열 방사 온도와 기관 적외선 전자기 스펙트럼의 파장에 의해 전달 된 에너지이다. 예외없이 모든 신체는 온도가 아무리 낮아도 일부 적외선을 방출합니다.
가속 운동을 할 때 전하를 띤 입자가 진동하고 운동 에너지 덕분에 지속적으로 전자파를 방출합니다.
그림 1. 우리는 실제로 열 에너지의 주요 원천 인 태양에서 나오는 열 복사에 대해 잘 알고 있습니다. 출처 : Pxhere.
신체가 열 복사를 방출하지 않는 유일한 방법은 입자가 완전히 정지하는 것입니다. 이런 식으로 온도는 켈빈 눈금에서 0이 될 것이지만 물체의 온도를 그러한 지점으로 낮추는 것은 아직 달성되지 않은 것입니다.
열 복사 속성
이 열 전달 메커니즘을 다른 것과 구별하는 놀라운 특성은 그것을 생산하기 위해 재료 매체가 필요하지 않다는 것입니다. 예를 들어, 태양에서 방출되는 에너지는 우주를 통해 1 억 5 천만 킬로미터를 이동하고 지속적으로 지구에 도달합니다.
물체가 방출하는 단위 시간당 열 에너지의 양을 알 수있는 수학적 모델이 있습니다.
이 방정식은 Stefan의 법칙으로 알려져 있으며 다음과 같은 양이 나타납니다.
- 단위 시간당 열 에너지 P. 전력이라고하며 국제 단위계에서 단위는 와트 또는 와트 (W)입니다.
- 열 A를 방출하는 물체의 표면적 ( 평방 미터).
-σ로 표시되고 값이 5.66963 x10 -8 W / m 2 K 4 인 Stefan-Boltzman 상수 라고하는 상수 ,
- 물체의 방사율 ( 방사율 이라고도 함) 및 값이 0과 1 사이 인 무 차원 양 (단위 없음) 재료의 특성과 관련이 있습니다. 이러한 거울은 방사율이 낮은 반면 매우 어두운 물체는 높은 방사율.
-그리고 마지막으로 온도 T (켈빈).
열 복사의 예
스테판의 법칙에 따르면 물체가 에너지를 방출하는 속도는 면적, 방사율 및 온도의 4 제곱에 비례합니다.
열 에너지의 방출 속도는 T의 4 제곱에 따라 다르기 때문에 온도의 작은 변화가 방출되는 복사에 큰 영향을 미칠 것임이 분명합니다. 예를 들어, 온도가 두 배가되면 방사선은 16 배 증가합니다.
스테판의 법칙의 특별한 경우는 완전 방사체입니다. 흑체라고하는 완전히 불투명 한 물체는 방사율이 정확히 1입니다.이 경우 스테판의 법칙은 다음과 같습니다.
스테판의 법칙은 방사율을 상수로 간주하기 때문에 모든 물체에서 방출되는 복사를 대략적으로 설명하는 수학적 모델입니다. 방사율은 실제로 방출 된 방사선의 파장, 표면 마감 및 기타 요인에 따라 달라집니다.
e가 상수로 간주되고 스테판의 법칙이 처음에 표시된대로 적용되면 대상을 회색 몸체라고합니다.
회색 체로 취급되는 일부 물질의 방사율 값은 다음과 같습니다.
-광택 알루미늄 0.05
-블랙 카본 0.95
-모든 색상의 인간 피부 0.97
-나무 0.91
-얼음 0.92
-물 0.91
-0.015에서 0.025 사이의 구리
-0.06에서 0.25 사이의 강철
태양의 열 복사
열 복사를 방출하는 물체의 실체적인 예는 태양입니다. 1 초마다 전자기 복사 형태의 약 1,370J의 에너지가 태양으로부터 지구에 도달하는 것으로 추정됩니다.
이 값을 태양 상수라고하며 각 행성에는 태양과의 평균 거리에 따라 달라집니다.
이 복사 는 대기층의 각 m 2 를 수직으로 통과하며 서로 다른 파장으로 분포됩니다.
거의 모든 것이 가시광 선의 형태로 나오지만 좋은 부분은 적외선으로 나옵니다. 바로 우리가 열로 인식하고 일부는 자외선으로 인식합니다. 그것은 그것을 포착하고 적절하게 사용하기 위해 행성의 요구를 충족시키기에 충분한 양의 에너지입니다.
파장과 관련하여 지구에 도달하는 태양 복사가 발견되는 범위는 다음과 같습니다.
- 적외선 , 우리가 열로 인식하는 것 : 100-0.7 μm *
- 가시 광선 , 0.7-0.4 μm
- 자외선 , 0.4μm 미만
* 1μm = 1 마이크로 미터 또는 100 만분의 1 미터.
빈의 법칙
아래 이미지는 다양한 온도에서 파장에 따른 복사 분포를 보여줍니다. 분포는 Wien의 변위 법칙을 따르며, 이에 따라 최대 복사 λ max 의 파장은 켈빈 온도 T에 반비례합니다.
λ 최대 T = 2.898. 10 -3 m⋅K
그림 2. 흑체에 대한 파장 함수로서의 복사 그래프. 출처 : Wikimedia Commons.
태양은 표면 온도가 약 5,700K이고 우리가 본 것처럼 주로 더 짧은 파장에서 방출합니다. 태양의 곡선에 가장 가까운 곡선은 5000K의 곡선이며 파란색으로 표시되며 가시 광선 범위에서 최대 값을가집니다. 그러나 그것은 또한 적외선과 자외선에서 좋은 부분을 방출합니다.
열 복사의 응용
태양 에너지
태양이 방출하는 많은 양의 에너지는 수집기라는 장치에 저장되어 나중에이를 변환하여 전기 에너지로 편리하게 사용할 수 있습니다.
적외선 카메라
이름에서 알 수 있듯이 일반 카메라처럼 가시 광선 대신 적외선 영역에서 작동하는 카메라입니다. 그들은 모든 신체가 온도에 따라 더 많거나 적은 정도로 열 복사를 방출한다는 사실을 이용합니다.
그림 3. 적외선 카메라로 캡처 한 개의 이미지. 원래 밝은 영역은 온도가 가장 높은 영역을 나타냅니다. 해석을 용이하게하기 위해 가공 과정에서 추가되는 색상은 동물의 신체 온도를 다르게 나타냅니다. 출처 : Wikimedia Commons.
고온 측정법
온도가 매우 높으면 수은 온도계로 측정하는 것이 최선의 선택이 아닙니다. 이를 위해 전자기 신호의 방출 덕분에 물체의 방사율을 알면서 물체의 온도를 추론하는 고온계가 선호됩니다.
천문학
Starlight는 전체 우주뿐만 아니라 흑체 근사치로 매우 잘 모델링되었습니다. 그리고 그 부분에서 빈의 법칙은 별이 방출하는 빛의 파장에 따라 별의 온도를 결정하기 위해 천문학에서 자주 사용됩니다.
군사 산업
미사일은 예를 들어 엔진과 같은 항공기에서 가장 뜨거운 영역을 감지하는 적외선 신호를 사용하여 표적을 겨냥합니다.
참고 문헌
- Giambattista, A. 2010. 물리학. 2 위. Ed. McGraw Hill.
- Gómez, E. 전도, 대류 및 복사. 출처 : eltamiz.com.
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- Serway, R. 물리학 및 공학. 1 권. Ed. Cengage Learning.