열복사

열복사는 물질 내 입자의 열운동에 의해 발생하는 전자기복사입니다. 열복사는 물질 내 전하(물질의 일반적인 형태인 전자와 양성자)의 이동으로 인한 열이 전자기복사로 변환될 때 발생합니다. 절대영도보다 높은 온도를 가진 모든 물질은 열복사를 방출합니다. 상온에서는 대부분의 방출이 적외선(IR) 스펙트럼에 있습니다.^[1]^{: 73–86} 입자 운동은 전하 가속 또는 쌍극자 진동을 일으켜 전자기 방사선을 생성합니다.

열복사는 동물이 방출하는 적외선 복사(적외선 카메라로 탐지 가능)와 우주 마이크로파 배경 복사가 그 예입니다.

복사 물체가 열역학적 평형 상태에서 흑체의 물리적 특성을 충족하면 그 복사를 흑체 복사라고 합니다.^[2] 플랑크의 법칙은 물체의 온도에만 의존하는 흑체복사의 스펙트럼을 설명합니다. 빈의 변위 법칙은 방출되는 복사의 가장 가능성 있는 진동수를 결정하고, 슈테판-볼츠만 법칙은 복사 강도를 제공합니다.^[3]

열복사는 열전달의 기본 메커니즘 중 하나이기도 합니다.

개요

열복사는 온도가 절대영도보다 큰 모든 물질에서 전자파가 방출되는 것입니다.^[4]^[1] 열복사는 열에너지가 전자기 에너지로 변환되는 것을 반영합니다. 열에너지는 물질 내 원자와 분자가 무작위로 움직이는 운동에너지입니다. 온도가 0이 아닌 모든 물질에 존재합니다. 이 원자와 분자는 하전 입자, 즉 양성자와 전자로 구성되어 있습니다. 물질 입자들 사이의 운동 상호작용은 전하 가속과 쌍극자 진동을 일으킵니다. 이로 인해 결합된 전기장과 자기장이 전기역학적으로 생성되어 광자가 방출되어 몸에서 에너지가 방출됩니다. 가시광선을 포함한 전자기 방사선은 진공 상태에서 무한히 전파됩니다.

열복사의 특성은 Kirchhoff의 법칙으로 표현되는 온도와 스펙트럼 방사율을 포함하여 표면의 다양한 특성에 따라 달라집니다.^[4] 방사선은 단색이 아닙니다. 즉, 단일 주파수로만 구성되지 않고 광자 에너지의 연속적인 스펙트럼, 즉 특성 스펙트럼으로 구성됩니다. 방사체와 그 표면이 열역학적 평형 상태에 있고 표면이 모든 파장에서 완벽한 흡수력을 가지고 있다면 흑체로 특징지어집니다. 검은 몸체도 완벽한 방사체입니다. 이렇게 완벽한 방사체의 방사선을 흑체 방사선이라고 합니다. 어떤 물체의 방출량과 흑체의 방출량의 비율은 인체의 방출량의 비율이므로 흑체는 방출량이 1입니다.

모든 물체의 흡수율, 반사율, 방사율은 방사선의 파장에 따라 달라집니다. 상호성 때문에 특정 파장에 대한 흡수율과 방사율은 평형 상태에서 동등합니다. 좋은 흡수율은 반드시 좋은 방출기이고, 나쁜 흡수율은 나쁜 방출기입니다. 온도는 전자기 복사의 파장 분포를 결정합니다.

플랑크의 법칙은 흑체가 다양한 진동수로 방출하는 힘의 분포를 설명합니다. 주어진 온도에서 방출되는 전력이 최대가 되는 주파수 f가_max 있습니다. 빈의 변위 법칙, 그리고 진동수가 파장에 반비례한다는 사실은 피크 진동수 f가_max 흑체의 절대 온도 T에 비례한다는 것을 나타냅니다. 태양의 광구는 약 6000K의 온도에서 주로 전자기 스펙트럼의 (인간이) 볼 수 있는 부분에서 방사선을 방출합니다. 지구의 대기는 가시광선에 부분적으로 투명하며, 표면에 도달한 빛은 흡수되거나 반사됩니다. 지구 표면은 흡수된 방사선을 방출하며, f에서_max 스펙트럼 피크를 갖는 300 K의 흑체의 거동에 근접합니다. 이러한 낮은 주파수에서는 대기가 대부분 불투명하고 지구 표면에서 나오는 방사선이 대기에 흡수되거나 산란됩니다. 이 방사선의 약 10%가 우주로 빠져나가지만, 대부분은 대기 가스에 의해 흡수되고 다시 방출됩니다. 일반적으로 지구 온난화와 기후 변화에 기여하는 것은 행성 온실 효과를 담당하는 대기의 이러한 스펙트럼 선택성입니다(그러나 대기의 구성과 특성이 변하지 않을 때 기후 안정성에도 결정적으로 기여합니다).

역사

방사선의 현상은 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 방사선을 설명하기 위해 두 가지 이론이 사용되었지만, 두 이론 모두 완벽하게 만족스럽지는 않습니다.

