온도흑체(Blackbody)와 흑체복사는 무엇인가?

복사란?



출처 : 천재교육

복사란 열의 세 가지 이동방법인 전도, 대류, 복사 중 하나이며, 전자기파에 의해 열이 매질을 통하지 않고 고온에서 저온으로 직접 전달되는 현상입니다. 때문에 매질이 거의 없는 진공상태의 우주에서 태양열이 지구까지 도달할 수 있는 것입니다. 복사선은 전자기파의 특성에 따라 전파, 단파, 적외선, 가시광선, 자외선 등으로 분류됩니다.

출처 : zum 학습백과 <복사 평형>

빛은 가시광선 영역의 전가지파가 우리 눈에 보이는 것으로 물체의 온도가 3000K 이상이 되면 복사선을 눈으로 볼 수 있게 됩니다. 태양은 약 6000K로 노란색 영역에서 최대 에너지를 방출합니다.

하지만 상온에서 대부분의 물체는 파장이 긴 적외선을 방출하므로 우리가 흔히 알고있는 적외선 카메라 또는 적외선 열화상 카메라 등의 적외선을 주로 사용합니다.

이렇듯 절대온도 0K 이상의 물체는 열복사를 하며 물체의 온도, 표면적, 성질에 따라 시간당 방출하는 복사 에너지가 결정됩니다.


출처 : 물리산책

물체가 방출하는 복사선은 빈의법칙에 의해 고온일수록 더 많은 복사 에너지가 방출되고 최대 에너지를 복사하는 파장이 짧아지는 것을 알 수 있습니다. 또한 플랑크법칙에 의해 표면적의 크기, 온도에 따라 복사 에너지가 커집니다.

복사 에너지가 물체에 닿으면 일부는 흡수되고 나머지는 투과 또는 반사됩니다. 하지만 복사분야에서 쓰이는 대부분의 물체는 불투명하여 투과율을 생략하면 흡수 또는 반사로 간략화 할 수 있습니다. 이론상 모든 빛을 흡수하여 검게 보이는 물체를 흑체라고 부릅니다.

물체는 복사 에너지를 방출하는 동시에 흡수하여 주변 온도와 평형상태를 만들려는 열 평형 상태에 도달해 일정온도를 유지하려 합니다. 지구도 예외는 아닙니다.

출처 : 물리산책

만약 열 평형을 이루려는 물체의 성질이 지구에 적용된다면 이론상 평균 지구 온도는 -18C가 된다고 합니다. 하지만 지난 50만년간 지구 평균온도는 19~27C 범위에 있었다고 합니다.

이 차이는 태양과 지구가 복사하는 복사선의 차이가 있어서 그렇습니다.

출처 : zum 학습백과 <복사 평형>

태양의 복사 에너지는 파장이 짧은 전자기파 형태로 지구에 전달되어 대기층을 잘 통과하지만 지구의 복사 에너지는 적외선 파장으로 대기층을 잘 통과하지 못해 대기층에 복사 에너지가 쌓이게됩니다. 이러한 효과가 '온실효과'라고 합니다.

절대 영도인 -273C 이상의 모든 물체는 자신의 온도에 따라 에너지를 방출하거나 흡수하여 열평형을 이루려 합니다. 따라서, 우리가 온도를 측정하기 위해 쓰는 열화상 카메라 및 적외선 온도계 등은 모두 물체의 복사 에너지를 이용하여 온도를 측정하는 장비입니다.

이미지 출처 : https://m.blog.naver.com/wwsoptic/50151951178

적외선 온도계의 측정원리는 위 그림과 같습니다.

필터에 빛이 들어오면 디텍터(detector)가 파장에 맞는 필터를 씌우고 불필요한 파장은 걸러냅니다. 디텍터를 거친 빛의 파장에 대한 출력은 증폭회로를 거쳐 신호값이 증폭되고, 선형 회로를 거쳐 일정한 온도를 측정할 수 있게 됩니다.

이렇게 측정된 값을 우리는 복사율(방사율)이라고 부르고, 이러한 값은 파라미터(parameter) 등에 적용, 보정하여 우리가 읽는 온도 숫자로 치환되어 나오는 원리입니다.

그렇다면 우리가 흔히 좋은 온도계라고 불리는 온도계는 복사율(방사율)이 좋은 온도계라고 할 수 있겠지요?

흑체는 복사선을 완전히 흡수하여 복사(방사) 함으로 이론상으로 복사율(방사율)은 1입니다.

흑체는 위 그림과 같이 빛이 흑체 내부로 들어오면 반사하기보다, 빛을 가두어 반사율이 적고 복사율이 높습니다. 앞서 말씀드린 내용에 따르면 물체의 3가지 광학적 성질에 따라 투과율은 거의 없기에 반사와 복사만 놓고 이해할 수 있습니다.

이때 흑체 특성상 반사는 거의 일어나지 않으므로 흑체 복사는 물체가 복사만으로 열을 내보내는 현상으로 정의할 수 있습니다.

흑체를 진공에 두고 빛을 흡수하기만 하는 검은 물체라고 가정했을 때 흑체는 열적 평형을 유지하기 위해 내보내는 빛과 흡수하는 빛의 양이 같게 됩니다. 이러한 상황에서 물체는 오로지 온도만으로 복사의 성질이 결정되게 됩니다. 이때 온도에 따른 빛의 파장과 에너지의 관계를 얻을 수 있다고 합니다.

이미지 출처 : 물리산책

앞서 설명드린 것처럼 온도가 증가하면 최댓값을 주는 파장이 작아지는 데 이를 '빈의 변위법칙'이라고 합니다. 그리고 플랑크 법칙을 적분하면 에너지는 온도의 4제곱에 비례한다는 '슈테판-볼츠만 법칙'이 나오게 됩니다. 

<Stefan Boltzmann Law>

순수 복사만으로 열전달이 가능하기에 흑체의 복사율은 거의 1에 근접할 정도로 높습니다. 온도도 압력과 동일하게 소급성 체계를 따르며 흑체는 온도 소급성에서 상위 단계에 속해 있기에 각종 온도계를 교정하는 데 적합합니다.

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