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5-1.빛의 반사, 투과, 흡수, 방사에 대해서

빛의 반사, 투과, 흡수, 방사에 대해서

윗그림 처럼, 물체에 입사한 빛은 일부가 반사되어, 일부가 흡수하고, 일부가 투과합니다.

반사광의 비율이 A%로 하면, 이 물체의 반사율은 A%이 됩니다. 동일하게 흡수율은 B%,투과율은 C%입니다.

A+B+C는 반드시 100%이 됩니다.

이것은 에너지 보존의 법칙 대로에서, 에너지는 형은 바꾸어도, 그 양은 증가하기도 감소도 하지 않는다라고 하는 것으로, 입사 빛의 에너지는 (반사광 에너지+흡수된 에너지+투과 빛에너지)이 된다고 하는 것입니다.

또, 방사율라고 말해지는 방사 현상을 정량화한 것이 있습니다.
이것은 물체가 있는 온도가 되었을 때에, 거기에서 빛(마이크로파∼적외선∼가시빛영역이 주인)의 형으로 에너지가 방사됩니다만, 이 방사 정도의 수치입니다.

모든 파장으로 방사율이 100%의 가장 방열해 쉬운 가상 물체를 「흑체」라고 부릅니다.  단, 현실에는 존재하지 않습니다.

중요한 점은 반드시 「흡수율=방사율」의 관계가 되는 것입니다.
흡수하기 쉬울 만큼 방사도 하기 쉽고, 흡수율이 제로라면 방사에 의한 방열도 생기지 않습니다.
이것이, 키르히호프(Kirchhoff)의 법칙(방사에너지)입니다.

유리의 방사 (= 흡수) 특성은 같은 유리에서도 온도에 따라 특성이 변화합니다. 실리카 유리는 상온에서는 가시광 영역은 투명입니다 만, 연화 온도 (1200 ℃)가되면 불투명하게 가까워지고 노랗게 빛나는있게됩니다. 석영 유리는 1200 ℃에서는 아직 투명하기 때문에 가시 광선 방사율도 제로 상태 번쩍 없습니다. 그러나 적외선 영역에서는 불투명하기 때문에 적외선은합니다. 석영 유리도 1700 ℃ 부근에서 가시 광선 영역에서도 흡수율 (= 방사율)이 높아지고 가므로, 눈부신 하얀 빛으로 빛나기 시작합니다. 온도가 2000 ℃ 정도 일텐데 태양 광 (6000K)보다 희어 느낌 때문에 빨간색 부근의 방사율이 낮은 것이라고 추정합니다.

빛의 반사, 투과, 흡수, 방사에 대해서2

윗그림은 금속과 비금속(세라믹·수지·목재류)의 방사율 (= 흡수율)의 파장에 대한 경향을 내보인 것입니다. 이것은 일반적 경향이며, 각각의 물질에 의해 값은 대폭으로 다릅니다.

금속 적외선 가열

금속은 파장이 길게 과연 흡수율이 저하되므로, 원적외선 히터에서의 가열에는 적합하지 않습니다. 가시빛에 가까운 파장에서의 가열에 적합할 테니까, 할로겐 램프 히터(피크 파장은 약1μm)이 최적입니다. 그래도 금속재료에 따라서는 가열불가능하게 가까운 금속도 있습니다. 예를 들면 구리나 알루미늄 등은 가시∼근빨강외 영역에서도 반사율이 높고, 그 위에 열전도도 좋으므로 가열 곤란입니다.  단 이것들도 표면 상태에 따라서는 가열할 수 있습니다. (산화 변색·헤어라인·칠 공예·잘잘한 요철이 있는등)

비금속 적외선 가열

비금속(세라믹, 플라스틱, 종이, 나무, 인체등)은 일반적으로 윗그림 처럼 원적외선영역에서 방사율 (= 흡수율)이 높아지므로, 원적외선 히터가 적합합니다. 단 원적외선 히터에서는 고온이게는 할 수 없으므로, 빠른 속도로 고온이게 하고 싶을 경우는 단위면적당의 가열량이 많은 할로겐 히터가 적합합니다.

방사율 (= 흡수율)은 어느 파장에 대하여도 100%이상은 있을 수 없습니다.  가상적인 물체 「흑체」가 모든 파장영역에서 100%과 정의되고 있어서, 이것에 가까운 것은 분말장 카본(95∼98%)입니다.

인체도 체온으로 방사하는 원적외선파장영역 (약10μm)은 방사율=흡수율이 95%이상입니다.  이 파장영역은 금속을 제외하는 유기물은 높은 경향에 있습니다.  빙하기를 생존하기 위해서, 태양의 은혜를 추구해서 생물(=유기물)이 진화한 결과라고 생각되고 있습니다.

어떤 물체가 있는 온도가 되면 플랑크나 스테판 볼트만의 식으로 나타내지게 방사라고 하는 형으로 에너지가 꺼내집니다. 그러나 열 에너지가 이동하는 것은 온도차이가 있어서 처음으로 일어납니다. 예를 들면 인체는 대단히 좋은 방사체입니다만, 주위에 대하여 방열할 수 있는 것은, 주위온도가 체온보다 낮을 경우뿐입니다. 주위와의 온도차이가 있어서 처음으로 방사율에 따른 방열(열이동)이 일어나 「시원하다」라고 느낍니다. (이 경우, 방사에 의한 방열보다도 대류나 바람에 의한 방열쪽이 비율이 높습니다만, 여기에서는 거기에는 접촉하지 않습니다. )

주위온도와 체온이 같은 것 경우방열할 수 없다라고 하는 것은, 온도차이가 없으면 방사에 의한 방열이 일어나지 않는다라고 말해도 좋습니다만, 주위에 대하여 방사한 에너지와 같은 만의 에너지를 주위에서 받기 때문에 차감 제로로 열이동이 없다고도 말할 수 있습니다.

이렇게 생각하면, 어떤 저온의 물체로도 그 온도에 따른 온도방사가 있을 것인데도 왜 따뜻하지 않은 것인가? 이라고 하는 의문도 없어진다고 생각합니다. 확실히 어떤 온도를 가지는 물체로는, 거기에 응한 방사에너지를 받는 것입니다만, 동시에 자신에게서도 그 물체에 대하여 자신의 온도에 따른 열방사를 한다. 자신쪽이 상대보다 온도가 높으면 건네 주는 분이 많으므로 자신의 에너지가 줄어들어서 차게 느낀다. 상대의 온도가 자신보다 높으면 받는 분이 많아지고, 열 에너지가 증가해서 따뜻하게 느끼는,이라고 하는 것입니다. 이 기회, 상대측의 방사율 (= 흡수율)이 높으면 열이동이 빨라집니다.

인체에 비유하면 이해하기 쉬우므로 「자신」이라고 표현했습니다.
어떤 것에 두어 바꾸어도 같은 것을 말할 수 있습니다. 「따뜻하게 느낀다」 것은 온도가 상승하는, 「차게 (시원하게) 느낀다」 것은 온도가 저하되는,이 됩니다.

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