오귀스틴-장 프레넬과 "흑체"라는 용어

그의 첫 번째 회고록에서, Augustin-Jean Fresnel (1788–1827)은 그가 프랑스어로 번역한 아이작 뉴턴의 광학에서 발췌한 견해에 응답했습니다. 그는 뉴턴이 열매체가 공간을 채우는 것을 방해받지 않고 우주를 통과하는 빛의 입자를 상상했다고 말하고, 조명을 받는 흑체는 열이 무한히 증가할 것이라고 말하면서 이 견해를 반박합니다.^[5]

에테르 이론

첫째, 에테르라는 가상의 매체의 개념에서 출발한 이전의 이론. 에테르는 아마도 모든 피난 또는 비 피난 공간을 채웁니다. 에테르 속의 전자기파 전파는 빛이나 복사열의 전달을 허용합니다.^[6] 텔레비전과 라디오 방송파는 특정 파장을 가진 전자기파의 일종입니다.^[7] 모든 전자기파는 동일한 속도로 이동하므로 파장이 짧을수록 고주파와 관련이 있습니다. 모든 물체나 유체는 에테르 속에 잠겨 있기 때문에 분자의 진동으로 인해 모든 물체나 유체는 잠재적으로 전자파를 일으킬 수 있습니다. 모든 물체는 저장된 에너지를 희생하면서 전자파를 생성하고 수신합니다.^[7]

막스 플랑크와 양자론

두 번째 방사선 이론은 양자 이론으로 가장 잘 알려져 있으며 1900년 막스 플랑크에 의해 처음으로 제안되었습니다.^[6] 이 이론에 따르면, 방사체가 방출하는 에너지는 연속적이지 않고 양자의 형태를 띠고 있습니다. 플랑크는 파동 이론과 비슷하게 양의 크기와 진동수가 다르다고 주장했습니다.^[8] 에너지 E는 E = h ν 식으로 구할 수 있으며, 여기서 그는 플랑크 상수이고 ν는 주파수입니다. 더 높은 주파수는 높은 온도에 의해 발생하고 양자에 에너지 증가를 만듭니다. 모든 파장의 전자기파 전파는 종종 "방사선"이라고 불리지만, 열복사는 종종 가시광선 및 적외선 영역으로 제한됩니다. 공학적 목적을 위해, 열복사는 표면의 특성과 온도에 따라 달라지는 전자기 방사선의 한 형태라고 말할 수 있습니다.^[6] 전파는 전도열류에 비해 특이한 패턴으로 진행될 수 있습니다. 복사를 통해 가열된 물체에서 차가운 비흡수성 또는 부분 흡수성 매질을 거쳐 다시 따뜻한 물체에 도달할 수 있습니다.^[6] 이것은 태양에서 지구로 이동하는 복사파의 경우입니다.

특성.

배출

열의 복사는 일반적으로 방출이라는 단어로 표시됩니다.^[9]^{: 4} 표면이 방사선을 "방출"한다고 종종 설명되지만, 이것은 순전히 단순화된 것입니다. 에너지 보존에 따르면 방출은 항상 다른 형태의 에너지(전기, 화학 등)를 희생시키면서 발생합니다. 따라서 물질 입자만 열을 방출할 수 있고 기하학적 부피나 표면은 방출할 수 없습니다. 실제로, 방사선은 신체 내의 입자로부터 나오고 표면을 통과합니다.

전파

균질하고 등방성이며 정지 상태인 것으로 가정되는 매질에서 방사선의 전파는 직선으로 이루어지며 모든 방향에서 동일한 속도를 갖습니다.^[9]^{: 7–8} 진공을 통해 전파되지 않는 한 열복사는 에너지가 산란됨에 따라 시간이 지남에 따라 붕괴됩니다.

산란은 원자 구조에서 발생하는 모든 매질에 불연속성이 존재하기 때문에 발생합니다. 산란의 예로는 태양의 열복사가 지구 대기권에 진입한 후 산란되는 경우를 들 수 있습니다. 정오의 맑은 날에는 이 방사선의 3분의 2 정도만 실제로 표면에 도달합니다. 나머지는 공기 중의 입자에 의해 가로채여 그 과정에서 열로 바뀝니다. 파장이 짧은 광선의 경우 산란이 눈에 띄게 크므로 하늘빛의 파란색입니다.

흡수.

흡수라는 용어는 열이 입자나 신체와 접촉할 때 다른 형태의 에너지로 변화하는 것을 설명하는 데 사용됩니다.^[9]^{: 11} 열선은 물질 입자만 흡수할 수 있고 표면의 원소는 흡수할 수 없습니다. 주어진 복사 주파수에 대해 모든 매체는 흡수 계수 $\alpha$ $\alpha$ 를 가지며, 이는 $\alpha$ 매체를 통해 단위 거리당 얼마나 많은 열을 흡수할 것인지를 나타냅니다.

