Chapter 14. Radaition Heat transfer ( 복사 열전달 )
- 복사 (radiation) : 빛의 속력으로 공간을 통과하는 에너지 전자파에 의하여 에너지가 공간을 통해 전달되는 현상
solid, liquid : 모든 파장에서 복사에너지를 내놓는다 . O 복사는 열이 아니다 .
O 흡수된 양만이 열로 변화 -> 이때 복사 없다 .
O 반사 , 투과는 다른 흡수체에 떨어지고 여러 번 연속적으로 반사된 후 열로 전환 - 어떤 물체가 외부로부터 복사에너지 받을 때
( 온도 상승에 따라 좌우 )
* 완전흑체 (Perfect black body) : 복사에너지 전부를 흡수하고 반사 , 투과 없는 흡수율 =1 인 물체
- 열복사 (thermal radiation): 외부 매체와 무관하게 복사선 방출 ( 절대 0 도 이상의 온도에 있는 모든 물질 )
온도만으로 기인되는 복사 ( 온도복사 )
14.1 복 사의 방
- 주변이 물체에 영향을 받지 않음 출
- conduction, convection 에 대해서 영향을 받지 않음
- 복사열 (radiation heat) : 복사선을 흡수해서 열로 전환되고 그 복사 에너지와 순전달로 인해 온도평형에 도달하는 것
순 에너지 (net energy) : 한 물체가 얻거나 잃어버리는 에너지 = 그 물체에 의해 방출된 에너지 –
다른 물체로부터 그 물체에 도달해 흡수된 에너지 (1) 복사선의 파장
- 0.1 ∼100 : 열흐름에서 중요한 전자기 스펙트럼 - 0.39 ∼0.78 : 가시광 (visible light)
적열 ( 백열 ) -> 500℃ 이상의 물체가 내놓은 가시광선 영역의 복사선 - 0.8 ∼2.5 : 적외선 영역 -> 공업적 온도에서 열복사
- 물체 온도 높을수록 열복사선의 파장은 짧아진다 .
(2) 방사력 (emissive power)
방사력 (emissive power) : 어떤 표면으로부터의 총 복사력
복사표면으로부터 방출된 단색광 에너지 : 그 표면온도와 복사선의 파장에 의존 단색광 복사력 ( ) : 단위 면적당 , 단위 시간당 방사되는 파장별로 나누어진 단색광 복사 ( 단일 파장의 복사 )
총복사력 ( W ) : 표면으로부터의 모든 단색광 복사의 합 - 열복사 속도 : 물질의 응집 상태에 따라 달라진다 .
o 단원자 , 이원자 기체 ( 산소 아르곤 , 질소 ) ; 온도 높아도 약하게 복사 공업적 조건하에서 이들 기체는 복사선을 내놓거나 흡수 않는다 .
o 다원자 기체 ( 수증기 , 이산화탄소 , 암모니아 , 이산화황 , 탄화수소 ) ; 고온 에서
복사를 방사 , 흡수한다 .( 일정 범위 파장 내 )
o 액체 , 고체 ; 전 스펙트럼에서 복사선 방사 , 흡수 ( 투과 =0) 얇은 층 제외
(3) 흑체 복사 (black body radiation) : 방사율 최대 가능 방사력을 가지는 이상적인 방사체 - 방사율 ( 방사능 , 복사능 emissivity) :
같은 온도에서 흑체와 그 물체의 복사력 ( 방사력 ) 의 비 - 단색광 방사율 :
같은 파장 - 회색체 (gray body) :
물체의 단색광 복사능 ( 방사율 ) 이 모든 파장에서 동일한 물체 표면의 흡수율은 모든 파장에 걸쳐 같으며 온도에 따라 변하지 않는 이상적 물체
- 고체 방사율
매끈한 표면 : 0.02-0.10( 온도에 따라 감소 ),
대부분 비전도체의 방사율은 온도에 따라 변한다 ( 증가 ) 산화금속 : 0.6-0.85
내화물 , 종이 , 합판 , 건축자재 : 0.65-0.95, 페인트 ( 알루미늄페인트 제외 ) : 0.80-0.96
(4) 흑체 복사의 법칙
1) Stefan-Boltzmann 법칙
흑체의 총방사력은 절대온도의 4 승에 비례한다 .
흑체의 복사에너지는 절대온도의 4 승에 비례하고 열전달 면적에 비례한다 . 복사에너지를 방출하는데 있어서는 온도가 증가할수록 black body 에
근접해 간다 .
