귀여운 촌아의 작은상자

복사 [radiation, 輻射]

열의 이동 방법인 전도, 대류, 복사 중 복사의 형태로 열이 전달되는 현상이다. 물질 내부에 있는 원자나 분자가 전기적 특성(전자의 에너지 준위)이 변하면서 전자기파(electro-magnetic wave) 또는 광자(photon)의 형태로 방출되는 에너지이다. 이때 방출된 전자기파는 전도나 대류와 달리 중간 매개체가 필요 없으며 광속으로 전달된다.

열전달에서는 온도에 의해서 물체가 열을 복사형태로 방출하는 열복사(Themal radiation)에 대해 다룬다.

열복사의 세기는 물체의 종류와 온도에 따라서 결정되는데, 온도가 높을수록 커진다. 그러므로 고온인 물체 부근에 저온인 물체가 있으면 저온 물체가 복사선의 일부를 흡수하여 열로 변한다. 이 열을 복사열 또는 방사열이라 한다. 난로 등의 발열체에 손을 가까이 대면 주위 공기가 따뜻하지 않아도 손이 더워지는 것은 이 때문이다. 복사에 의한 열의 전달방식은 대류나 열전도와 달라서, 주위에 열을 중개하는 물질 없이도 빛과 동일한 속도로 순간적으로 고온체로부터 저온체로 열이 전달된다. 또 빛과 마찬가지로 반사판으로 열의 방향을 바꿀 수 있는 특성이 있다. [네이버 지식백과] 열복사 [thermal radiation, 熱輻射] (두산백과)

즉, 절대온도 0K이상의 모든 고체, 액체, 기체는 온도에 따라 복사열을 방출하고 흡수하거나 통과시킨다. 또한 복사는 온도를 가지고 있는 모든 물체에서 일어나므로 체적현상(Volumetric phenomenon)이다. 하지만 열복사의 경우 금속, 목재, 벽과 같은 열복사에 불투명(Opaque)한 다시말해, 열복사가 투과할 수 없는 고체에서는 복사를 표면현상(Surface phenomenon)으로 생각한다. 이러한 열복사에 불투명한 고체에 조사되는 복사열은 표면의 수 마이크론(micron) 단위의 매우 짧은 깊이에서 모두 흡수되고, 또한 이 물체의 내부에서 방출하는 복사가 그 물체의 표면까지 도달할 수 없기 때문에 표면현상(Surface phenomenon)으로 생각한다.

절대온도가 인 표면이 방출하는 최대 복사율은 Stefan-boltzmann 법칙에 의해 다음의 식으로 표현된다.

여기서 으로 Stefan-Boltzmann 상수라고 한다.

흑체(Blackbody)

흑체(blackbody)는 표면에 조사되는 모든 전자기파를 모두 흡수하고 다시 방출하는 물체이다. 즉, 최대의 복사열을 방출하는 이상적인 표면은 흑체(blackbody)라고 하며, 흑체가 방출하는 복사를 흑체복사(blackbody radiation)라고 한다. 실존하는 모든 물체는 같은 온도에서 흑체보다 적은 복사열을 방출하며, 방출하는 열은 다음의 식으로 구할 수 있다.

여기서 은 표면의 방사율(emissivity)이다. 방사율이 1에 가까울수록 흑체와 비슷한 물체로 의 범위를 갖는다.

표면의 복사특성들 중 중요한 다른 항목은 흡수율(absorptivity) 로서 표면에 도달한 복사열이 얼마나 표면에 흡수되었는지를 나타내는 값이다. 방사율과 마찬가지로 흡수율의 범위도  사이에 있다. 흑체는 표면에 도달한 모든 복사열을 흡수하므로, 완전 흡수체()인 동시에 완전한 방사체이다.

일반적으로 와 는 온도와 복사파장에 따라 다르다. Kirchhoff의 복사법칙에 의하면 온도와 파장이 같은 경우 물체 표면의 방사율과 흡수율은 같다. 대부분의 경우 물체의 표면온도와 복사열원의 온도가 거의 비슷하다. 때문에 표면의 평균 흡수율과 평균 방사율을 같은 값으로 취급한다. 표면에서 흡수되는 복사율은 다음의 식을 통해 계산된다.

여기서 는 표면에 도달하는 복사율이며, 는 흡수율이다. 불투명체인 경우에는 표면에서 흡수되지 않는 복사열은 다시 반사된다.

표면으로부터 방사된 복사열과 흡수된 복사열의 차는 순(net) 복사열전달이 된다. 만인 흡수된 복사열이 방사된 복사열보다 크면 표면은 복사에 의해 에너지를 얻게 되며 반대의 경우에는 복사에 의해 열을 잃게 된다. 일반적으로 두 표면들 사이에서 발생하는 순 복사열전달은 물체 표면의 물성치, 각각에 대한 두 물체간의 상대적인 방향, 두 표면 사이에 있는 물질의 복사에 대한 반응 등이 관계되기 때문에 매우 복잡하다.

방사율 , 표면적 , 그리고 절대온도 인 물체가 의 절대온도를 갖는 훨씬 큰(또는 검은) 표면으로 완전히 둘러싸여 있고 이들 사이에는 복사에 방해를 하지 않는 기체(예를 들어 공기)가 존재할 때, 두 표면 사이에서 발생하는 순 복사열전달은 다음과 같은 식으로 표현된다.

이런 특별한 경우에는, 방사율과 둘러싸고 있는 외곽물체 표면의 면적은 순 복사열전달에 영향을 주지 못한다.