호혜성

주어진 주파수에서 방출되는 전자기 방사선의 속도는 소스가 경험하는 흡수량에 비례하며, 이는 상호성으로 알려진 특성입니다. 따라서 더 많은 붉은 빛을 흡수하는 표면은 더 많은 붉은 빛을 열복사시킵니다. 이 원리는 파장(색), 방향, 편광, 심지어 일관성을 포함한 파동의 모든 특성에 적용됩니다. 따라서 편광, 일관성 및 방향성이 있는 열복사를 가질 수 있습니다. 편광 및 일관성 있는 형태는 본질적으로 소스에서 멀리 떨어진 경우가 상당히 드물지만(파장 측면에서).

빈도수.

열화상 이미지(위)와 일반 사진(아래)을 비교합니다. 비닐봉지는 대부분 투명에서 장파장 적외선이지만 남성의 안경은 불투명합니다.
어떤 온도에서도 신체가 방출하는 열복사는 광범위한 주파수로 구성되어 있습니다. 주파수 분포는 상단의 다이어그램과 같이 이상화된 방출기에 대한 플랑크의 흑체 복사 법칙에 의해 제공됩니다.
방출되는 방사선의 지배적인 주파수(또는 색상) 범위는 방출기의 온도가 증가함에 따라 더 높은 주파수로 이동합니다. 예를 들어, 빨간색의 뜨거운 물체는 주로 가시 대역의 긴 파장(빨간색과 주황색)에서 방사됩니다. 이것이 더 가열되면, 그것은 또한 눈에 띄는 녹색과 청색의 빛을 방출하기 시작하고, 가시광선 영역 전체에서 진동수가 퍼져 인간의 눈에는 하얗게 보이고, 그것은 흰색으로 덥습니다. 2000K의 백색으로 뜨거운 온도에서도 방사선 에너지의 99%는 여전히 적외선에 있습니다. 이것은 빈의 변위 법칙에 의해 결정됩니다. 그림에서 각 곡선의 피크 값은 온도가 증가함에 따라 왼쪽으로 이동합니다.

블랙 바디 열방사체의 눈에 대한 주관적인 색상
°C(°F)	주관색^[10]
480 °C (896 °F)	희미한 붉은 빛
580 °C (1,076 °F)	검붉은색
730 °C (1,350 °F)	선홍색, 약간 오렌지색
930 °C (1,710 °F)	밝은 오렌지색
1,100 °C (2,010 °F)	옅은 황갈색의 오렌지색
1,300 °C (2,370 °F)	황백색
> 1,400 °C (2,550 °F)	흰색(대기 중 멀리서 보면 yellowish)

온도

흑체의 총 복사 강도는 슈테판-볼츠만 법칙에 의해 표현되는 절대 온도의 네 번째 거듭제곱으로 증가합니다. 절대 온도 척도(600K 대 300K)의 약 두 배의 상온에서 주방 오븐은 단위 면적당 16배의 전력을 방출합니다. 백열 전구의 필라멘트 온도에 있는 물체(약 3000K, 즉 실온의 10배)는 단위 면적당 10,000배의 에너지를 복사합니다.

광자 통계의 경우 열광은 슈퍼 푸아송 통계를 따릅니다.

기본원칙

열 복사는 열 전달의 세 가지 주요 메커니즘 중 하나입니다. 물체의 온도로 인한 전자기 방사선 스펙트럼의 방출을 수반합니다. 다른 메커니즘은 대류와 전도입니다.

전자파

열복사는 매질이 필요 없고 사실상 진공 상태에서 최대 효율에 도달한다는 점에서 전도 및 대류와 특징적으로 다릅니다. 열복사는 종종 파동의 전파에 의해 모델링되는 전자기 방사선의 한 종류입니다. 이 파동들은 주파수의 표준 파동 특성을 갖는데, $\nu$ ν ${\displaystyle$ \n $u}$ 및 wavelength, 식으로 연관된 $\lambda$ $λ$ ${\displaystyle$ \ $lambda$ }

\lambda ={\frac {c}{\nu }}

c

서 c

c

는

c

매질의 빛의 속도입니다.^[11]^{: 769}

조사

열 조사는 단위 면적당 표면에 방사선이 입사하는 속도입니다.^[11]^{: 771} 제곱미터당 와트 단위로 측정됩니다. 조사는 반사, 흡수 또는 전송이 가능합니다. 조사의 구성 요소는 다음 식으로 특징지을 수 있습니다.

\alpha +\rho +\tau =1\,

$\alpha \,$ 서 α $\alpha \,$ 는 흡수율, $\rho \,$ ρ ${\displaystyle$ \rho \,} $\tau \,$ 및 τ ${\displaystyle$ \tau \,} 투과율을 나타냅니다. 이러한 구성 요소는 전자파의 파장과 매질의 재료 특성의 함수입니다.

흡수성과 방사성

스펙트럼 흡수는 방사율 $\epsilon$ ϵ ${\displaystyle$ $\epsilon$ epsilon}과 같습니다. 이 관계는 키르히호프의 열복사 법칙으로 알려져 있습니다. 물체가 모든 진동수에 대해 성립할 경우 물체를 흑체라고 하며, 다음 공식이 적용됩니다.

