2) 배경 이론
현미경 수준에서는 모든 물질에 대전을 띤 입자(충전된 입자)들이 포함되어 있습니다. 대전을 띤 입자가 가속될 때, 입자가 가지고 있는 에너지는 전자기파로 알려진 에너지의 형태로 변환됩니다. 전자기파는 우주 방사선에서부터 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 레이더 및 전파, 초음파에 이르기까지 아래 그림과 같이 다양한 스펙트럼을 포함합니다.
다양한 유형의 전자기파는 주파수(v) 및 전파 속도(c)로 특징지어지며, 이는 그 매체가 고체, 액체, 또는 기체 여부와 상관없이 매체에서 빛의 속도와 동일합니다. 전파 속도(c)는 굴절률 (n)에 의헤 진공에서 빛의 속도(c₀)와 관계가 있으며, (식1)은 아래와 같습니다.
n = c₀ / c (식1)
여기에서 c₀ = 3 × 10⁸ m/s
공기와 대부분의 가스에 대한 굴절률은 기본적으로 통일성이 있지만, 액체 물과 유리에 대해서는 n ≈ 1.5 입니다. 전자기파의 파장 λ는 아래의 (식2)과 같이 정의됩니다.
λ = c / v (식2)
전자기파를 발생하는 방법은 대전을 띤 입자의 유형에 따라 다양합니다. 감마 또는 γ선은 핵분열 또는방사성 붕괴에 의해 생성됩니다. X선은 높은 에너지 전자로 금속을 충돌시킴 으로써 생성되는 반면에, 전파는 전기 전도체를 통해 흐르는 교류 전류의 결과입니다. 전자기파의 한 띠는 물질의 온도에 따라 달라집니다. 이런 형태의 전자기파는 물질을 구성하는 미세 입자의 교반에서 비롯됩니다. 이 교반과 관련된 에너지는 물질의 온도에 따라 달라지기 때문에, 그 결과로 생기는 전자기 복사를 열 복사(열이 전자기파의 형태로 운반되거나 물체가 전자파를 방출하는 현상)라고 합니다.
‘즉, 열 복사는 물질의 내부 열에너지를 전자기 에너지로 변환하는 것을 의미합니다.’
◈ 참고: https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%B4%EB%B3%B5%EC%82%AC
열 복사는 열 또는 빛으로 검출되며, 아래 그림에 나와 있는 전자파 스펙트럼의 중간 부분에 있으며, 0.1~100μm 또는 10⁻⁷~10⁻⁴m의 파장을 가지고 있습니다. 그림에서 나타난 바와 같이, 열복사 파장은 0.1~ 0.38μm인 자외선, 가시광선은 0.38~0.76μm, 적외선 파장은 0.76~100μm입니다.
상기 그림은 태양 복사열이 0.3~3.0μm의 파장을 갖는 열 방사 파장 띠에 해당한다는 사실을 보여줍니다. 열 방사에 의한 열전달은 물질을 필요로 하지 않는다는 점에서 전도 및 대류와는 다릅니다. 즉 열방사는 진공 상태에서 발생할 수 있습니다.
진공뿐만 아니라, 열 복사가 통과하는 매체는 투명한 가스, 일부 액체 형태 또는 고체 물질일 수 있습니다. 열 복사 경로 내의 모든 물체는 방사열을 흡수 또는 반사하며, 투명 물체인 경우 입사 열 복사를 전송합니다. 흡수율은 기호 α로 정의되고, 반사율(ρ) 및 투과율(τ)은 흡수, 반사 및 투과되는 물체에 입사하는 열 복사의 비율을 나타냅니다. 이 세 개의 수는 1과 동일해야 하며 (식3)은 아래와 같습니다.
α + ρ + τ = 1.0 (식3)
이 세 가지 특성은 주로 방출하는 물체의 온도와 열 복사를 받는 표면의 특성에 따라 달라지며, 다양한 조합으로 발생할 수 있습니다. 어두운 표면은 흡수율(α)이 1에 가까워지며, 반사율(ρ)과 투과율(τ)은 0에 가까 워집니다. 반대로 고도로 연마된 표면은 약 0의 흡수율(α)과 투과율(τ)을 가지며, 약 1의 반사율(ρ)을 가질 것입니다. 이러한 특성은 온도에 따라 변할 수 있으며, 가열시 어둡게 될 수 있는 반짝이는 금속 표면으로 묘사된 것처럼, 이 세 부분(α, ρ, τ)은 달라진다는 점에 유의해야 합니다.
