복사 법칙

모든 물체는 전자파 형태로 에너지를 복사하고 이것이 다른 물체에 입사되면 그 물체의 분자운동에너지로 되어 열로 바뀐다. 복사에너지는 어떤 물체의 표면에 입사될 때 빛과 마찬가지로 일부는 반사, 일부는 투과되고 그 나머지가 흡수된다. 입사되는 전 에너지에 대한 흡수, 반사 및 투과에너지의 비를 각각 흡수율(absorptivity, A) , 반사율(reflectance, R), 투과율(transmissivity, T)이라 하면, A + R + T = 1 이 된다. 완전 불투과체( T = 0 )는 A+R=1이 된다. 완전 불투과체가 입사한 모든 에너지를 흡수하고 반사하지 않으면(A=1, R=0), 이 물체를 완전 흑체 또는 흑체라고 한다. 그리고 입사되는 복사에너지르 ㄹ모두 반사시키는 물체(R=1, A=0)를 백체라고 한다. 그러나 일반적인 물체는 입사되는 복사에너지를 전부 흡수하거나 반사한다. 이와 같은 물체를 회색체라 한다.

  실제로는 모든 파장에 대해 흡수율이 1(흑체)이거나 0(백체)인 물체는 존재하지 않으며, 또 흡수율이 파장에 관계없이 0에서 1 사이의 일정 값을 가지는 물체(회색체)도 없다. 흑체는 어떤 파장의 복사를 어떤 세기로 방출하는가가 온도만으로 결정되는 이상적인 물체이며, 이러한 복사를 흑체복사라고 한다.

 

   1. 키르히호프 법칙(Kirchhoff's law)

  열역학평형 상태 하에서는 어떤 주어진 온도에서 매질의 방출계수와 흡수계수의 비는 매질의 종류에 관계업싱 온도에 의해서만 결정된다는 법칙이다. 복사를 흡수하는 성질이 있는 물체에는 반드시 복사를 방출하는 성질이 있다는 것과, 또 복사를 완전히 흡수하는 물체는 그 온도에서 가능한 최대의 복사를 방출하는 물체라는 것을 나타낸다. 동일 파장에 있어서 좋은 복사체는 역시 좋은 흡수체라는 것이다. 즉, 주어진 온도에서 어떤 물체의 파장 λ의 복사선에 대한 흡수율은 동일온도와 파장에 대한 그 물체의 복사율과 같다. 이 법칙은 국소적 열역학 평형에 대해서도 확장되므로 대기 중에서의 열복사전달의 기본법칙으로 이용되고 있다.

 

  2. 플랭크의 법칙(Planck's law)

  복사의 기본법칙의 하나로서 흑체에서 단위시간에 방출되는 파장 λ의 복사량은 흑체의 절대온도 T에 의해서만 결정된다는 법칙이다. 흑체의 단일 파장 복사 플럭스, 즉 복사 조도 E는

E = c1 · λ∧(-5) · exp(-c2/λ · T)이다.

여기서 T는 절대온도 c1 = 3.74 x 10∧(8) W·m∧(-2)·㎛∧(4), c2 = 1.44 x 10∧(4) ㎛·K 이다.

 

  3. 빈의 법칙 (Wien's law)

  흑체복사에 관한 기본법칙의 하나로서 빈의 변위법칙이라고도 한다. 흑체복사의 강도가 최대가 되는 파장 λ는 그 흑체의 절대온도 T에 반비례하며, λ(cm) = 0.2897/T로 주어진다는 법칙이다. 파장 대신 파수를 사용하면

V(cm∧(-1)) = T/0.5097 이다. 태양복사는 0.17㎛~4㎛ 사이에 대부분의 에너지가 포함되어 있고 λ은 약 0.5㎛이다. 지표면 복사는 3㎛~80㎛ 사이에 대부분의 에너지가 포함되어 있고 λ은 약 10㎛이다.

 

  4. 스테판-볼쯔만 법칙(Stefan-Boltzmann's law)

  흑체 표면의 단위면적으로부터 단위시간에 방출되는 전파장의 복사에너지의 양 E는 흑체의 절대온도 4승에 비례한다.

E = σT∧(4)

σ는 스테판-볼쯔만 상수로서, 5.67 x 10∧(-8) W · m∧(-2) · K∧(-4)이다.