\alpha =\epsilon = 1.\,

가시광선 및 적외선에서 두 가지 페인트와 미러링된 표면의 스펙트럼 반응. 나사에서.

물체가 흰색(시각 스펙트럼에서 반사)으로 보이는 경우 열 적외선에서 반드시 동일하게 반사(따라서 비방사)되는 것은 아닙니다. 왼쪽 그림을 참조하십시오. 대부분의 가정용 라디에이터는 흰색으로 칠해져 있는데, 이는 상당한 양의 열을 방출할 정도로 뜨겁지 않고 열방사기로 전혀 설계되지 않았다는 점을 감안할 때 합리적입니다. 대신 실제로는 대류기이며 매트 블랙으로 칠해도 효과에 거의 차이가 없습니다. 아크릴 및 우레탄 기반 흰색 페인트는 실온에서^[12] 93%의 흑체 복사 효율을 갖습니다("흑체"라는 용어가 항상 물체의 시각적으로 인식되는 색상과 일치하지는 않음). "검은색 = 높은 방사율/흡수율" 주의 사항을 따르지 않는 이러한 물질은 기능적인 스펙트럼 방사율/흡수율 의존성을 가질 가능성이 높습니다.

Stefan-Boltzmann 법칙을 통해 진정한 회색 시스템(상대적으로 동등한 방사율/흡수율 및 고려된 모든 제어 체적체에서 방향 투과율 의존성 없음)만이 합리적인 정상 상태 열 플럭스 추정치를 달성할 수 있습니다. 이러한 "이상적으로 계산 가능한" 상황에 직면하는 것은 거의 불가능합니다(일반적인 엔지니어링 절차는 이러한 알려지지 않은 변수의 종속성을 포기하고 이러한 경우를 가정합니다). 낙관적으로 보면, Stefan-Boltzmann 솔루션과의 대부분의 차이가 매우 작기 때문에 이러한 "회색" 근사치는 실제 솔루션에 가까울 것입니다(특히 대부분의 표준 온도 및 압력 랩 제어 환경에서).

반사율

반사율은 본질적으로 양방향이라는 점에서 다른 속성과 벗어납니다. 즉, 이 성질은 반사 방향뿐만 아니라 방사선의 입사 방향에 따라 달라집니다. 따라서 특정 방향으로 실제 표면에 입사하는 방사선 스펙트럼의 반사 광선은 쉽게 예측할 수 없는 불규칙한 모양을 형성합니다. 실제로 표면은 종종 완벽하게 정반사 또는 확산 방식으로 반사되는 것으로 가정됩니다. 정반사에서는 반사각과 입사각이 같습니다. 확산 반사에서는 방사선이 모든 방향에서 동일하게 반사됩니다. 매끄럽고 연마된 표면에서의 반사는 정반사라고 가정할 수 있는 반면 거친 표면에서의 반사는 확산 반사에 근접합니다.^[6] 방사선 분석에서 표면 거칠기의 높이가 입사 방사선의 파장에 비해 훨씬 작으면 표면이 매끄러운 것으로 정의됩니다.

투과율

전송이 발생하지 않는 매체(τ = $0 {\displaystyle$ \tau =0})는 불투명하며, 이 경우 흡수율과 반사율이 합하여 통일성을 나타냅니다.

\rho +\alpha = 1.

방사선 강도

표면에서 방출되는 방사선은 표면에서 모든 방향으로 전파될 수 있습니다.^[11]^{: 773} 조사는 또한 모든 방향에서 표면에 입사할 수 있습니다. 따라서 표면의 조사량은 이미터와 수신기의 상대적인 방향에 따라 달라집니다. 매개변수 방사선 강도는 방사선이 한 표면에서 다른 표면으로 얼마나 많은 양을 만드는지 정량화하는 데 사용됩니다.

방사선 강도는 종종 구형 좌표계를 사용하여 모델링됩니다.^[11]^{: 773}

흑체복사

"흑체"는 표면 반사 없이 모든 입사 광선이 들어오도록 하고 다시는 나가지 못하도록 하는 성질을 가진 물체입니다.^[13]

블랙바디는 완벽한 흡수체 및 방출체 역할을 하는 이상적인 표면입니다.^[11]^{: 782–783} 열복사를 특성화할 때 실제 표면을 비교하는 표준 역할을 합니다. 흑체는 세 가지 특징으로 정의됩니다.

흑체는 파장과 방향에 관계없이 모든 입사 방사선을 흡수합니다.
어떤 표면도 주어진 온도와 파장에서 흑체보다 더 많은 에너지를 방출할 수 없습니다.
흑체는 확산 방출체입니다.

플랑크 분포

흑체의 스펙트럼 강도는 막스 플랑크가 처음 측정했습니다.^[9] 흑체의 입체각 단위당 방사면의 단위 면적당 직교 방향의 열복사력은 플랑크 법칙에 의해 다음과 같이 주어집니다.

