한 결과와 비교합니다.
특정 모델이 사용하는 단순화에 따라 달라지는 대기 또는 전체 행성에 대해 다른 유효 값이 결정되었습니다.예를 들어,[40] 이상화된 단층 대기 에너지 균형 모델을 지구에 적용하여 ≥0a.78의 유효 전역 값이 추정되었습니다.
대기로 인한 효과적인 방출
IPCC는 239(237-242) W의-2 나가는 열복사 플럭스(OLR)와-2 398(395-400) W의 표면 열복사 플럭스(SLR)를 보고하며, 여기서 괄호가 붙은 양은 2015년 기준 5-95% 신뢰 구간을 나타냅니다.이 값들은 (구름이 포함된) 대기가 지표면 방출량에 비해 지구의 전체 방출량을 239/398 ≥ 0.60만큼 감소시킨다는 것을 나타냅니다.즉, 공간에 대한 은 = ϵ f f σ 4{\ =\ _{eff^{ _eff approx ≈ \displaystyle \epsilon _{\mathrm {ϵ}sigma 0 0.6은 우주에서 볼 때 지구의 유효 방사율이고 [ SLR / ] 1/ {\ T_\left {]^{1 289K(16°C; 61°F)는 표면의 유효 입니다.
역사
물질과 방사선의 성질로서 방출성과 흡수성의 개념은 18세기 후반에서 19세기 중반까지 피에르 프레보스트, 존 [42][43][44]레슬리, 밸푸어 스튜어트 등의 저술에서 나타났습니다.1860년, 구스타프 키르히호프는 [45]열평형 조건에서의 그들의 관계에 대한 수학적 설명을 발표했습니다.1884년까지 완벽한 흑체의 방출력은 요제프 스테판에 의해 존 틴달의 실험적 측정을 사용하여 추론되었고, 루트비히 볼츠만에 의해 기초적인 통계 [46]원리로부터 도출되었습니다.따라서 슈테판-볼츠만 법칙의 추가 비례성 요소로 정의된 방출성은 회색 물체의 복사 거동에 대한 후속 평가에서 암시되고 활용되었습니다.예를 들어, 스반테 아레니우스는 1896년 지구의 모든 우주와의 복사 [47]평형으로부터 계산된 지구의 표면 온도에 대한 연구에 최근의 이론적 발전을 적용시켰습니다.1900년까지 맥스 플랑크는 흑체복사의 일반화된 법칙을 경험적으로 도출하여, [48]개별 파장에서의 방사율과 흡수율 개념을 명확히 했습니다.
기타 방사선 측정 계수
양 | SI 단위 | 메모들 | |
---|---|---|---|
이름. | Sym. | ||
반구형 방사율 | ε | — | 표면의 복사 출구, 표면과 동일한 온도에서 흑체의 복사 출구로 나눕니다. |
분광 반구형 방사율 | εν ελ | — | 표면의 스펙트럼 출구, 표면과 동일한 온도에서 흑체의 스펙트럼 출구로 나눕니다. |
지향 방사율 | εΩ | — | 표면에 의해 방출되는 복사열로, 표면과 동일한 온도에서 검은 물체에 의해 방출되는 복사열로 나눈 값입니다. |
분광 방향 방사율 | εω,ν εω,λ | — | 표면에 의해 방출되는 스펙트럼 복사광으로, 표면과 동일한 온도에서 흑체의 복사광으로 나눈 값입니다. |
반구형 흡수율 | A | — | 표면에 흡수된 복사 플럭스를 해당 표면에 의해 수신된 복사 플럭스로 나눈 값입니다.이것을 "흡수력"과 혼동해서는 안됩니다. |
분광 반구형 흡수율 | Aν Aλ | — | 표면에 의해 흡수된 스펙트럼 플럭스, 표면에 의해 수신된 스펙트럼 플럭스로 나눕니다.이를 "스펙트럼 흡광도"와 혼동해서는 안 됩니다. |
방향흡수율 | AΩ | — | 표면에 의해 흡수되고 표면에 입사된 복사선으로 나눈 복사선입니다.이것을 "흡수력"과 혼동해서는 안됩니다. |
분광 방향 흡수율 | Aω,ν Aω,λ | — | 표면에 의해 흡수되고 해당 표면에 입사된 스펙트럼 복사로 나눈 스펙트럼 복사.이를 "스펙트럼 흡광도"와 혼동해서는 안 됩니다. |
반구면 반사율 | R | — | 표면에 의해 반사되고 표면에 의해 수신된 복사 플럭스로 나뉩니다. |
분광 반구 반사율 | Rν Rλ | — | 표면에 의해 반사되고, 표면에 의해 수신된 것으로 나눈 스펙트럼 플럭스. |
방향반사율 | RΩ | — | 지표면에 의해 반사되고 해당 지표면에 의해 수신된 복사량으로 나뉩니다. |
분광 방향 반사율 | Rω,ν Rω,λ | — | 표면에 의해 반사되고 해당 표면에 의해 수신된 것으로 나눈 스펙트럼 복사. |
반구면 투과율 | T | — | 표면에 의해 전달되는 복사 플럭스, 표면에 의해 전달되는 복사 플럭스로 나눈 값. |
분광 반구형 투과율 | Tν Tλ | — | 표면에 의해 전달되는 스펙트럼 플럭스(spectrum flux), 표면에 의해 전달되는 스펙트럼 플럭스로 나눈 값. |
방향투과율 | TΩ | — | 표면에 의해 전송된 복사량을 해당 표면에 의해 수신된 복사량으로 나눕니다. |
분광 방향 투과율 | Tω,ν Tω,λ | — | 표면에 의해 전송된 스펙트럼 방사광을 해당 표면에 의해 수신된 것으로 나눈 값입니다. |
반구형 감쇄계수 | μ | m−1 | 흡수되고 산란된 복사 플럭스를 단위 길이당 부피로 나눈 값입니다. |
분광 반구형 감쇄계수 | μν μλ | m−1 | 단위 길이당 부피로 흡수되고 산란된 스펙트럼 복사 플럭스를 해당 부피로 나눈 값입니다. |
방향감쇠계수 | μΩ | m−1 | 단위 길이당 흡수된 복사량을 해당 볼륨으로 나눈 값으로 산포된 복사량입니다. |
분광방향감쇠계수 | μω,ν μω,λ | m−1 | 단위 길이당 부피로 흡수되고 산란된 스펙트럼 복사량을 해당 부피로 나눈 값입니다. |
참고 항목
참고문헌
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추가열람
- "Spectral emissivity and emittance". Southampton, PA: Temperatures.com, Inc. Archived from the original on 24 April 2017. 스펙트럼 방출량 및 방출량과 관련된 자원을 보유한 개방형 커뮤니티 중심 웹사이트 및 디렉토리.이 사이트에서는 열복사 온도측정 및 열영상(열영상)에 측정 및 사용되는 스펙트럼 방출량과 관련된 자료, 참고자료 및 자원에 대한 링크에 초점을 맞추고 있습니다.
- "Emissivity Coefficients of some common Materials". engineeringtoolbox.com. 기술 응용 프로그램의 엔지니어링 및 설계를 위한 리소스, 도구 및 기본 정보.이 사이트는 위에서 다루지 않은 기타 자료의 광범위한 목록을 제공합니다.