실제물체 복사에너지 ( 흑체 복사에너지보다 적다 ) q : 총복사에
너지 0<ε<1
복사능 ( 방사율 ), 흑도 : ε( 온도에 따라 변화한다 )
2) Plank 법칙
- 흑체 스펙트럼 내에서 에너지 분포
- 온도 T[K] 의 흑체면에서 그 틈 부분의 빈공간에 대해서 방사되는 열방사선의 세기를 나타내는 식
흑체의 단색광 방사력 ( )
h(Plank 상수 ) ; c; 광속 ,
; 복사 파장 ,
k; Boltamann 상수 , T; 절대온도
3) Wiens displacement law( 전이법칙 , 변위법칙 ) 어떤 주어진 온도에서 최대 단색광 복사력
고체가 고온이 되는데 따라서 파장이 단파장으로 이행
14.2 불투명 고체에 의한 복사의 흡 수
투과율 (transmissivity) :
반사율 : 표면온도 , 표면특성 , 표면재질 , 입사되는 복사의 파장 및 입사각에 의존
(1) 불투명 고체의 반사율 , 흡수율
1) 거울반사 ( 정반사 , 반사경적 반사 , specular) : 금속거울 ( 매끈한 표 면 )
입사각 = 반사각 , 반사율 = 1, 흡수율 = 0
2) 난반사 ( 확산반사 , diffuse) : 거친면 ( 매트표면 등의 불투명체 표면 ) 모든 방향으로 반사 , 흡수율 =1( 일정한 반사각이 없음 )
* 화학공학 : 공업재료 표면 -> 난반사 Cosine law
- 반사율과 흡수율이 입사각에 무관
- 난반사의 경우 표면을 떠나는 복사선의 강도가 그 표면이 보여지 는 각도에 무관
(2) Kirchhoff 법칙 : 물질의 복사력에 관한 법칙 어떤 고체의 일정 온도에서 복사능과 흡수능은 같다
온도평형에서 물체의 흡수율에 대한 총복사력의 비는 그 물체의 온도에만 의존
* 흑체 복사력 ( 흡수율 =1)
- 어떤 물체가 외계와 온도평형에 있으면 복사능 ( 방사율 ) = 흡수율 - 흑체의 단색광 또는 총방사에 대한 방사율 , 흡수율은 1 이다 .
•금속표면에서 흡수율
공업용 재질표면은 대부분이 회색체가 아니다 .
흡수율이 입사되는 복사의 성질에 좌우 연마된 금속표면의 흡수율
14.3 표면 간 복
• 불투명체의 단위 면적당 총복사사
복사능 ( 방사율 ) ; 흑도 , 같은 온도에서 흑체와 그 물체의 복사력의 비 * 로 (furnace), 고온장치 ( 복사 중요 ) 의 목적
복사원 (radiant source) 과 흡입체 ( 수체 , sink) 간의 순열교환의 율속을 얻는 것
복사원 : 마주보는 두 물체에서 복사선을 더 많이 방출하는 것 ( 뜨거운 표면 ) 흡입체 : 에너지를 받아들이는 쪽 ( 차가운 표면 )
• 두 표면간 복사의 가장 간단한 형태 각 표면이 서로만 볼 수 있는 형태
• 시각 (angle of vision)
복사선을 받는 물체가 복사원을 보는 각도
(1) 두 표면간의 순복사 ( 흑체 )
F 는 두 표면의 기하학적 형태 , 서로의 공간적 관계 및 A 로 선정된 표면에 의존 면적 A1 A2 의 표면에 대해서
A 를 A1 으로 선정 A 를 A2 으로 선정
( 예 ) 오목한 면이 없고 면적이 A1 인 큰 흑체 표면으로 둘러 싸인 면적 A2 인 작은 흑체 표면의 시계인자는
Sol)
(2) 내화물 표면에 대한 허용도
복사원 , 흡수체가 내화물벽에 연결되어 있을 때
: 호환인자 , 시계인자 F 대신 사용
(3) 비 흑체 표면 복사 ( 회색체 )
1) 무한히 큰 2 개의 평행 평면
: 총괄 호환인자
2) 큰 공동내에 작은 물체가 있는 경우 - 동심구 , 동심 실린더
- 회색체 표면에 대하여
14.4 반투명체로의 복 사
유리 , 플라스틱 , 얇은 액층 , 기체 , 증기
투과율 , 흡수율은 복사통과 두께 ( 길이 ), 복사선의 파장에 의존
* 흡수성 기체로의 복사
반사 , 흡수 없고 대부분 투과 ; 산소 , 수소 , 아르곤 , 질소 등 단원자 , 이원자 기체
복사 흡수 ( 물질에 따라 특수한 파장의 복사를 흡수 ) ; 수증기 , 이산화탄소 , 유기물 등 다원자 분자
흡수성 기체를 가열 ; 더 차가운 주위로 복사
14.5 전도 - 대류 및 복사에 의한 복합 열전 달
Steam radiator, 실내의 뜨거운 관 ; 전도 - 대류 , 복사 전부 중요