플랑크 법칙
단위 주파수당 $\nu$ ν ${\displaystyle$ \n $u }$	단위 파장당 $\lambda$ λ ${\displaystyle$ \lambda}
$u(\n)u ,T)={\frac {2h\nu ^{3}}{c^{2}}}\cdot {\frac {1}{e^{h\nu /k_{\rm {B}}-1}$	$u(\lambda,T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}\cdot {1}{e^{hc/k_{\rm {B}}T\lambda }-1}$

이 공식은 복사 물체와 완전한 열 평형에 있는 양자화된 전자기장의 에너지 스펙트럼 분포 계산에서 수학적으로 따릅니다. 플랑크의 법칙은 복사 에너지가 온도에 따라 증가한다는 것을 보여주고, 방출 스펙트럼의 정점이 더 높은 온도에서 더 짧은 파장으로 이동하는 이유를 설명합니다. 또한 더 짧은 파장에서 방출되는 에너지는 더 긴 파장에 비해 온도에 따라 더 빠르게 증가한다는 것을 알 수 있습니다.^[14] 방정식은 반구 영역에서 가능한 모든 주파수에 대한 무한 합으로 유도됩니다. 에너지 $E=h\nu$ = $E=h\nu$ ν {\ $displaystyle$ E=h\n $u$ $E=h\nu$ 각 광자에 해당 주파수에서 사용 가능한 상태 수와 해당 상태가 점유될 확률을 곱한 값입니다.

슈테판-볼츠만 법칙

ν ${\displaystyle$ \n에 위 식을 통합합니다. $u}$ 슈테판-볼츠만 법칙에 의해 주어진 출력은 $\nu$ 다음과 같이 얻어집니다.

P=\sigma AT^{4

여기서 비례 $\sigma$ σ 상수 ${\displaystyle$ \sigma}는 Stefan-Boltzman $상수$ 이고 $A{\displaystyle$ A}는 방사 표면적입니다.

빈의 변위 법칙

방출 강도가 가장 높은 파장 $\lambda \,$ λ ${\displaystyle$ $\lambda \,$ lambda \,}는 빈의 변위 법칙에 의해 다음과 같이 주어집니다.

\lambda _{\text{max}}={\frac {b}{T}}

흑체가 아닌 표면의 경우 (일반적으로 주파수에 의존하는) 방사율 계수 $\epsilon (\nu )$ ϵ(ν) {\ $displaystyle$ \epsilon(\n) $u )$ 이 인자는 통합하기 전에 방사선 스펙트럼 공식과 곱해야 합니다. 상수로 간주되는 경우 전력 출력에 대한 결과 공식은 $\epsilon$ ϵ ${\displaystyle$ \epsilon}을(를) 요인으로 포함하는 방식으로 작성될 수 있습니다.

P=\epsilon \sigma AT^{4

완벽한 흑체보다 주파수에 독립적인 방사율이 낮은 이러한 유형의 이론적 모델은 종종 회색체로 알려져 있습니다. 주파수 의존 방사율의 경우, 통합 전력에 대한 해결책은 의존성의 함수 형태에 따라 달라지지만, 일반적으로 그것에 대한 간단한 표현은 없습니다. 실제로 피크 방출 파장을 중심으로 몸체의 방사율이 대략 일정하다면, 피크 방출 파장을 중심으로 곡선의 무게가 적분을 지배하는 경향이 있기 때문에 회색 몸체 모델이 상당히 잘 작동하는 경향이 있습니다.

상수

위 식에 사용된 상수의 정의:

기호.	상수명	SI 단위의 값
$h\,$	플랑크 상수	6.626 069 3(11)×10⁻³⁴ J·s
$b\,$	빈 변위 상수	2.897 768 5(51)×10⁻³ m·K
$k_{\rm {B}}\,$	볼츠만 상수	1.380 650 5(24)×10⁻²³ J·K⁻¹
$\sigma \,$	슈테판-볼츠만 상수	5.670 373 (21)×10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴
$c\,$	광속	299 792 458 m·s⁻¹

변수

변수의 정의(예: 값 포함):

$T$	절대온도	위에 사용된 장치의 경우 켈빈 단위여야 합니다(예: 지구의 평균 표면 온도 = 288K).
${\display style A}$	표면적	A_cuboid = 2ab + 2bc + 2ac; A = 2 π · r(h + r); A = 4 π·r

표면간 열전달

'공동' 또는 '주변'을 포함한 물체 그룹 간의 복사 열 전달을 계산하려면 복사성 방법을 사용하여 일련의 동시 방정식을 해결해야 합니다. 이러한 계산에서 문제의 기하학적 구성은 뷰 팩터(view factor)라고 하는 일련의 숫자로 증류되며, 이는 다른 특정 표면에 부딪히는 특정 표면을 남기는 방사선의 비율을 제공합니다. 이러한 계산은 태양열 에너지, 보일러 및 용광로 설계 및 광선 추적 컴퓨터 그래픽 분야에서 중요합니다.

한 표면에서 다른 표면으로의 순 복사열 전달은 첫 번째 표면을 떠나는 복사열에서 두 번째 표면에서 도착하는 복사열을 뺀 값입니다.