흡수율(α) 및 투과율(τ)이 0에 근접한 매체를 비 참여 매체라고 합니다. 진공(Vvacuum)은 이러한 현상의 완벽한 예이며, N₂,H₂및 O₂와 같은 일반적인 이성체 기체는 거의 정확하게 기준을 충족시킵니다. 흡수율이 높은 매체를 참여 매체라고하며, 그 중 이산화탄소와 물이 대표적인 예입니다.
흑체(blackbody, 모든 파장의 전자기파를 완전하게 흡수하는 물체)는 모든 입사되는 방사선이 통과 할 수 있는 1과 같은 흡수율(α)을 갖는 가상화된 물체로, 예를 들어 흡수율(α)=1.0은 어떠한 에너지도 반사하지 않으며, 즉 반사율(ρ)=0, 그리고 모든 입사 방사선을 내부적으로 흡수하며 투과율(τ)=0입니다. 흑체(blackbody)는 또한 주어진 온도에서 가능한 최대 복사열을 방출합니다. 따라서 흑체(blackbody)는 “실제” 표면을 비교할 수 있는 흡수율(α)과 복사율에 대한 표준을 제공합니다.
이상적인 흑체(blackbody)는 방사 표면 절대 온도의 4승에 비례하는 속도로 방사에너지를 방출합니다. 총 방출 복사열은 표면 온도의 함수이며, 아래 (식4)와 같이 슈테판–볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann low)에 의해 제공됩니다.
Eb = σT⁴s (식4)
Eb = 흑체 표면의 단위 면적당 복사하는 에너지
σ = 슈테판–볼츠만 상수(5.67×10⁻⁸W/m²K⁴)
Ts = 절대 표면 온도
일부 표면은 이상적인 방사체에 가까워지지만, 이론적으로 완벽한 흑체(blackbody)는 존재하지 않습니다 방사율(emissivity)은 기호 (ε)로 표시되며, 흑체에 의해 방출된 열방사를 실제 표면에 의해 방출된 열방사 와 관련이 있습니다.
E = εEb (식5)
E = 실제 표면에 의해 방출되는 열복사량(W/m²) ε = 실제 표면의 방사율
방사율(emissivity)은 표면의 특성과 온도에만 의존하는 재료의 특성입니다. 즉, 방사율은 일정 범위의 온도에서 일정하게 유지되지 않습니다. 방사율(emissivity)은 0부터 1까지의 값을 갖는 무한한 매개 변수입니다. 상기 (식5)에서 실제 표면이 흑체(blackbody)로 접근하면 방사율(emissivity)은 1에 접근하고 그 반대도 마찬가지임을 추론할 수 있습니다.
이 계획의 일환으로 진행된 실험과 관련하여, 스테인레스 연통의 표면은 주변 온도에서 상승된 온도로 인해 변색되었습니다. 상대적으로 그 방사율(emissivity)은 온도에 따라 변했습니다. Sparrow and Cess는 반복 적으로 가열되고 냉각되는 스테인레스의 방사율(emissivity)은 0.5~0.7의 범위에 있을 것이라고 예측했습니다.
표면이 방출하는 방사열의 일부만이 입사 표면에 도달할 것이며, 나머지는 주변으로 균형되게 전달됩니다. ‘표면을 떠나서 다른 표면에 곧바로 입사 복사의 분률’로 윤곽 계수(configuration factor) 또는 형상 계수 (shape factor) 또는 형태 계수(view factor)라고 부릅니다. 윤곽 계수(configuration factor)는 기본적으로 방사 표면과 입사 표면 사이의 기하학적 관계를 고려하며, 기호 φ 또는 F12로 표시되며, 첨자 1은 입사 표면, 첨자 2는 방사 표면을 나타냅니다. 따라서 한 표면이 입사 방사선과 다른 표면이 방출하는 방사선 간의 관계는 아래의 (식6)과 같이 주어집니다.
