電子設(shè)備顏色對(duì)熱輻射的影響

一．輻射的本質(zhì)
物體是由分子、原子、電子等基本粒子組成，當(dāng)原子內(nèi)部的電子受激和振動(dòng)，產(chǎn)生交替變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，發(fā)出電磁波向空間傳播，這就是輻射。由于激發(fā)的方式不同，所產(chǎn)生的電磁波波長(zhǎng)就不相同，他們投射到物體上產(chǎn)出的效應(yīng)也不同。由于自身溫度或熱運(yùn)動(dòng)的原因而激發(fā)產(chǎn)生的電磁波傳播，稱(chēng)為熱輻射。
電磁波的波長(zhǎng)和分類(lèi)如下圖所示：



波長(zhǎng)λ=0.38—0.76μm范圍的電磁波屬于可見(jiàn)光線(xiàn)；波長(zhǎng)λ<0.38μm的電磁波是紫外線(xiàn)、倫琴射線(xiàn)等；λ=0.76—1000μm范圍的電磁波稱(chēng)為紅外線(xiàn)，λ>1000μm的電磁波是無(wú)線(xiàn)電波。
通常把λ=0.1—100μm范圍的電磁波稱(chēng)熱射線(xiàn)，其中包括可見(jiàn)光線(xiàn)、部分紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)，它們投射到物體上能產(chǎn)生熱效應(yīng)。工程上所遇到的溫度范圍一般在2000K以下，而熱輻射的大部分能量位于紅外線(xiàn)區(qū)段的0.76—20μm范圍內(nèi)，在可見(jiàn)光區(qū)段內(nèi)熱輻射的能量所占的比重不大。顯然，當(dāng)熱輻射的波長(zhǎng)大于0.76μm時(shí)，人的眼睛將看不見(jiàn)。
擴(kuò)大到太陽(yáng)輻射，情況就會(huì)有所變化。太陽(yáng)是溫度約為5800K的熱源，其溫度比一般工業(yè)上遇到的溫度要大的多，而太陽(yáng)輻射的主要能量集中在0.2-2μm的波長(zhǎng)范圍，其中可見(jiàn)光區(qū)段占很大比重。
輻射是通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的過(guò)程，熱輻射是由于物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)發(fā)出電磁波的過(guò)程，兩個(gè)物體之間通過(guò)熱輻射傳遞能量稱(chēng)為輻射換熱。
熱輻射的本質(zhì)決定了熱輻射過(guò)程有如下三個(gè)特點(diǎn)：

1、輻射換熱與導(dǎo)熱、對(duì)流換熱不同，它不依賴(lài)物體的接觸而進(jìn)行熱量傳遞；
2、輻射換熱過(guò)程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化，即物體的部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁波能發(fā)射出去，當(dāng)此波能射及另一物體表面而被吸收時(shí)，電磁波能又轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；
3、一切物體只要其溫度T>0K，都會(huì)不斷地發(fā)射熱射線(xiàn)。當(dāng)物體間有溫差時(shí)，高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量，因此總的結(jié)果是高溫物體把能量傳給低溫物體。即使各個(gè)物體的溫度相同，輻射換熱仍在不斷進(jìn)行，只是每一物體輻射出去的能量，等于吸收的能量，從而處于動(dòng)平衡的狀態(tài)。兩個(gè)物體之間的凈輻射量取決于它們的溫度、尺寸、輻射特性和彼此間的相對(duì)位置。

二．實(shí)際物體發(fā)射率與吸收率的關(guān)系
當(dāng)射線(xiàn)投射到物體上時(shí)，遵循著可見(jiàn)光的規(guī)律，其中部分被物體吸收，部分被反射，其余則透過(guò)物體。設(shè)投射到物體上全波長(zhǎng)范圍的總能量為G，被吸收Gα、反射Gρ、透射Gτ，根據(jù)能量守恒定律可有：Gα+Gρ+Gτ=G。變換可得：α+ρ+τ=1，其中α=Gα/G，稱(chēng)為物體的吸收率；ρ=Gρ/G，稱(chēng)為物體的反射率；τ=Gτ/G，稱(chēng)為物體的透射率；
在自然界不同物體的吸收率α、反射率ρ和穿透率τ因具體條件不同而千差萬(wàn)別。為了更好的研究，我們把全部吸收外來(lái)射線(xiàn)即α=1的物體叫做黑體，顯然黑體是個(gè)理想物體。黑體具有以下三個(gè)特性：
1、黑體在給定的溫度和波長(zhǎng)下，發(fā)射的輻射能最大。因此在相同的溫度下，沒(méi)有其他物體能比黑體發(fā)射的輻射更多；
2、黑體能夠吸收投射到其表面上的全部輻射能；
3、黑體向各方向均勻發(fā)射輻射能，這意味著黑體是漫射體。