흑체의 경우 표면 1에서 표면 2로의 에너지 전달 속도는 다음과 같습니다.
${\dot {Q}_{1\오른쪽 화살표 2}=A_{1}E_{b1}F_{1\rightarrow 2}-A_{2}E_{b2}F_{2\rightarrow 1}$

$A$ 서 $A$ 는 표면적이고, $E_{b}$ $E_{b$ 는 에너지 플럭스(단위 표면적당 방출 속도)이며, $F_{1\rightarrow 2}$ → $F_{1\rightarrow 2}$ $F_{1\rightarrow 2$ 는 표면 1에서 표면 2까지의 뷰 팩터입니다. 뷰 팩터에 대한 상호성 규칙을 모두 적용하면 $A_{1}F_{1\rightarrow 2}=A_{2}F_{2\rightarrow 1}$ 1 $A_{1}F_{1\rightarrow 2}=A_{2}F_{2\rightarrow 1}$ $A_{1}F_{1\rightarrow 2}=A_{2}F_{2\rightarrow 1}$ → 2 = $A_{1}F_{1\rightarrow 2}=A_{2}F_{2\rightarrow 1}$ $A_{1}F_{1\rightarrow 2}=A_{2}F_{2\rightarrow 1}$ → 1 ${\displaystyle A_{1}F_{1\오른쪽$ 화살표 $2}$ = $A_{2}$ $F_{2\오른쪽$ 화살표 $1}$ 및 슈테판-볼츠만 법칙, $E_{b}=\sigma T^{4}$ $=$ $E_{b}=\sigma T^{4}$ $σ$ $T4$ {\ $displaystyle E_$ {b $}$ $=$ $\sigma$ T^{4}}는 다음과 같은 결과를 산출합니다.

${\dot {Q}_{1\rightarrow 2}=\sigma A_{1}F_{1\rightarrow 2}\left(T_{1}^{4}-T_{2}^{4}\right)$
여기서 $\sigma$ σ ${\displaystyle$ \sigma}는 Stefan-Boltzman $상수$ 이고 T ${\displaystyle$ T}는 온도입니다. $Q$ ˙ {\ $displaystyle {\$ dot {Q}}에 대한 음의 값은 표면 2에서 표면 1로 순 복사 열 전달이 됨을 나타냅니다.
인클로저를 형성하는 두 개의 회색 몸체 표면의 경우 열 전달 속도는 다음과 같습니다.
${\dot {Q}={\frac {\left(T_{1}^{4}-T_{2}^{4}\right)}}{\displaystyle {\frac {1-\epsilon _{1}}\epsilon _{1}}+{\frac {1}F_{1\rightarrow 2}}+{\frac {1-\epsilon _{2}}{A_{2}\epsilon _{2}}}}+{\frac {1-\epsilon _{2}}$
여기서 $\epsilon _{1}$ ϵ 1 ${\displaystyle$ \ $epsilon$ _{ $\epsilon _{2}$ }} $\epsilon _{2}$ 및 ϵ 2 {\ $displaystyle \$ epsilon _{2}}는 표면의 방사율입니다.

복사열 전달 공식은 평행한 플레이트, 동심구 및 실린더 내부 표면 사이와 같은 보다 구체적이거나 정교한 물리적 배열을 위해 도출될 수 있습니다.^[15]

적용들

전자파 방사선이 방출되고 흡수될 때마다 열이 전달됩니다. 이 원리는 전자레인지, 레이저 절단, RF 제모에 사용됩니다.

백열전구

백열 전구는 태양과 지구의 흑체 스펙트럼과 중첩되는 스펙트럼을 가지고 있습니다. 텅스텐 전구 필라멘트가 3000K에서 방출하는 광자 중 일부는 가시 스펙트럼에 있습니다. 에너지의 대부분은 더 긴 파장의 광자와 관련이 있습니다. 이것들은 사람이 보는 데 도움이 되지 않지만, 백열 전구를 관찰함으로써 경험적으로 추론할 수 있는 것처럼 여전히 열을 환경으로 전달합니다.

태양에너지

집광기

열복사는 반사거울을 통해 작은 곳에 집중될 수 있으며, 이를 통해 태양열을 집중시킬 수 있습니다. 거울 대신 프레넬 렌즈를 사용하여 복사 에너지를 집중시킬 수도 있습니다. 원칙적으로 모든 종류의 렌즈를 사용할 수 있지만 매우 큰 렌즈에는 프레넬 렌즈 디자인만 실용적입니다. 두 가지 방법 모두 햇빛을 사용하여 물을 증기로 빠르게 기화시키는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 거울에서 반사된 햇빛은 PS10 태양열 발전소를 가열하고, 낮에는 물을 285°C(558K; 545°F)까지 가열할 수 있습니다.

