열 및 물질 전달(3) 복사

1. 정의

물리학 사전에 정의한 바에 따르면 열이나 전자기파가 물체로부터 바퀴살처럼 방출되는 현상을 말합니다.

열을 전달해주는 물질 없이 물질을 구성하는 전하를 띈 입자들이 가속운동하여 전자기파를 생성하고 이 전자기파가 방출되어 생기는 현상입니다.

즉 열복사의 경우 물질(별도의 매질) 없이 전자기파로 전해지는 열전달의 한 형태로 보면 된다.

 

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2. 예시

(1) 강한 조명을 받는 부분이 점점 따뜻해진다.

(2) 모닥불과 같은 난로를 앞에 두면 따뜻해진다. 난로와 사람 사이에 장애물이 있을 때 열이 전달되지 않는 이유도 전자기파가 흡수되거나 반사되기 때문이다.

(3) 태양의 열에너지가 우주의 진공상태에서도 지구까지 열전달이 된다. 

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3. 흡수와 복사

복사에너지를 흡수와 방출을 줄이려면 어떻게 해야할까? 이 경우에는 인공위성을 생각해보면 된다.

인공위성의 색깔은 무엇일까? 왜 금속박막으로 인공위성의 몸체를 싼 이유가 무엇일까?

복사에너지는 전자파의 한 종류이기 때문에 전자파의 특성에 의해 금속은 반사한다.

만약 인공위성을 금속박막으로 싸지 않는다면 해와 마주할 때 온도는 굉장히 뜨거워지고 별이나 행성의 그림자에 가려질 경우 급속하게 온도가 낮아질 것이기 때문에 일정한 온도유지에 필요한 에너지를 줄이기 위해 금속박막으로 싼다.

검은색의 경우에는 굉장히 좋은 흡수체가 된다. 흔히 여름에 검은 아스팔트를 보면 낮에는 열을 흡수하여 주변보다 온도가 높아지고 열을 방출하고 밤에는 주변보다 온도가 낮은 상태가 된다. 그래서 검은색의 경우는 좋은 흡수체면서 좋은 복사체가 된다.

 

4. 광량자(양자) 에너지 구하기

파장은 전파속도에 비례하고 주파수에 반비례한다.

λ: 파장

c: 전파속도

v: 주파수

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따라서 파장이 짧을수록 큰 양자 에너지를 가지므로 파장이 짧은 X선이나 감마선의 복사에너지는 굉장히 위험하다.

e: 양자 에너지

h: 플랑크 상수

플랑크 상수 값

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5. 슈테판-볼츠만 공식

흑체(Blackbody)

앞에서 말한 검은색과 같은 말로 모든 전자기파를 흡수하고 방출하는 물체를 흑체라고 말한다.

슈테판-볼츠만 법칙은 이 흑체에서 방출하는 복사에너지가 절대 온도의 4제곱에 비례한다는 법칙을 말한다.

*흑체의 복사에너지 구하기

슈테판-볼츠만 상수

흑체: 반사율이 0, 방사율이 1인 물체

회색체: 방사율이 0에서 1사이인 물체

백체: 반사율이 1, 방사율이 0인 물체

*회색체의 복사에너지 구하기

ϵ: 방사율