ER = ΦEs (식6)
ER = 입사된 방사선, W/m² Φ = 구성 요소 Es = 방출된 복사, W/m²
◈ 참고: http://contents.kocw.or.kr/document/12_00_2.pdf
방사율에서와 마찬가지로, 구성 요소의 범위는 0~1까지입니다. 이제 (식5)를 (식6)에 대입하면, 결과 (식7)은 입사된 방사열을 제공합니다.
ER = ΦεσT⁴ (식7)
이 계획의 실험 단계에서 EPS 샌드위치패널 시편의 EPS 단열재는 원통형 연통에서 복사열을 받습니다. 구성 요소 형상 및 (식7)을 사용하여, 시편의 EPS 단열재에 입사된 복사열을 분석적으로 계산할 수 있습니다. Blackshear는 원통형 방사체 및 방사체 표면에 평행한 입사 표면인 아래 그림에 표시된 형상에 대한 구성 요소를 제공합니다.
이 도형의 구성 요소는 (식8)에 의해 다음과 같이 나타납니다.
여기서 D = d / R L = l / R
수행된 실험을 기초하여, 다음에 입력 데이터는 온도 범위에 대한 다양한 이격 거리에서 입사된 방사열을 계산하는 데 사용되었습니다.
R= 0.1m(200mm 직경 연통의 중앙) L= 0.05㎛(100 ㎜ 두께의 EPS 판넬 중앙) d= 0.11m(공칭 간극 10mm), 0.2m, 0.3m 및 0.4m ε= 0.7(상수)
EPS 판넬 샘플의 위와 아래에 가열된 연통에서 EPS 판넬의 금속 표면에 복사열을 조사하는 것도 고려되었습니다. 입사 면은 원통형 방사체와 직각을 이루며, 아래 그림과 같은 형상입니다.
여기서 X′ = X / H R′ = R / H
(식9)를 사용하여 구성 요소를 반복적으로 계산하려는 시도는 잘못된 대답으로 보이는 것을 계속 제공했습니다. 방사되는 연통의 높이가 높아짐에 따라 입사되는 방사열도 증가한다는 것이 논리적으로 보일 수 있습니다. 그러나 (식9)를 사용하여 구성 요소를 계산하면 반대의 경향을 나타내는 것으로 나타났습니다. 이 방법은 원통형 방사체를 직사각형 판에 가까운 곳에 놓고, (식10)을 사용하여 구성 요소를 계산하기 위해 사용됩니다.
여기서 ɑ = 직사각형 방사체의 높이 b = 직사각형 방사체의 넓이 c = 방사체에서 입사면까지의 거리
(식10)을 원통형 방사체의 근사 값으로 사용할 수 있으려면, 먼저 직사각형 판의 너비가 직경 200mm의 연통에 해당하는지 평가해야합니다. 이 값은 시행착오를 겪으며, (식8)을 사용하여 도출된 값과 대응하는 직사각형 방사 표면을 비교함으로써 달성되었습니다. 이 과정은 폭 40mm의 직사각형 방사체가 온도 범위 500~900℃ 이상의 범위 및 10~400mm의 공간 거리에 대해 직경 200mm의 원통형 방사체와 적절한 상관 관계가 있음을 나타냅니다.
이를 근거로, 다음의 입력 데이터는 (식10)에 사용되었고, 결과는 입사된 방사열을 계산하기 위해 (식7)로 대체되었습니다.
a = 0.25, 0.5 및 1.0m b = 0.02(방사체의 전체 폭 = 2b) c = 10, 100, 200, 300 및 400mm
아래 그림은 직사각형 방사 표면으로부터 200mm 거리에 있는 결과의 한 예를 보여줍니다.
상기 그림에서 결론은 연통의 높이가 EPS 판넬의 표면에 입사되는 방사열 양에 큰 영향을 미치지 않는다는 것입니다. 따라서 EPS 판넬 샘플의 위와 아래의 연통 부분의 길이는 실험 목적에 중요 하지 않는 것으로 간주되었습니다.