복사 (에너지)

복사(輻射, radiation)는 열이나 파동(주로 전자기파)이 물체에서 매질 없이 사방으로 방출되는 현상 혹은 방출되는 파동 자체를 일컫는 말이다. 흑체복사 같은 것이 있다.

개요

열의 세 가지 이동방법인 전도, 복사, 대류 가운데 하나이다. 원자 내부의 전자는 열을 받거나 빼앗길 때 원래의 에너지 준위에서 벗어나 다른 에너지 준위로 전이한다. 이때 전자기파를 방출 또는 흡수하는데, 이러한 전자기파에 의해 열이 매질을 통하지 않고 고온의 물체에서 저온의 물체로 직접 전달되는 현상이다.

매질을 통해 열이 흘러가는 전도나 열과 매질이 같이 움직이는 대류와 달리 복사는 전자기파를 통해서 고온의 물체에서 저온의 물체로 직접 에너지가 전달된다. 에너지를 전달하는 전자기파의 특성에 따라 비전리 복사(nonionizing radiation) - 전파, 단파, 적외선, 가시광선, 자외선 복사 또는 전리 복사(ionizing radiation) - X선, 감마선 복사 등으로 분류된다.

오스트리아의 물리학자 슈테판은 1879년 흑체(blackbody)가 방출하는 복사에너지의 총량을 측정하여 복사에너지는 절대온도의 4승에 비례한다는 것을 실험적으로 구하였고 이를 1884년 볼츠만이 열역학을 이용하여 이론적으로 증명하였다. 이를 슈테판-볼츠만의 법칙이라고 한다. 한편 독일의 물리학자 빈은 1893년 복사체에서 방출하는 여러 복사선 중에 에너지가 가장 큰 복사선의 파장은 표면 온도에 반비례한다는 빈의 변위법칙을 증명하였다.

복사현상은 매질과 관계없이 발생하므로 진공 속에서도 발생하게 된다. 따라서 복사에 의한 열의 이동을 막기 위해서는 물체의 표면에서 전자기파의 흡수 및 방출을 차단해야 한다. 보온병의 내부 진공층의 표면을 은색으로 칠하는 것도 은색에서 전자기파의 흡수보다 반사가 많아 복사에 의한 열전달을 줄일 수 있기 때문이다.

반대로 검은 표면은 전자기파를 잘 흡수하고 방출한다. 때문에 주택의 지붕이나 외투가 검은색일 경우 여름에는 태양 에너지를 더 많이 흡수하고 겨울에는 더 많은 열을 잃게 되므로 에너지 측면에서 효과적이지 않다. 여름에 서늘하고 겨울에 따뜻하게 하기 위해서는 은색 또는 옅은 색이 좋다.

사람이 난로에서 불을 쬐고 있을 때 사람과 난로 사이에 판자 등의 차폐물을 놓으면 따뜻한 기운이 감소된다. 난로는 공기의 대류에 의해서 방 전체를 따뜻하게 하지만, 앞의 예에서 알 수 있는 바와 같이 그와 동시에 난로에서 직접 열이 이동해 오기도 한다. 이와 같이 열을 전달하는 매질이 없더라도 고온의 물체에서 저온의 물체로 직접 열이 이동하는 현상을 열의 복사라고 한다. 또한 복사에 의해서 운반되는 열을 복사열이라고 한다. 열의 복사는 우주 공간처럼 거의 진공 상태인 곳에서도 일어난다. 태양의 열이 지구에 도달하는 것은 열의 복사에 의한 것이다. 고온의 물체는 그 온도에 따른 성질의 열복사선을 내고 있어서, 이 열복사선을 쬐면 따뜻하게 느낀다. 열복사선은 눈에는 보이지 않는 적외선이라는 일종의 전자파로서 태양, 이글거리는 숯, 전열기의 니크롬 선이나 사람의 몸에서도 나오고 있다.

열복사 이론

온도 Ts, 표면적 A2, 복사율 ε2인 물체가 열복사시에 방출하는 열량은 아래 식과 같다. 이 때, 주변 벽면은 표면적 A1, 복사율 ε1, 온도 Ta이다.)

σ: 스테판-볼츠만 상수=5.67×10⁻⁸ W m⁻² K⁻⁴

A₂ < < A₁인 경우, 즉 무한공간에 열이 퍼져나가는 경우는 다음과 같다.

스테판-볼츠만 상수는 아주 작은 수로서, 온도가 낮을 경우 열복사되는 열량은 매우 적게 된다.

아울러 몇몇 유명한 물체에 대한 복사율 ε은 흑체를 1로 할 경우 다음과 같다.

• 알루미늄　　0.02－0.1
• 철(산화면)　0.5-0.9
• 고무　　　　0.95
• 세라믹　　　0.95

참고자료

• 〈복사〉, 《두산백과》
• 〈열복사〉, 《위키백과》

같이 보기

• 복사에너지
• 전도
• 대류 (에너지)

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