而實(shí)際物體的輻射不同于黑體，實(shí)際物體的單色輻射力往往隨波長(zhǎng)作不規(guī)則的變化。我們把實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值稱(chēng)為實(shí)際物體的黑度（亦稱(chēng)發(fā)射率），記為ε。發(fā)射率越高，物體的輻射力越強(qiáng)，其輻射換熱的能力也越大。
物體表面的黑度取決于物質(zhì)種類(lèi)、表面溫度和表面狀況，這說(shuō)明黑度只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。不同種類(lèi)物質(zhì)的黑度顯然是不同的，而同一物體的黑度又隨溫度而變化，同時(shí)表面狀況對(duì)黑度也有很大影響。
關(guān)于實(shí)際物體的吸收性能，我們定義物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為該物體的吸收率，記為α。實(shí)際物體的吸收率取決于兩方面的因素：吸收物體的本身情況和投入輻射的特性。所謂物體的本身情況是指物質(zhì)的種類(lèi)、表面溫度和表面狀況。
實(shí)際物體的輻射吸收之間所存在的內(nèi)在聯(lián)系，1859年基爾霍夫用熱力學(xué)方法解釋了這個(gè)問(wèn)題?；鶢柣舴蚨山沂玖宋矬w發(fā)射率ε和吸收率α的聯(lián)系：即在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和它對(duì)來(lái)自黑體輻射的吸收率的比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力。也就是說(shuō)在熱平衡條件下，溫度為T(mén)的物體表面的總輻射率等于相同溫度下其對(duì)黑體投入輻射的總吸收率。
在工程輻射換熱計(jì)算中，只要參與輻射各物體的溫差不過(guò)分懸殊，把物體表面當(dāng)作漫射灰表面，就可以應(yīng)用ε=α的關(guān)系，不會(huì)造成太大的誤差。

三．太陽(yáng)輻射
太陽(yáng)是個(gè)熾熱的氣團(tuán)，它的內(nèi)部不斷進(jìn)行著核聚變反應(yīng)，由此產(chǎn)生的巨大能量以輻射方式向宇宙空間發(fā)射出去。太陽(yáng)可看成近似于溫度為5800K的黑體輻射，99%的能量集中在λ=0.2—3μm的短波區(qū)域，其最大能量位于0.483μm的波長(zhǎng)處。
對(duì)于太陽(yáng)輻射來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)是地球表面接收輻射能的一個(gè)重要來(lái)源。由于太陽(yáng)輻射能主要集中在λ=0.2—3μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，而實(shí)際物體對(duì)短波的單色吸收率和對(duì)長(zhǎng)波的單色吸收率有時(shí)會(huì)有很大的差別，對(duì)于絕大多數(shù)物體，太陽(yáng)吸收率不等于表面發(fā)射率，這是因?yàn)樘?yáng)的表現(xiàn)溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室溫，因而基爾霍夫定律不再適用
因此，在太陽(yáng)能的利用中，作為太陽(yáng)能吸收器的表面材料，盡可能的要求它對(duì)0.2—3μm波長(zhǎng)范圍的單色吸收率盡可能接近1，而對(duì)λ>3μm波長(zhǎng)范圍的單色吸收率盡可能接近零，這意味著該表面可以從太陽(yáng)輻射中吸收較多的能量，而自身的輻射熱損失又極小。
下表為部分材料及表面處理在室溫下太陽(yáng)吸收率和表面發(fā)射率：





從上表可以看出，白漆的太陽(yáng)吸收率很低，而表面發(fā)射率很高。

四．顏色的關(guān)系
在2000K以下，熱輻射的大部分能量位于紅外線(xiàn)區(qū)段的0.76—20μm范圍內(nèi)，在可見(jiàn)光區(qū)段內(nèi)熱輻射的能量所占的比重不大。而顏色只與可見(jiàn)光的吸收和反射有關(guān)，與紅外輻射無(wú)關(guān)。
考慮到電子設(shè)備的輻射散熱，對(duì)于白天需要暴露在陽(yáng)光下的電子設(shè)備的外殼表面，盡可能的選擇吸收率低的白色和其它淺顏色。這樣，這些設(shè)備表面吸收的太陽(yáng)投入輻射就會(huì)降到最小，并且自身表面發(fā)射的輻射熱近似黑體的輻射熱，其內(nèi)部電子器件的溫度會(huì)相對(duì)較低。
對(duì)于不需要暴露在太陽(yáng)光下面的電子設(shè)備外殼表面以及終端來(lái)說(shuō)，盡可能的選擇發(fā)射率高的表面處理，至于顏色來(lái)說(shuō)，則可涂覆各種顏色。

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