컬렉터스

태양에서 에너지를 추출할 때 선택적인 표면을 사용할 수 있습니다. 태양열 집열기에도 선택적인 표면을 사용할 수 있습니다. 태양 복사를 통해 가열되고 있는 판의 평형 온도를 보면 선택적 표면 코팅이 얼마나 도움이 되는지 알 수 있습니다. 플레이트가 태양으로부터 1350 W/m²(7월 4일 최소는 1325 W/m², 1월 3일 최대는 1418 W/m²)의 태양 조사를 받는 경우, 플레이트가 받는 방사선과 동일한 방사선이 나오는 플레이트의 온도는 393 K(248 °F)입니다. 플레이트가 0.9의 방사율과 2.0 μm의 차단 파장을 갖는 선택적 표면을 갖는 경우, 평형 온도는 약 1250 K(1790 °F)입니다. 대류 열 전달을 무시하고 구름/대기에서 흡수되는 태양 조사를 무시하는 계산이 이루어졌지만, 실제 문제에 대해서는 이론이 여전히 동일합니다.

개인 맞춤형 냉방

개인 맞춤형 냉각 기술은 광학 스펙트럼 선택성이 유용할 수 있는 응용 분야의 한 예입니다. 기존의 개인 냉각은 일반적으로 열 전도 및 대류를 통해 이루어집니다. 그러나 인체는 적외선 복사의 매우 효율적인 방출체이며, 이는 추가적인 냉각 메커니즘을 제공합니다. 대부분의 기존 직물은 적외선 복사에 불투명하며 신체에서 환경으로의 열 방출을 차단합니다. 적외선 투과가 의류를 직접 통과하는 동시에 가시 파장에서 불투명하여 착용자가 더 시원하게 유지될 수 있도록 하는 개인화된 냉각 응용을 위한 직물이 제안되었습니다.

창문들

집의 저방사능 창문은 가시광선에 투명하면서 열 파장에서 저방사능을 가져야 하기 때문에 더 복잡한 기술입니다. 유리 창과 같은 표면으로부터의 열 전달을 줄이기 위해, 표면의 내부에 낮은 방사율 코팅을 갖는 투명 반사 필름을 배치할 수 있습니다. "저발광(low-E) 코팅은 주로 복사열 흐름을 억제하여 U-인자를 줄이기 위해 창문이나 하늘빛 글레이징 표면에 증착된 미세하게 얇고 사실상 보이지 않는 금속 또는 금속 산화물 층입니다."^[16] 이 코팅을 추가함으로써 우리는 창문을 떠나는 방사선의 양을 제한하여 창문 내부에 남아 있는 열의 양을 증가시킬 수 있습니다.

우주선

반짝이는 금속 표면은 가시광선 파장과 원적외선 모두에서 방사율이 낮습니다. 이러한 표면은 양방향 열 전달을 줄이기 위해 사용될 수 있습니다. 그 예로 우주선을 단열하는 데 사용되는 다층 단열재가 있습니다.

열복사를 포함한 모든 전자기 방사선은 에너지뿐만 아니라 운동량을 전달하기 때문에, 열복사는 또한 매우 작은 힘을 복사하거나 흡수하는 물체에 유도합니다. 일반적으로 이러한 힘은 무시할 수 있지만 우주선 항해를 고려할 때 고려해야 합니다. 우주선의 움직임이 중력만으로 예상했던 것에서 약간 벗어난 파이오니어 변칙은 결국 우주선의 비대칭 열복사로 추적되었습니다. 마찬가지로 소행성의 궤도는 교란되는데, 이는 소행성이 태양을 향하는 쪽에서 태양 복사를 흡수하지만, 소행성의 회전이 태양의 시야 밖으로 따뜻한 표면을 운반하면서 에너지를 다른 각도로 다시 방출하기 때문입니다(YORP 효과).

나노구조물

스펙트럼 선택적 열 방출 특성을 갖는 나노 구조는 에너지 생성 및 효율을 위한 수많은 기술 응용,^[17] 예를 들어 광전지 및 건물의 주간 복사 냉각을 제공합니다. 이러한 애플리케이션은 8~13미크론 파장 범위의 대기 투명도 윈도우에 해당하는 주파수 범위에서 높은 방사율을 필요로 합니다. 따라서 이 범위에서 강하게 방사되는 선택적 방사체는 맑은 하늘에 노출되어 외부 공간을 매우 낮은 온도의 방열판으로 사용할 수 있습니다.^[18]

건강 및 안전

대사온도조절

실용적인 상온 환경에서 인간은 적외선 열복사에 의해 상당한 에너지를 잃고, 공기로의 전도에 의해 손실되는 에너지 외에도 (동시 대류 또는 외풍과 같은 다른 공기의 움직임에 의해) 손실됩니다. 손실된 열 에너지는 벽이나 다른 주변의 열 복사를 흡수함으로써 부분적으로 회복됩니다. 인간의 피부는 방사율이 1.0에 가깝습니다.^[19] 표면적이 약 2 m이고² 온도가 약 307 K인 사람은 약 1000 W를 지속적으로 방사합니다. 사람들이 296K의 표면으로 둘러싸인 실내에 있다면 벽, 천장 및 기타 주변 환경에서 약 900W를 돌려받으므로 100W의 순손실이 발생합니다. 이러한 추정치는 옷을 입는 것과 같은 외재적 변수에 크게 의존합니다.

밝은 색상과 흰색 및 금속 물질은 조명 빛을 덜 흡수하고 결과적으로 가열이 줄어듭니다. 그러나 색은 일상적인 온도의 물체와 주변 환경 사이의 열 전달에 거의 차이가 없습니다. 지배적으로 방출되는 파장은 가시광선 스펙트럼이 아니라 적외선이기 때문입니다. 이러한 파장에서의 방사율은 시각적 방사율(가시색)과 크게 관련이 없으며, 원적외선에서는 대부분의 물체가 높은 방사율을 갖습니다. 따라서 햇빛을 제외하고는 옷의 색이 따뜻함에 있어서 거의 차이가 없습니다. 마찬가지로 집의 페인트 색은 칠한 부분이 햇빛을 쬐는 것을 제외하고는 따뜻함에 거의 차이가 없습니다.

번즈

열복사는 피부를 태우고 인화성 물질에 불을 붙일 수 있는 현상입니다. 열복사 노출로 인한 피해 시간은 열 전달 속도의 함수입니다. 복사열 플럭스 및 효과는 다음과 같이 제공됩니다.^[20]

kW/m²	영향
170	플래시 오버 후 구획에서 측정된 최대 플럭스
80	개인보호장비의 열보호 성능시험
52	파이버 보드는 5초에 점화됩니다.
29	시간이 주어지면 나무가 점화됩니다.
20	일반적인 주거용 방의 층별 플래시오버 시작
16	사람 피부 : 5초 후 갑작스런 통증과 2도 화상 물집
12.5	목재는 열분해에 의해 점화 가능한 휘발성 물질을 생성합니다.
10.4	인체피부 : 3초 후 통증, 9초 후 2도 화상 물집
6.4	사람 피부 : 18초 후 2도 화상 물집
4.5	사람 피부 : 30초 후 2도 화상 물집
2.5	인체 피부 : 장시간 노출 후 화상, 일반적으로 소방 시 발생하는 복사 플럭스 노출
1.4	햇빛, 잠재적으로 30분 이내에 햇볕에 그을립니다. 햇볕에 타는 것은 열 화상이 아닙니다. 자외선으로 인한 세포 손상으로 발생합니다.

현재 연구개발

근거리 열전달

플랑크 법칙에 의해 설명되는 열복사의 일반적인 특성은 고려되는 모든 부품의 선형 치수와 모든 표면의 곡률 반경이 고려되는 광선의 파장에 비해 큰 경우에 적용됩니다.' 실제로 위에서 설명한 열복사는 방사파(원거리 또는 전자기 복사)만을 고려합니다. 열원 또는 표면에서 더 작은 거리(근거리 복사열 전달)에 대해서는 전자기 이론을 포함하는 보다 정교한 프레임워크를 사용해야 합니다. 예를 들어, 하나 이상의 파장의 표면들로부터의 거리들에서의 원거리 열복사가 일반적으로 어떤 정도로 일관성이 없지만, 근거리 열복사(즉, 다양한 방사선 파장들의 일부분의 거리들에서의 방사선)는 시간적 및 공간적 일관성 둘 다의 정도를 나타낼 수 있습니다.^[21]

플랑크의 열복사 법칙은 최근 수십 년 동안 법칙 예측에서 크게 벗어나는 나노 스케일 간격으로 분리된 물체 사이의 복사열 전달에 대한 예측과 성공적인 입증으로 인해 도전을 받았습니다. 이 편차는 에미터와 흡수체가 차가운 물체와 뜨거운 물체를 분리하는 틈을 통해 결합할 수 있는 표면 폴라리톤 모드를 지원할 때 특히 강합니다(최대 몇 배 크기). 그러나 표면-폴라리톤 매개 근거리 복사 열 전달을 이용하려면 마이크로미터 또는 나노미터 정도의 초좁은 간격으로 두 물체를 분리해야 합니다. 이러한 제한은 실용적인 장치 설계를 상당히 복잡하게 만듭니다.

물체 열 방출 스펙트럼을 수정하는 또 다른 방법은 이미터 자체의 차원을 줄이는 것입니다.^[17] 이 접근법은 양자 우물, 전선 및 점에 전자를 가두는 개념을 기반으로 하며, 우물, 전선 및 점을 포함한 2차원 및 3차원 포텐셜 트랩에서 제한된 광자 상태를 설계하여 열 방출을 조정합니다. 이러한 공간적 제약은 광자 상태를 집중시키고 선택된 주파수에서 열 방출을 향상시킵니다.^[22] 필요한 광자 구속 수준을 달성하려면 방사하는 물체의 크기가 플랑크 법칙이 예측한 열 파장 정도 또는 그 이하여야 합니다. 가장 중요한 것은 열 우물, 전선 및 점의 방출 스펙트럼이 가까운 분야뿐만 아니라 먼 분야에서도 플랑크의 법칙 예측에서 벗어나 적용 범위가 크게 확장된다는 것입니다.

참고 항목

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추가읽기

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외부 링크

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